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用科技降服燃燒千年的“火焰山” 地下煤火變身清潔電能

2018-02-01 12:47:31 科技日報　點擊量：評論 (0)

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。遠遠的就能看見陣陣仙氣，靠近則是熱浪撲

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。

遠遠的就能看見陣陣“仙氣”，靠近則是熱浪撲面，地面塌陷的洞口隱約可見赤紅的火光，仿佛一扇“地獄之門”隨時將人吞噬……

在烏魯木齊西郊的大泉湖，有一座“火焰山”。2015年4月，大泉湖地表發生一處塌陷，形成一個直徑約1米的明火塌陷坑，距離最近的住宅小區僅有200米，引發公眾恐慌。

如今，這個過火面積達32萬平方米的火區，打滿了孔洞，一個個管狀設備豎立其上，源源不斷地抽取地下高溫熱量，同時還在產生滋滋的電流。

“通過中國礦業大學首創的分布式煤田火區熱能提取新型發電技術，不僅使地下煤火的熱能得到有效利用，替代鉆孔注水每年還可節約水資源35.8萬噸。”新疆煤田滅火工程局局長賈新勇告訴科技日報記者。

中國是世界上煤火災害最嚴重的國家，其中又以新疆為甚。地下煤火到底什么樣？煤層自燃如何形成的？如何滅火？記者近日采訪中國礦業大學和新疆煤田滅火工程局的科技人員，為您揭開新疆地下煤火的秘密。

肆虐全球，沒有國界線的地下火災

地下煤火是煤田火和礦井火總稱。煤火被稱為沒有地理界限的“全球性災難”，在全世界各地都有熊熊燃燒的煤火，專家估計有的煤火已經燃燒數千年。

賈新勇認為，《西游記》中唐僧師徒西天取經，路過的火焰山原型可能正是煤田火災。早在1600多年前，北魏地理學家酈道元在《水經注》中就有“屈詞二百里有山，夜則火光，晝則但煙”的記載，描述的就是當今新疆庫車、拜城一帶煤田火災。

中國礦業大學周福寶教授告訴記者，全球每年約有10億噸煤炭被地下煤火燒毀，占世界煤炭消費總量的1/8，相當于全球500個核電站所產能量總和的2.5倍，也超過水力發電所產能量總和。

在浪費能源的同時，煤火燃燒也釋放大量有毒氣體和煙塵。每年僅地下煤火產生的溫室氣體二氧化碳，就占世界二氧化碳排放量的十分之一。

同時，地表高溫破壞土壤生態環境，加劇水土流失和沙漠化，也會導致植被枯萎死亡甚至引發山林火災；地表高溫還導致土壤釋放有害化學物質……這些都會嚴重影響人類健康和生活安全，尤其對煤火區附近人民會造成威脅。

“我國是世界上煤火災害最嚴重的國家，80%的煤層有自燃傾向，據不完全統計，1949年以來我國煤火燒毀煤炭資源量30億噸。”周福寶介紹說。

1958年以來，國家在新疆投入10億元，治理大小煤田火區50處。但是，迄今還有46處煤火在燃，每年有440萬噸的煤炭資源白白被浪費掉。此外，山西、內蒙古等煤礦大省也有大量的煤火在燃燒，治理難度相當大。

因此，如何防治、利用煤火，成為一項世界性難題。

“反彈琵琶”，地下煤火變身清潔電能

“治理煤火并不是將火體丟進水里那么簡單，如果用水給一座大山滅火，那么用水量可能超過當地的水資源總量。因此，亟須研究如何利用最少的資源來解決這個問題。”英國皇家工程院院士、國際火災安全科學學會副主席卡倫強調。

“以大泉湖為例，完全依靠注水灌漿，需要近400萬噸水，這對新疆這個缺水干旱的地區來說，代價相當大。”賈新勇說道。

然而，面對燃燒數千年的煤火，目前并沒有太多的好辦法，常規手段仍然是最傳統的滅火方法：遇地表明火就直接剝離用挖掘機挖出火源，或用黃土覆蓋；有地下暗火則打孔注水灌漿，注水是為了降溫滅火，灌漿是填充地下裂隙。

由于地下煤火從形成到燃燒已有數十年、上百年，甚至上千年，地下積聚了大量的熱，很難消散；傳統的手段消耗了大量的水資源，但是降溫效果有限，火區難以徹底熄滅。

2016年起，周福寶教授提出了地下煤火熱能利用新理念，將煤火防治與熱害的資源化利用協同考慮，實現由“治”到“用”的根本性轉變。他研發了分布式煤田火區熱能提取溫差發電新技術，利用熱電材料將地下煤火的熱能直接轉換為清潔電能。

這個設備主要由熱量提取系統和溫差發電系統兩部分組成；熱量提取系統，由放入鉆孔中的鋁管和鋁管中導熱介質組成；溫差發電系統，采用溫差發電的形式，利用硅油提取上來的熱量在發電片的熱端產生高溫并與和散熱水箱接觸的冷端形成溫差，從而達到發電的目的。

該技術在熱電轉換過程中具備無額外的能源輸入、無污染、無噪音、設備體積小、安全可靠等優點。目前，已經完成了第四代產品的研發，煤火區單孔最高發電功率達到了2105瓦，提取火區熱能181.6千瓦。

“我們在大泉湖火區的工程應用成效已經顯現。按100個鉆孔計算，每小時發電功率可達205千瓦，每年產生電能價值147.2萬元；此外，節約大量水資源，并減輕燃燒產生的酸堿性化合物、有毒物質污染地下水，減少大量有毒有害氣體排放，對生態環境保護作出了貢獻。”周福寶說。

多管齊下，降服地下火龍還需科學探究

“新疆多風少雨干旱，稍不注意就會引發煤火，地下巷道燒塌了后又與地面裂隙形成供氧通道越燒越旺，大量的水注下去有時就流到別處去了……”

與煤火周旋了多年的賈新勇感嘆到，撲滅煤火遠不是想象的那么簡單。

“當前煤田火災研究中尚存在以下三個方面的問題：大面積煤層貧氧燃燒、煤火發展狀態不明、煤巖體賦存大量熱量。”煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室主任、中國礦業大學王德明教授說，針對這三方面問題，經過多年研究，目前已初步形成三方面成果：煤田火災的形成機理及貧氧燃燒特性，煤田火災的磁、電異常特征及綜合探測方法和煤田火災的高效治理技術。

王德明說，煤炭的成分很復雜，不同地區、不同類型的煤炭各不相同，通過對世界上主要煤炭進行分析，他們研究出130多種煤炭燃燒機理，并且發現含氧量3%是個分水嶺，超過就會引發煤火。

根據研究，他們還發現煤火燃燒地區的地磁和電阻都發生改變，因此不論地表是否能看見煙火，都可以用磁電綜合探測方法準確地找到地下煤火的位置。

在基礎理論的指導下，王德明團隊也探索出一套較成熟的煤火治理技術體系。他們采用的多相介質滅火效果顯著，據實地檢測，當泡沫狀的多相介質接觸到煤火后，火區溫度迅速降低，在10秒內由800℃降低到105℃，極大地節約了滅火用水。

目前，中國礦業大學國際地下煤火防治與利用項目已列入國家“111計劃”，匯集了來自美、澳、德等國多個學科的科學家，以期通過國際合作，在煤火燃燒機理及產物的環境影響、地下煤火熱能資源的綜合化利用等方面取得突破。

“目前，我們正在和南非進行商談，探討如何應用于金礦等深井，改善礦工的工作環境。”周福寶介紹說，這套技術裝備可靠，溫差高于20攝氏度就可以用它發電，可應用于其他地熱開采領域，比如干熱巖等。賈新勇也透露，這項研究成果今年將在新疆缺水少電的托克遜烏尊布拉克煤田火區，進一步推廣應用。（記者張曄）