重力热管在猫儿沟露天矿排土场深部积温治理的应用

张柏林,房淑华

(1.东南大学能源与环境学院，南京 210096；2.太原理工大学，太原 030024)

矸石是在煤矿开采落煤过程中和煤炭洗选过程中产生的工业废物，随着生产的持续，矸石量不断增加，一般被堆放在空旷场地中。矸石中含有大量的可燃质以及硫、磷和铁等元素，长期暴露在空气中，受到大自然的缓慢氧化作用，会产生SO2、H2S、CO2和CO等有害气体，并且矸石堆场内部会产生大量积温加剧有害气体的产生和释放，长此以往，严重破坏生态环境[1-2]。针对自燃发生和发展期的矸石山，常用的治理方法有覆盖法、注浆法、氮气充填法、局部加速燃烧法、注浆密闭和泡沫灭火法、挖除法及矸石山重新堆积法等[3]。目前主要存在的问题是针对矸石山自燃不同阶段临界变化状态与关键因素的研究不够明确，适用于不同煤质、不同堆积状态矸石山自然发火模型的研究不够完善，泡沫灭火、低温惰性气体灭火、控制燃烧和热管移热等新技术的大面积推广及其与传统覆盖、注浆等技术融合不够全面，综合治理模式仍可优化[4]。

针对矸石山或排土场深部高温区域比较有效的方法是热管移热技术，热管是依靠其内部密闭真空环境下工质汽化-液化来传递热量，根据使用环境的不同管腔内密封有不同物性的工质[5]。工质受热汽化吸热，冷凝液化放热，实现热量的运移[6]，因此它是具有极高的导热效率的传热原件[7]，热管技术在地热资源开采利用[8]、热处理烟气节能环保利用[9]、汽车领域[10]、工业锅炉余热回收方面[11]、CPU及服务器散热方面[12]都有重要应用。

热管具有如下特点：

1)热管管腔内的工质通过气液相变进行热量传递，汽化潜热和液化潜热的效率较高，因此热管的传热效率高。

2)汽化潜热和液化潜热是在等温条件下进行的热量吸收和释放，并且热管是由金属加工而成，因此热管具有温差小的特点。

3)由于热管吸热端和放热端所处的环境温度不同，会导致工质携带者热量在其内部流动，而不同热管其内部流动的横截面积可根据需要进行定制，因此工质的热流密度会随着外界条件的变化而变化。

4)热管内的工质是在蒸发端吸热，冷凝端放热进行的无质量变化的循环，因此热量的交互具有循环特性[13]。

1 猫儿沟露天矿排土场重力热管治理工艺

在煤矿矸石山排土场积温治理方面，热管技术也有重要研究与应用，冯乾[14]在山西省思汗沟煤矸石山上进行了三种重力热管的治理实验，分别是翅片管、水套管和双热管的实验，实验结果表明散热能力翅片管>双热管>水套管。孙美华[15]在松散煤体中，用数值模拟的方法，建立了单根重力热管、两根重力热管以及倾斜重力热管作用煤堆移热降温的数学模型，数值模拟了热管插入煤堆不同深度、角度和间距的条件对煤堆内部温度场及湿度场的影响。本文以猫儿沟露天煤矿排土场为实验基地，研究重力热管对于矸石山深部积温的治理工艺，采用理论计算的方法对重力热管的物理参数和疏热效率进行分析，量化了猫儿沟露天煤矿排土场的治理效果。

猫儿沟露天矿排土场主要有两种，一是已经完全成型的外堆区，表层覆盖黄土，种植了大量植被；另一种是还在继续堆积，没有完全成型的内堆区。猫儿沟露天矿排土场自燃区主要分为三种情况：第一种是排土场外堆区，有部分地区已经发生了自燃现象，具体表现为地温高，大量植被死亡，冬季伴随热气有大量蒸汽冒出，外堆区自燃现象如图1所示；第二种是排土场内堆区，大部分地区都已经发生了自燃现象，具体表现为地温升高，冬季伴随热气有大量蒸汽冒出，更严重的还有明火冒出；第三种是老矿区，大部分矿道已经发生了自燃现象，具体表现为地温升高，冬季伴随热气有大量蒸汽冒出，同时伴随有浓烈的刺鼻气味，内堆区自燃现象如图2所示。

图1 外堆区自燃现象

图2 内堆区自燃现象

经过现场勘察，选取890排土场为实验场地，该场地面积约为1 000 m2，实验前890排土场已经覆盖2～3 m的黄土用于治理频繁冒烟现象，但是效果不理想，主要体现在覆盖黄土的工程量大，覆盖1～2个月后地面再次出现冒烟现象并伴有大量刺鼻气味，高温导致黄土沙化现象严重。针对以上现象，重力热管设计加工长度为6 m，外径为90 mm，材质为碳钢并且外表面做防锈处理，内部工质选取联苯(工作温度为150～300 ℃)。重力热管吸热端插入地下4 m左右，散热段为2 m左右在地表以上，由此形成了猫儿沟露天矿排土场的初步方案，建立物理模型，并进行计算。

2 结构分析及物理计算

热管的外管壁将内部工质密封，使工质不与外界发生质量交换，因此可以定义内部循环的工质是闭口系，热管是从排土场深部吸收热量，使工质汽化，气体在热管内上升至地表以上，经过环境的降温液化，放出热量。根据热力学第一定律[22]，即能量守恒定律，因为没有其它形式的功的转化以及质量的损失，且忽略势能的影响，可以得出热管闭口系能力方程：排土场深部吸收热量=向环境放出的热量。因此建立重力热管的地表以上部分的散热模型，计算热管内工质向环境放出的热量便可知排土场深部吸收热量。

建立重力热管的散热模型，重力热管散热模型如图3所示。

图3 重力热管散热模型

热管对流传热热量损耗计算：

空气的膜平均温度为：

(1)

查询空气物性值为：

μf=2.385×10-5kg/(m·s)

kf=0.035 71 W/(m·℃)

Prf=0.686

式(1)中，Tw为热管外壁温度，℃摄氏度；T∞为空气温度，℃；Tf为空气的膜评价温度，K开氏度；R为空气的气体常数；μf为动力粘度，kg/(m·s)；kf为导热性系数，W/(m·℃)；Prf为普朗特数。

雷诺数为：

(2)

式(2)中，U∞为空气流速，三级风风速约为3.4～5.4 m/s；d为热管直径，直径为0.09 m。

努塞尔数以平均对流传热系数h计算的横掠单管时的对流传热特征数关联式为：

(3)

由所求雷诺数通过查表可得C=0.193，

式(3)中，Nu为努塞尔数；h为表面传热系数，W/(m·℃)。

热管的对流传热量为：

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

(4)

式(4)中，q为热流量，W；L为热管对流散热长度，m。

经过理论计算，可计算出单根热管在猫儿沟露天矿排土场的散热功率为4.75 kW，890排土场实验区域共安装20根重力热管，散热总功率为95 kW。

3 治理效果评价

经过60 d的治理及现场考察，区域内已无冒烟现象，由于深部积温通过重力热管直接传导至大气中，地表覆盖的黄土温度由治理前的50 ℃下降至16 ℃，地表沙化现象明显改善，初步判断具备种植植物的条件。随着治理过程的推进，部分重力热管外露部分温度会逐渐下降，当测量温度下降至工质相变温度以下时，判定此部分重力热管将不再工作，可以将其从排土场中拔出回收。直至剩余1～2根重力热管时，此区域治理结束，剩余的1～2根重力热管将起到监测的作用，持续更长的一段时间后拔出回收。890排土场治理前和排土场治理后的场景分别见图4和图5。

图4 890排土场治理前

图5 890排土场治理后

4 结语

重力热管对于露天矿排土场自燃区域的治理效果明显，相对于覆盖法、注浆法等工艺，具有以下特点：

1)操作简单。用钻机在自燃区域施工地面钻孔，将热管插入钻孔中，用黄土填入钻孔缝隙中即可。

2)治理成本低。由于重力热管可以重复使用，治理区域随着内部积温的下降，可以逐步回收重力热管。

3)治理效果易于观测考察。可以观测排土场内部积温以及重力热管外露部分的温度，经过计算可判断治理效果。

随着我国对于煤炭去产能的调控政策，许多煤矿已经关停，但是开采留下的矸石山和排土场自燃情况仍在继续，并且将持续很长时间。虽然重力热管工艺在猫儿沟露天矿排土场内部积温的治理取得了很好的效果，但是从理论计算中可以看到1 000 m2排土场地安装的20根重力热管产生的散热功率为95 kW，猫儿沟露天矿排土场的面积约为5.618 1 km2，初步估算通过重力热管可导出的深部积温多达533 kW。在治理的过程中重力热管散发出的热量全部排入空气中，会导致局部区域空气温度升高，并且大量热量仍具有可以转化的可能，若能将重力热管的高效疏热优点与热能转化结合起来，有可能产生极大的废弃能源二次利用价值。