煤田火区浅部钻孔内嵌式热能提取装置与技术

发布时间：2020-04-23 19:13

【摘要】：煤火是一种全球性的灾难,我国的煤火尤为严重。针对传统的剥离、注水与注浆等煤田火区治理方法在治理过程中火区蕴含的热能被全部废弃的缺陷,基于“以用代治”的煤火治理新思路,设计并构建了一种新的基于温差发电技术的煤田火区浅部钻孔内嵌式热能提取装置,并对其进行了相关测试与研究。主要研究成果如下:1)针对适合煤田火区浅部钻孔自然条件的三种温差发电模块进行了热电特性测试,分析了三种温差发电模块的热电电动势、内阻、发电功率、热电转换效率等主要热电特性的差异性,并探讨了温差发电模块的成本效益,优选出了热电转换特性最好的温差发电模块。2)构建了煤田火区浅部钻孔内嵌式热能提取装置的实验室试验装置,测试分析了热管、风冷以及水冷三种不同的冷端散热方式、串并连结构、以及两种不同提热方式对装置热电转换特性的影响。结果表明,不同的冷却方式中,效率最高为水冷壁散热,效率最低为热管散热。在空载状态下,连接方式为串联的装置发电量高于并联的,接入负载后,负载电阻与装置内阻越接近,其输出功率越大。对于不同的提热方式而言,将热能提取装置放入浅部钻孔进行直接热电转换的提热方式优于将煤田火区热能提取至地面之后再进行热电转换的提热方式。3)设计并构建了煤田火区浅部钻孔内嵌式热能提取装置,该装置主要包括铜制外壳、温差发电模块、水冷壁等部件,并在现场对装置的热电转换特性进行了测试。随后,针对热能提取装置现场试验所发现的热端温度分布不均衡、未能有效利用空气与装置下部煤岩热能以及高温壁面与装置空气间隙过大等问题,从均热系统的加入、空气与装置下部煤岩热能利用、空气间隙的减少等几方面对煤田火区浅部钻孔内嵌式热能提取装置进行了优化,结果表明,热能提取装置最高发电功率为207W,开路电压最高达到260V。均热装置、热能收集装置的加入以及空气间隙的减小都可以使热能提取装置的效果得到进一步提升,且分别将装置的最大输出功率提高了8%、7%以及10%,并最终使整个装置相对于优化之前输出功率提高了16%。
【图文】：

煤火,世界,煤田火灾

1.1.1 煤田火灾概况煤田火灾[1]，是指地下煤层与空气接触后，发生了一系列的物理化学反应，从而导致煤层从缓慢氧化自燃发展到剧烈燃烧后，形成的具有一定规模，严重污染环境和威胁居民生产生活安全的煤自燃现象。煤火的触发因素也较多，主要包括人为因素（采矿活动、吸烟、点火等）、自然因素（雷击、森林火灾等）以及综合因素。工业革命以来，为了满足能源的大量需求，煤炭开始被大规模开采，而随之而来的就是煤田火灾的问题。现在，煤田火灾已经成为全世界主要采煤国家共同面临的问题[2-7]。据不完全统计，在全世界范围内，有数以千记的地下煤火正在燃烧，中国、印度、美国、澳大利亚、德国、波兰、南非、巴西、印度尼西亚等国家均有过煤田火灾相关的报道[8-15]。（世界煤火主要分布如图 1 所示）。其中，中国是世界上地下煤火灾害最严重的国家之一，中国的煤田火灾甚至被美国媒体列为世界５大生态灾难之一[16]。据统计，中国每年因煤火造成的煤炭损失大约为 10 亿吨，而由于燃烧产生的 CO2量更是高达全球每年排放量的 3%。

工艺图,煤田火区,工艺,火区

覆盖平整图 1-2 传统煤田火区治理五大工艺2 Five major processes in the management of traditional coalfie除火区浅部的火源体，并对火区进行平整或斜坡化平缓的工作面；钻探是在剥离形成的工作面上，向钻孔，形成注水，注浆通道，或形成探测火源、火区；注水是通过地表、鱼鳞坑、裂隙、钻孔向高温的煤和降低煤岩体温度，达到治理火区的目的；注浆是通孔向火区注入配置好的惰性充填材料，起到封闭火区火区地表用黄土等具有一定密实性的惰性材料进行氧气的作用[52-55]。当前,大多数学者都还把研究的重如剥离法，注水和注浆法等，它们都将煤田火区的热未考虑将煤田火区地下热能作为一种资源，对其加以系下，煤田火区热能被全部浪费，，造成了非常巨大热能利用研究现状
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD752

【参考文献】