煤火治理迎来热能发电“黑科技”

    一提到火焰山，大家可能首先想起唐僧西天取经的故事——孙悟空借来芭蕉扇，一扇熄火二扇生风三扇下雨，师徒四人才渡过此难。那《西游记》中的火焰山究竟为何物？有专家认为，其原型可能正是煤田火灾。早在1600多年前，北魏地理学家郦道元在《水经注》中就有“屈词二百里有山，夜则火光，昼则但烟”的记载，描述的就是今天新疆库车、拜城一带煤田火灾。
　煤火被称为没有地理界限的“全球性灾难”，全球每年约有10亿吨煤炭被地下煤火烧毁，占世界煤炭消费总量的1/8，相当于全球500个核电站所产能量总和的2.5倍，也超过水力发电所产能量总和。而我国是世界上煤火灾害最严重的国家，据不完全统计，1949年以来我国煤火烧毁煤炭资源量30亿吨。
　没了神话故事中的芭蕉扇，我们有无办法“渡过难关”？1月11日，在中国矿业大学召开的国家“111计划”（高等学校学科创新引智计划）国际地下煤火防治与利用进展交流会上传出好消息——在我国煤田火灾最严重的新疆，已经利用分布式煤田火区热能提取新型清洁发电技术治理煤火。“这项全球原创性的技术成功将煤田火区的热能转变为清洁电能，是煤火防治与利用的重大突破，对推动全球煤田火灾治理发展作出了贡献。”国际火灾安全科学学会副主席José L. Torero Cullen院士在会议上表示。
　
煤火导致一系列问题
　据介绍，煤火吞噬大量资源的同时，还引发了一系列严重问题。例如，煤火燃烧释放大量的有毒有害气体以及烟尘，每年仅地下煤火产生的二氧化碳就占世界二氧化碳排放量的1/10；同时，地表高温破坏土壤生态环境，加剧水土流失和沙漠化，也会导致植被枯萎死亡甚至引发山林火灾；地表高温还导致土壤释放有害化学物质……这些都会严重影响人类健康和生活安全，尤其对煤火区附近人民会造成威胁。
　而在火灾防治过程中也浪费了大量水资源，还容易污染地下水。José L. Torero Cullen强调，“治理煤火并不是将火体丢进水里那么简单，如果用水给一座大山灭火，那么用水量可能超过当地的水资源总量。因此，亟需研究如何利用最少的资源来解决这个问题。”
　其实，中国早就重视该问题。1958年，在周恩来总理“要摸清新疆的煤田火灾，针对不同情况采取措施”的批示指导下，一支专业化的煤田灭火队伍——新疆煤田灭火工程局成立了，这也是全国迄今为止唯一一支治理煤田火灾的专业化队伍。
　据新疆煤田灭火工程局局长贾新勇介绍，1958年以来，新疆共治理大小煤田火区50处，解救保护的煤炭资源总量约314.5亿吨；治理的火区总面积1260万平方米，恢复植被1100万平方米，减排温室气体近4亿吨，并初步形成了一套较成熟的煤火治理技术体系。

　地下煤火变清洁电能
　但传统的煤田火区治理易造成生态破坏，防灭火技术注水浪费水资源，并且降温效果有限，火区难以彻底熄灭。这种“芭蕉扇式”的、只停留在“将火灭了”的思路有待突破。
　近年来，中国矿业大学安全工程学院院长周福宝教授团队提出了地下火热能利用新概念，将煤火防治与热害的资源化利用协同考虑，实现了从“治”到“用”的根本性转变，研发了分布式煤田火区热能提取温差发电新技术，能够将地下煤火的热能直接转换为清洁电能。
　2015年4月初，距新疆乌鲁木齐市13公里的大泉湖地表突然坍塌，形成了一个直径约1.5米的高温明火塌陷坑，犹如火山口，该区域包含27层煤层，燃烧深度在7-134米之间，过火面积达32万平方米，引起周围居民恐慌。为解决煤火问题，新疆煤田灭火工程局联合中国矿业大学将上述清洁发电技术在大泉湖进行了工程应用。
　“煤田火区蕴藏巨大的高品质热能，分布式煤田火区热能提取发电系统解决了传统的灌水注浆防灭火方式存在的浪费水资源、污染等问题。高品质废弃热能的有效回收利用，间接带走火区热量，在降低火区温度，加快火区治理进程的同时，降低了火区治理成本。”贾新勇介绍。
　据了解，该技术在热电转换过程中具备无额外的能源输入、无污染、无噪音、设备体积小、安全可靠等优点。截至目前已经完成了第四代产品的研发，煤火区单孔最高发电功率达到了2105瓦，提取火区热能181.6千瓦。
　“我们在大泉湖火区的工程应用成效已经显现。一方面，100个钻孔的发电功率可达205千瓦，每年产生电能价值147.2万元，可解决偏远地区用电问题；另一方面，替代钻孔注水每年可节约水资源35.8万吨，这对水资源宝贵的新疆尤为重要；此外，减轻燃烧产生的酸碱性化合物、有毒物质污染地下水，减少大量有害有毒气体排放，对生态环境保护作出了贡献。这些对全球煤田火灾治理工艺的发展和保护水资源都具有重大意义。”周福宝进一步指出。

　将进行规模化工程示范推广
　贾新勇还在会上透露，这项研究成果今年将在新疆缺少电力供应的托克逊乌尊布拉克煤田火区，进一步推广应用。
　那么在新疆煤田火区“成长”起来的技术，是否可复制？推广前景又如何？有与会专家表示，该技术装备可靠，温差高于20度就可以应用，使用范围很广：可用于水泥、钢铁、热电、陶瓷、有色金属等行业高温废热、废水利用等，还可应用于其他地热开采领域，目前已经初步具备工业推广应用的条件。
　“接下来，我们将进一步研究如何提高系统的稳定性，提高系统发电量，致力于规模化的工程示范应用，从点到面争取实现大规模应用。同时，高温矿井容易导致事故发生，这项研究成果可以降低矿井环境温度，并对热资源进行利用，我们希望将该成果在深井推广使用。”周福宝说，“目前，已经和南非等方面进行初步合作，探讨如何应用于金矿等深井，改善矿工的工作环境。此外，我们也在实践如何把煤田火区治理后的生态恢复重建，火灾治理后这些地方不再是荒滩戈壁，而变成青山绿水，目前我们团队也已经做了大量的研究工作。”
　据悉，中国矿业大学国际地下煤火防治与利用项目已列入国家“111计划”，目前汇集了来自美国、澳大利亚、德国等相关领域多学科的科学家，并将不断吸收更多专家学者，以期通过国际合作，在煤火燃烧机理及产物的环境影响、地下煤火热能资源的综合化利用等方面取得重大突破。