重力熱管在貓兒溝露天礦排土場深部積溫治理的應用

張柏林,房淑華

(1.東南大學能源與環境學院，南京 210096；2.太原理工大學，太原 030024)

矸石是在煤礦開采落煤過程中和煤炭洗選過程中產生的工業廢物，隨著生產的持續，矸石量不斷增加，一般被堆放在空曠場地中。矸石中含有大量的可燃質以及硫、磷和鐵等元素，長期暴露在空氣中，受到大自然的緩慢氧化作用，會產生SO2、H2S、CO2和CO等有害氣體，并且矸石堆場內部會產生大量積溫加劇有害氣體的產生和釋放，長此以往，嚴重破壞生態環境[1-2]。針對自燃發生和發展期的矸石山，常用的治理方法有覆蓋法、注漿法、氮氣充填法、局部加速燃燒法、注漿密閉和泡沫滅火法、挖除法及矸石山重新堆積法等[3]。目前主要存在的問題是針對矸石山自燃不同階段臨界變化狀態與關鍵因素的研究不夠明確，適用于不同煤質、不同堆積狀態矸石山自然發火模型的研究不夠完善，泡沫滅火、低溫惰性氣體滅火、控制燃燒和熱管移熱等新技術的大面積推廣及其與傳統覆蓋、注漿等技術融合不夠全面，綜合治理模式仍可優化[4]。

針對矸石山或排土場深部高溫區域比較有效的方法是熱管移熱技術，熱管是依靠其內部密閉真空環境下工質汽化-液化來傳遞熱量，根據使用環境的不同管腔內密封有不同物性的工質[5]。工質受熱汽化吸熱，冷凝液化放熱，實現熱量的運移[6]，因此它是具有極高的導熱效率的傳熱原件[7]，熱管技術在地熱資源開采利用[8]、熱處理煙氣節能環保利用[9]、汽車領域[10]、工業鍋爐余熱回收方面[11]、CPU及服務器散熱方面[12]都有重要應用。

熱管具有如下特點：

1)熱管管腔內的工質通過氣液相變進行熱量傳遞，汽化潛熱和液化潛熱的效率較高，因此熱管的傳熱效率高。

2)汽化潛熱和液化潛熱是在等溫條件下進行的熱量吸收和釋放，并且熱管是由金屬加工而成，因此熱管具有溫差小的特點。

3)由于熱管吸熱端和放熱端所處的環境溫度不同，會導致工質攜帶者熱量在其內部流動，而不同熱管其內部流動的橫截面積可根據需要進行定制，因此工質的熱流密度會隨著外界條件的變化而變化。

4)熱管內的工質是在蒸發端吸熱，冷凝端放熱進行的無質量變化的循環，因此熱量的交互具有循環特性[13]。

1 貓兒溝露天礦排土場重力熱管治理工藝

在煤礦矸石山排土場積溫治理方面，熱管技術也有重要研究與應用，馮乾[14]在山西省思汗溝煤矸石山上進行了三種重力熱管的治理實驗，分別是翅片管、水套管和雙熱管的實驗，實驗結果表明散熱能力翅片管>雙熱管>水套管。孫美華[15]在松散煤體中，用數值模擬的方法，建立了單根重力熱管、兩根重力熱管以及傾斜重力熱管作用煤堆移熱降溫的數學模型，數值模擬了熱管插入煤堆不同深度、角度和間距的條件對煤堆內部溫度場及濕度場的影響。本文以貓兒溝露天煤礦排土場為實驗基地，研究重力熱管對于矸石山深部積溫的治理工藝，采用理論計算的方法對重力熱管的物理參數和疏熱效率進行分析，量化了貓兒溝露天煤礦排土場的治理效果。

貓兒溝露天礦排土場主要有兩種，一是已經完全成型的外堆區，表層覆蓋黃土，種植了大量植被；另一種是還在繼續堆積，沒有完全成型的內堆區。貓兒溝露天礦排土場自燃區主要分為三種情況：第一種是排土場外堆區，有部分地區已經發生了自燃現象，具體表現為地溫高，大量植被死亡，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，外堆區自燃現象如圖1所示；第二種是排土場內堆區，大部分地區都已經發生了自燃現象，具體表現為地溫升高，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，更嚴重的還有明火冒出；第三種是老礦區，大部分礦道已經發生了自燃現象，具體表現為地溫升高，冬季伴隨熱氣有大量蒸汽冒出，同時伴隨有濃烈的刺鼻氣味，內堆區自燃現象如圖2所示。

圖1 外堆區自燃現象

圖2 內堆區自燃現象

經過現場勘察，選取890排土場為實驗場地，該場地面積約為1 000 m2，實驗前890排土場已經覆蓋2～3 m的黃土用于治理頻繁冒煙現象，但是效果不理想，主要體現在覆蓋黃土的工程量大，覆蓋1～2個月后地面再次出現冒煙現象并伴有大量刺鼻氣味，高溫導致黃土沙化現象嚴重。針對以上現象，重力熱管設計加工長度為6 m，外徑為90 mm，材質為碳鋼并且外表面做防銹處理，內部工質選取聯苯(工作溫度為150～300 ℃)。重力熱管吸熱端插入地下4 m左右，散熱段為2 m左右在地表以上，由此形成了貓兒溝露天礦排土場的初步方案，建立物理模型，并進行計算。

2 結構分析及物理計算

熱管的外管壁將內部工質密封，使工質不與外界發生質量交換，因此可以定義內部循環的工質是閉口系，熱管是從排土場深部吸收熱量，使工質汽化，氣體在熱管內上升至地表以上，經過環境的降溫液化，放出熱量。根據熱力學第一定律[22]，即能量守恒定律，因為沒有其它形式的功的轉化以及質量的損失，且忽略勢能的影響，可以得出熱管閉口系能力方程：排土場深部吸收熱量=向環境放出的熱量。因此建立重力熱管的地表以上部分的散熱模型，計算熱管內工質向環境放出的熱量便可知排土場深部吸收熱量。

建立重力熱管的散熱模型，重力熱管散熱模型如圖3所示。

圖3 重力熱管散熱模型

熱管對流傳熱熱量損耗計算：

空氣的膜平均溫度為：

(1)

查詢空氣物性值為：

μf=2.385×10-5kg/(m·s)

kf=0.035 71 W/(m·℃)

Prf=0.686

式(1)中，Tw為熱管外壁溫度，℃攝氏度；T∞為空氣溫度，℃；Tf為空氣的膜評價溫度，K開氏度；R為空氣的氣體常數；μf為動力粘度，kg/(m·s)；kf為導熱性系數，W/(m·℃)；Prf為普朗特數。

雷諾數為：

(2)

式(2)中，U∞為空氣流速，三級風風速約為3.4～5.4 m/s；d為熱管直徑，直徑為0.09 m。

努塞爾數以平均對流傳熱系數h計算的橫掠單管時的對流傳熱特征數關聯式為：

(3)

由所求雷諾數通過查表可得C=0.193，

式(3)中，Nu為努塞爾數；h為表面傳熱系數，W/(m·℃)。

熱管的對流傳熱量為：

q=πdh(TW-T∞)L=3.141 6×0.09×28.986×290×2=4 753.507 W

(4)

式(4)中，q為熱流量，W；L為熱管對流散熱長度，m。

經過理論計算，可計算出單根熱管在貓兒溝露天礦排土場的散熱功率為4.75 kW，890排土場實驗區域共安裝20根重力熱管，散熱總功率為95 kW。

3 治理效果評價

經過60 d的治理及現場考察，區域內已無冒煙現象，由于深部積溫通過重力熱管直接傳導至大氣中，地表覆蓋的黃土溫度由治理前的50 ℃下降至16 ℃，地表沙化現象明顯改善，初步判斷具備種植植物的條件。隨著治理過程的推進，部分重力熱管外露部分溫度會逐漸下降，當測量溫度下降至工質相變溫度以下時，判定此部分重力熱管將不再工作，可以將其從排土場中拔出回收。直至剩余1～2根重力熱管時，此區域治理結束，剩余的1～2根重力熱管將起到監測的作用，持續更長的一段時間后拔出回收。890排土場治理前和排土場治理后的場景分別見圖4和圖5。

圖4 890排土場治理前

圖5 890排土場治理后

4 結語

重力熱管對于露天礦排土場自燃區域的治理效果明顯，相對于覆蓋法、注漿法等工藝，具有以下特點：

1)操作簡單。用鉆機在自燃區域施工地面鉆孔，將熱管插入鉆孔中，用黃土填入鉆孔縫隙中即可。

2)治理成本低。由于重力熱管可以重復使用，治理區域隨著內部積溫的下降，可以逐步回收重力熱管。

3)治理效果易于觀測考察?？梢杂^測排土場內部積溫以及重力熱管外露部分的溫度，經過計算可判斷治理效果。

隨著我國對于煤炭去產能的調控政策，許多煤礦已經關停，但是開采留下的矸石山和排土場自燃情況仍在繼續，并且將持續很長時間。雖然重力熱管工藝在貓兒溝露天礦排土場內部積溫的治理取得了很好的效果，但是從理論計算中可以看到1 000 m2排土場地安裝的20根重力熱管產生的散熱功率為95 kW，貓兒溝露天礦排土場的面積約為5.618 1 km2，初步估算通過重力熱管可導出的深部積溫多達533 kW。在治理的過程中重力熱管散發出的熱量全部排入空氣中，會導致局部區域空氣溫度升高，并且大量熱量仍具有可以轉化的可能，若能將重力熱管的高效疏熱優點與熱能轉化結合起來，有可能產生極大的廢棄能源二次利用價值。