煤炭地下氣化工藝

1、煤炭地下氣化工藝煤炭地下氣化是一種直接把煤在地下氣化的采煤方法。利用它可獲得熱能，電能或各種化學(xué)產(chǎn)品。本采煤方法可解除礦井內(nèi)的人員，礦工繁重的、不安全的勞動；可建立一個環(huán)保潔凈的企業(yè)，這一工藝一百多年來吸引了多少研究工作者想把它會付諸于現(xiàn)實。目前有關(guān)煤層地下氣化發(fā)展前景的資料很多；但其作者對工技術(shù)的評價眾說紛紜。俄羅斯在煤層地下氣化技術(shù)方面在世界上是處于領(lǐng)先地位。早在三十年代初就在二個煤田；順涅茨克、庫茲巴斯和莫斯科近郊開始了實際工作。第一批試驗是在地底下建立層狀的氣化爐、以獲取動力氣體的水蒸氣。在四十年代末在戈爾洛夫城、里希查城和杜拉城建成了第一批工業(yè)試驗性的地下氣化站。當時采用直井式和半直

2、井式的氣化方案，由于查明直井式方案有一系列原則缺點，所以后來就指定采用無井式方案。通過實際研究表明，采用氣流法能把原煤層氣化。地下氣化的過程由下列主要階段組成：從地表向煤層鉆進垂直的、傾斜的和定向傾斜鉆孔。為了實現(xiàn)氣化過程，將鉆孔底端在煤層中貫通。將煤層點燃使煤體氣化：無井式方案揭露煤層的實質(zhì)就是在煤層上相隔一定距離鉆進進氣孔和出氣孔。氣化過程中吹入的氧氣與煤層的碳作用，生成二氧化碳、一氧化碳、然后是氫；此外，在氣體中還有其它可燃物質(zhì)；甲烷，不定的碳氫化合物，硫氫化合物。進、出氣孔按一定的網(wǎng)格布置形成地下氣化爐，在地表設(shè)有壓送氣化劑，例如“空氣、富氧空氣的管道和把氣體輸送到凈化和冷卻設(shè)施的管道

3、以及相應(yīng)的設(shè)備和廠房。采用洗滌裝置進行氣體的凈化，地下氣化站可以同時或單獨產(chǎn)生動力氣體和進氣體黔簡單的氣體方案是采用空氣作為氣化劑，其工藝示意圖見圖1。所得氣體的組成及熱值取決于煤層埋藏的工藝條件、煤的質(zhì)量、氣化劑的成分以及氣體凈化程度。當采用空氣作用氣化劑時，理論計算氣體熱值不會大于4.4MJ/m3（1050大卡/m3）；由于水蒸氣和煤的其它有機物質(zhì)的參于氣化過程。使熱值達到4.65.0 MJ/m3（11001200大卡/m3）；當采用富氧氣化劑時（含65%的氧），熱值可提高至6.7MJ/m3（1600大卡/m3）；所以地下氣化時所得到的是低值熱氣體。圖1 煤炭地下氣化站工藝流1公斤煤能氣化

4、成1.55.5m3的煤氣。整個氣化過程以及燃燒熱的維護是通過調(diào)整進、出氣量，對于地下氣化的控制是通過工藝、地質(zhì)和測定的方法。二次大戰(zhàn)后又恢復(fù)了地下氣化工作，當時主要注意力集中在燃料再處理的化學(xué)工藝，礦山和鉆探工作，地下流體和氣體動力學(xué)、水文地質(zhì)、設(shè)計專用機械設(shè)備。從1949年至1964年，從事煤層地下氣化問題的單位有全蘇地下氣化研究所和地下所氣化地質(zhì)研究設(shè)計院以及18個科學(xué)分析有關(guān)研究所。在此階段，設(shè)計和投產(chǎn)的有1955年“南阿賓斯克”站，設(shè)計能力為5億m3/年（相當于25噸庫茨涅茨煤），1958年“沙特卡亞”站，產(chǎn)量為6.6億m3/年（相當于25噸莫斯科近郊褐煤），1961年“安格林”站，產(chǎn)

5、量為23億m3/年（相當于50噸煤）；還有在頓巴斯煤系和高濕潤性的第聶伯爾煤田建的“卡敏斯克”和“西涅尼柯夫”氣化試驗站。經(jīng)過研究和工業(yè)性的試驗工作證明了無井式氣化褐煤層厚度從2m至22m，埋深從30m至250m；煙煤層厚度為0.6m至10m，埋深從50m至400m。在六十年代初發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模天然氣，改變了國家能源利用的結(jié)構(gòu)。天然氣與石油氣產(chǎn)品成為主要燃料，從這以后煤層地下氣化工作大大縮減。從1973-1974年，整個資本主義世界發(fā)生了經(jīng)濟危機、重新引起了對地下氣化的注意力。由于石油、天然氣的減少以及未來對能源需求增加。煤在未來的動力和工業(yè)中的作用越來越顯著；還應(yīng)注意到，在資本主義發(fā)達國家中，化

6、學(xué)工業(yè)對液態(tài)和氣態(tài)的碳氫原料的需求，據(jù)預(yù)測至2000年，將達到總產(chǎn)量的20-50%。對燃料需求的增加不得不設(shè)法提高煤的利用，最理想工業(yè)能源可能就是地下氣化出來的氣體。在俄羅斯積累了多年從事煤層地下氣化的經(jīng)驗。例如“南阿賓斯克”站正常工作了36年，而“安格林”站正常工作了32年?！鞍哺窳帧闭镜臍怏w熱值為3.13.4 MJ/m3（740810大卡/m3）；而在“南阿賓斯克”站為3.44.2MJ/m3（8101000大卡/m3）?！鞍哺窳帧闭旧a(chǎn)的氣體供給安格水力發(fā)電站，“南阿賓斯克”站供應(yīng)基西列夫斯克城10個取暖鍋爐，“南阿賓斯克”站主要用“基西列夫斯克伯洛柯彼夫斯克”煙煤（庫茲巴斯），共23層，

7、厚2m6.5m，埋深50m300m，傾角3536，煤的牌號。該站的工藝流程見圖2，它包括高壓（至7.0MPa）壓縮空氣裝置，用于貫通；中壓（7.0MPa）裝置，用于形成氣化通道；低壓（0.250.46MPa）裝置，用于維持燃燒煤層。低壓空氣輸送至地下氣化爐內(nèi)，經(jīng)過燃燒形成氣體，原生氣體進入地表洗滌裝置，經(jīng)噴水冷卻至2030，同時從氣體中分離灰屑、油脂物：CO2和H2部分被洗滌。冷卻后的氣體即可經(jīng)管道供給用戶，用于冷卻的水在洗滌循環(huán)中反復(fù)利用那里有冷卻塔和沉淀池等專用裝置，水的苯酚層在開式沉淀池中，經(jīng)過脫酚后變?yōu)閺U水排放，為了冷卻空壓機和輸送管道采用標定圖2 南阿賓斯克地下氣站工藝流程該站的設(shè)計

8、能力為5億m3/年，而成本為1.8盧布/1000m3（12.6盧布/噸煤），1965年實際最大產(chǎn)量達4.5億m3/年（相當于氣化19萬噸煤/年）。安格林站位于塔什干地區(qū)，用的是安格林褐煤，設(shè)計年產(chǎn)量為23.2億m3，被氣化煤層厚度從3m29m，埋深120m250m，其特點是煤層和有熱質(zhì)的砂巖和粉砂巖圍巖含有極低的含水量和滲透性，煤層上面有一層厚為60m100m的隔水層。在地下氣化爐范圍內(nèi)，從地表相隔15m20m鉆有垂直孔，鉆孔內(nèi)下入套管，管外用水泥加固。除揭露煤層的垂直孔外，還有傾斜水平孔，僅在巖石部分下入套管，在煤層中鉆孔的貫通借助3.06.0MPa壓力，吹入空氣氣化時采用低中壓（0.20.

9、6MPa），參與氣化的是煤，空氣中的氧氣和煤的水份。最大產(chǎn)量達14.10億m3（相當于氣化52噸煤）。工作過程相當穩(wěn)定，證明采用空氣吹孔在不同的礦山地質(zhì)條件下可達400m的深度，在地表綜合解決了氣體的除硫化氫的凈化工作，獲得了寶貴的化工原料（次亞硫酸鹽和硫和脫酚的排放水）。至1994年初，氣化站消耗了146百萬噸煤，獲得了500億m3氣體，用于動力、取熱和獲得化學(xué)產(chǎn)品。煤層地下氣化與常規(guī)傳統(tǒng)采煤相比表明一系列技術(shù)優(yōu)點：解除了地下礦工的繁重勞動；排除了含高廢渣燃料的運輸，地表的灰渣堆以及含硫灰塵和硫酸物的污染；可開采不受灰分和煤層厚度以及復(fù)雜礦山地質(zhì)條件限制的煤層；可實現(xiàn)工藝的全部自動化和機械化

10、；可獲得用于經(jīng)濟建設(shè)寶貴的化學(xué)產(chǎn)品；與建設(shè)深的豎井來比可養(yǎng)活基本投資。阻礙廣泛應(yīng)用地下氣化技術(shù)的因素有：低的化學(xué)和能量氣化有效利用系數(shù)；與天然氣相比低的熱值；穩(wěn)定地下氣化產(chǎn)出氣體的組分過程比較復(fù)雜；綜合利用和排除氣體所含的物理熱能問題比較復(fù)雜；還缺乏對煤層地下氣化工藝的技術(shù)經(jīng)濟評價方法。雖然存在上述缺點，但俄羅斯及國外的專家們已經(jīng)證實了煤層地下氣化技術(shù)上的可行性和能夠穩(wěn)定的取得計劃的氣體產(chǎn)量。二、煤層地下氣化企業(yè)與傳統(tǒng)的采煤方法的技術(shù)經(jīng)濟分析2.1 “南阿賓斯克”地下氣化站建于1952年，1955年投產(chǎn)，氣化23層煤，厚為2m，傾角為5570，氣化所用工業(yè)儲量煤為3260萬噸（1977年6月1

11、日統(tǒng)計）。氣化站的工業(yè)用地建于不含煤的地層上，主要車間為：空壓機和氣化爐，鉆探車間有必要的鉆探設(shè)備；而安裝車間主要為地表管道服務(wù)。主要投資分配見表1（1980年價格，參圖3所示）表1 主要投資分配順序號名稱價值千盧布%1廠房31062建筑物718.4143氣化爐（煤）57.314傳送設(shè)備371.575地表管線614.3126動力機械1807工作機械868168注用房輸送管路2335.4449其它機械3.5010器材1.7011測量儀表18.6012工具0.30合計5317100圖3 主要投資分配圖從圖中可以看出，主要投資用于輸送設(shè)施（44%），這是由于10個鍋爐用戶的管道比較分散所造成。氣化站

12、的設(shè)計能力為5億m3/年，成本為1.8盧布/1000m3（12.6盧布/噸煤）；1955年投入生產(chǎn)，1959年產(chǎn)量為2億4.56億m3/年，它要比“基西列夫斯克伯洛柯比夫斯克”區(qū)以下簡稱“基伯”區(qū)，礦井的生產(chǎn)能力小很多倍。由于缺乏大的用戶，還受季節(jié)的影響，冬天每天生產(chǎn)90萬至200萬m3氣體；而夏天30萬m340萬m3。至1967年氣體產(chǎn)量逐步增加至1億至4.48億m3，而且部分氣體沒被利用和放空。由于產(chǎn)量的增加，氣體成本逐漸下降，至1966年降至最低為1.98盧布/1000m3或14盧布噸煤。此外，氣化站生產(chǎn)接近設(shè)計能力（4.48億m3/年）。表2是“基伯”地區(qū)幾個礦井生產(chǎn)能力和1977年采

13、煤成本（按78.1.1統(tǒng)計）；圖4為企業(yè)生產(chǎn)能力有關(guān)的噸成本變化圖。表2 “普洛哥比煤”礦務(wù)局豎井與露天開采的經(jīng)濟指標名稱豎井露天礦伐汝雪太平契爾卡索夫索塔哈克西列夫12#捷爾金克西列夫伐汝雪75年元月元日生產(chǎn)能力千噸標準煤1011.3942.9157.7828.81571.81001.51279.0976.21349.3771.0開采1噸煤至用戶成本噸標準煤，盧布13.7314.2828.9912.5412.1213.114.6811.8213.2111.078年元月元日生產(chǎn)能力千噸標準煤815761552.1842.210101347.513601706789.4開采1噸煤至用戶成本噸標準

14、煤，盧布17.1618.9615.1412.5513.9515.7610.559.0411.19圖4 按交通綜合研究所的資料，對于“基伯”地區(qū)10公里的運輸費用為1.46/0.891=1.64盧布/噸標準煤，0.891為實際燃料成本轉(zhuǎn)為標準成本的系數(shù)。按研究所資料，把煤送到用戶（含倉庫保管、裝卸、粉碎等），對于電站為1盧布/噸煤或1.12盧布/噸標準煤。因此，煤的開采成本，若換算成標準煤，則增加至2.76盧布/噸標準煤。假如為了比較取一個平均水平，對于“基伯”地區(qū)N312礦井，其生產(chǎn)能力為101萬噸標準煤，從表2可知，其煤的成本為13.9盧布/噸煤標準煤；當時礦井的生產(chǎn)能力為“南阿賓斯克”站的

15、15倍。1949年，該站的生產(chǎn)能力已達到4.48億m3和6萬噸標準煤，氣化站所生產(chǎn)的氣體成本為1.98盧布/1000m3或14盧布/噸標準煤，沒有超過當?shù)孛旱拈_采成本。應(yīng)該指出的是，上述對比不是完全在等同條件下進行的，因為礦井生產(chǎn)為了改善自己的經(jīng)濟指標，是采用了最新科技成本；而南阿賓斯克站是一個工業(yè)試驗性質(zhì)的地下氣化站，其生產(chǎn)能力不是按經(jīng)濟標準的，而是從研究煤的地下氣化過程考慮的。因此不能完全反映煤層地下氣化工藝的經(jīng)濟可行性。南阿賓斯克站從1955年至1995年四十年的工作可劃分如下幾個階段：第一階段，19551967年，發(fā)展生產(chǎn)至開始穩(wěn)定生產(chǎn)，出氣量0.208至4.48億m3，達到了設(shè)計能力

16、和所設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟指標；證明了所采用的技術(shù)決策正確。第二階段，19671977年，氣化了最有利的儲量，產(chǎn)量從2.57億至4.59億m3。掌握了陡傾斜煤層的氣化技術(shù)，暴露了不是全年都有大的用戶（還產(chǎn)生了管道由于冷凝物而堵塞），還由于1962年政府停止了對地下氣化技術(shù)研究和試驗工作的投資，氣化站開始在較嚴重的經(jīng)濟條件下工作。主要生產(chǎn)金屬構(gòu)件。第三階段，19771987年，主要氣化較薄的煤層產(chǎn)量降低；氣化站由1983年氣體工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)歸為原蘇聯(lián)煤炭工業(yè)部領(lǐng)導(dǎo)，氣化站還進行了污水去酚的建筑工程和新鉆探設(shè)備的試驗工作。最后結(jié)束階段，19871994年，氣化300m水平線下的煤層（上邊地層已被開采和充填）

17、，當氣化下部地層時導(dǎo)致巖石和水下落至底部氣化爐而停止生產(chǎn)，這不是氣化工藝沒有過關(guān)，而是陡傾斜礦層的開采方法沒有選對。分析所進行的工作表明：1. 氣化站經(jīng)過10年工作達到了設(shè)計產(chǎn)量5億m3/年；而且氣體成本與一般地下開采法相當（在同一煤礦）。2. 所取得的不太高的技術(shù)經(jīng)濟指標不能看作為對地下氣化技術(shù)的評價，因為工業(yè)試驗只是想檢查地下氣化技術(shù)的可行性。此外，該站處于基西列夫地區(qū)，那里廉價能源很多（露天開采，西伯利亞河流系的水力能源，天然氣豐富等），影響了對地下氣化站的投資。2.2 “安格林”站地下氣化站的生產(chǎn)經(jīng)驗和主要技術(shù)經(jīng)濟指標的分析建于塔什干地區(qū)安格林褐煤的地下氣化站，1961年投產(chǎn)，年設(shè)計產(chǎn)

18、量為23億m3用戶為位于離站4.6公里處的水力發(fā)電站，所氣化的煤層厚為320m，埋深120250，煤含水量和滲透性極低，圍巖為高嶺石化砂巖和粉砂巖，煤層上部主要含水層離煤層有一層厚為60100m的隔水層，氣化時沒發(fā)生降水現(xiàn)象。被氣化的煤的特性見表3。表3 煤的特性煤技術(shù)成分，%煤可燃性，%燃燒熱值水蒸氣Wp灰分Ar揮發(fā)成分VrCrHrOrNrSr凈煤質(zhì)量QpHMJ/kg3512.233.074793.54.516.60.81.615.081982年元旦時氣化站只有0.18億噸煤，其中將近0.12億噸煤可以氣化。在地表相隔1520m鉆有鉆孔，鉆孔內(nèi)有套管，套管外用水泥加固；有時在煤層中鉆傾斜水平

19、孔，其巖石部分需加固。煤層中的貫通采用3060大氣壓。進氣采用26大氣壓的低中壓。其它主要技術(shù)經(jīng)濟指標列于表4。表4 安格林站的主要指標指 標生產(chǎn)年份19621965196819711974197719801986生產(chǎn)氣量 百萬m348914101005.6798396.8396.3299.4273.1折合標準煤 千噸55.516011085.057.641.029.127.9氣體熱值 大卡/m3（低值）MJ/M37943.37963.337683.27433.17283.097263.046802.84850被氣化煤量 千噸182527369283183140101.780.1每公斤煤出氣量

20、 m32.62.682.732.822.982.832.962.96理論漏氣量 %15.115.716.521.013.114.67.87.6氣化效率系數(shù) %59.260.157.858.561.058.556.7單位耗電量KW/1000m31158794.5101101.5122.7143.3氣體成本盧布/噸標準煤33.616.018.422.128.837.844.5氣體成本盧布/1000m33.811.823.12.353.033.784.32*氣體平均折合成本22.78盧布/噸標準煤。1000m3成本結(jié)構(gòu)分析見表5，圖5。表5 1981年地下氣化成本（盧布/1000m3）指 標%1鉆探

21、工作0.9220.12動力消耗1.55343工人工資0.0514設(shè)備維護0.327.15車間消耗1.2928.36氣體運輸0.327.17氣體直接成本4.4597.68管理成本0.112.49合計：氣體4.5610010其它生產(chǎn)消耗11總成本4.56圖5 建地下氣化站和豎井的人員投入數(shù)（N）與基建投資（K）的比較1 新德來列夫；2 西涅尼柯夫；3；波克達諾夫No-1；4 波克達諾夫 No-2；5 米列洛夫No-1；6米列洛夫No-2；7 列查恩；8 哈巴洛夫；9 南阿賓斯克No-1；10 基西列夫No-2；11 普洛哥比No-3。從上圖可看出，氣體成主要消耗在動力（34%）、鉆探（20.15%

22、）和車間（28.3%）。1981年銷售價格為：1.45盧布/1000m3，1981年動力消耗占34%，主要用于送氣，送氣占用的電能為67%，送氣單位電能消耗為94KW/1000m3。氣化生產(chǎn)所占用的勞動力數(shù)見表6。表6 生產(chǎn)氣體占用人數(shù)名稱19801981送氣車間3242鉆探車間4436清理2422試驗工作1111合計111107氣體勞動生產(chǎn)率1000m3/每人26542754噸標準煤/每人262285盧布/每人產(chǎn)值34773785從1980年開始氣化站正常工作，每年生產(chǎn)46億m3氣體。企業(yè)經(jīng)常遇到經(jīng)濟上的困難和物資供應(yīng)少缺。1994年氣體成本（折合成煤）為2.12萬盧布/噸（至用戶）而在附近

23、9#煤礦為4.5萬盧布/噸（原址）。目前氣化站正組織組織磚、瓦及其它建材的生產(chǎn)氣體于焙燒。安格林水力發(fā)電站于1989、1990年進行過經(jīng)濟核算，見圖6。用氣量為5.5億和7億m3（氣體熱值為3.2MJ/m3），計算一個鍋爐Tn-230-2，進行比較的是利用安格林和卡恩斯柯阿季金煤和地下氣化的氣，那么1989年相應(yīng)煤的成本為9.71和12.34盧布/噸，而氣體折合成煤為5.80盧布/噸；而至90年，則為17.94和29.65盧布/噸與16.56盧布/噸。圖6 安格林水力發(fā)電站采用地下氣化的氣體經(jīng)濟效益分析圖（消耗量為550和700百萬m3/年，熱值為3.2MJ/m3）就兩年采用地下氣化的氣獲得2.291百萬盧布的經(jīng)濟效益。還需指出：烏茲別克坦具有豐富的天然氣，這阻礙了向安格林站的投資及正常維修。在此情況下，安格林煤層氣化成本還低于正在豎井開采的2倍，大致等于露天開采的成本。假如考慮鐵路運輸費用的上漲，那么地下氣化可大大降低運輸費用和準備費用。2.3 幾