地下煤氣化簡介

1、2016主講人：張婷地下煤氣化技術地下煤氣化技術專題十九專題十九AbstractTo push the underground coal gasification (UCG) technology toward commercialization, its competiveness and cost components still need to be investigated. This paper compares the power generation cost of underground coal gasification combined cycle (UCGCC) with

2、 pulverized coal (PC) plants, integrated gasification combined cycle (IGCC), and natural gas combined cycle (NGCC). Cost sensitivity of the UCGCC as a function of coal seam depth and thickness was also examined. The results indicate that UCGCC is very competitive compared to PC and IGCC. Within the

3、same assumed fuel price range, the power generation cost for UCGCC was $4548/MWh, whereas it was $4560/MWh for PC and over $100/MWh for IGCC.The generation cost of UCGCC was as low as NGCC at low natural gas prices, but UCGCC was able to provide a lower CO2 capture cost. Dependent upon the assumed f

4、uel prices, the capture cost for the UCGCC was $2728/tonne of CO2, whereas it was $4758/tonne of CO2 for NGCC. It is also found that the cost of UCGCC decreased with the increase in coal seam thickness and increased with coal seam depth, but the effect of depth was not as pronounced as that of the s

5、eam thickness.An effective way to enhance the competitiveness of UCGCC is to use thicker coal seams.翻譯為推動地下煤氣化（UCG）技術的商業(yè)化，我們?nèi)孕鑼λ母偁幜统杀緲?gòu)成進行調(diào)查。這篇文章對地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）和煤粉廠（PC），整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）和天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）的發(fā)電成本進行了比較。也考察了影響地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）成本敏感性的煤層深度和煤層厚度。結(jié)果顯示與煤粉廠（PC）和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）相比，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）具有更

6、大的競爭力。假定同樣的煤價范圍，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的發(fā)電成本是45-48美元/Mwh。當天然氣價格低的時候，天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）和地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的發(fā)電成本一樣，但是地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）技術能提供更低的CO2 捕捉成本?；诩俣ǖ拿簝r，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）技術的CO2 捕捉成本為27-28美元/噸，而天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）發(fā)電的CO2 捕捉成本則為47-58美元/噸。研究還發(fā)現(xiàn)地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的成本隨著煤層深度的增加和煤層厚度的增加而降低。但是煤層厚度對成本的影響更加顯著。提高地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）競爭力

7、的一個有效辦法就是用較厚的煤層。目錄CONTENTS地下煤氣化(UCG)介紹1地下煤氣化發(fā)展歷程2地下煤氣化技術的現(xiàn)狀3關于地下煤氣化技術的討論41. 地下煤氣化地下煤氣化(UCG)介紹介紹地下煤氣化技術的原理1.1地下煤氣化技術的分類1.21.1 地下煤氣化的原理地下煤氣化的原理 地下煤氣化(Underground Coal Gasification，UCG)就是將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒,通過對煤的熱作用及化學作用而產(chǎn)生可燃氣體的過程。該過程集建井、采煤、地面氣化三大工藝于一體,變傳統(tǒng)的物理采煤為化學采煤,化采煤為采氣，被譽為第二代采煤方法 。從地表沿煤層開掘兩個鉆孔1和2，兩孔底部

8、與一水平通道3相連，圖中1、2、3所包圍的整體煤堆為氣化盤區(qū)4氣化時，在鉆孔1處點火并鼓入空氣燃燒。此時，在氣化通道的一段形成燃燒區(qū)，其燃燒面成為火焰工作面。生成的高溫氣體沿水平通道3向前，同時把熱量傳給周圍的煤層，隨著煤的燃燒，氣化區(qū)逐漸擴及整個氣化盤區(qū)，高溫氣體流向鉆孔2，由鉆孔2得到焦油和煤氣。由于煤層是傾斜的，煤層上方有頂板。當由一個鉆孔通入空氣，生成煤氣則從另一個鉆孔逸出。右圖所示進空氣的鉆孔底部燃燒較為激烈，時間一久使煤層嚴重變形。為了避免這種情況，可交替得向一個鉆孔供給氣化劑，與此相應，生成煤氣可以交替從另一鉆孔排出。1.2 地下煤氣化的分類地下煤氣化的分類 煤炭地下氣化根據(jù)井下

9、主體氣化爐的構(gòu)筑方式可分為兩類生產(chǎn)方式：有井式和無井式。 有井式氣化就是在井下建立豎井、平巷工程、注排氣通道等地下氣化爐生產(chǎn)系統(tǒng)。其特點是在井下操作加工煤層，并可控制注氣點及氣流流動方向。煤層氣化工藝包括爆破松動煤層氣化工藝（圖a）、“長通道、大斷面、兩階段長通道、大斷面、兩階段”地下氣化工地下氣化工藝藝（圖b）和換管注氣點后退式氣化工藝。 圖a 圖b 無井式氣化一般通過定向鉆孔或者滲透的方式完成氣化爐的建設，且氣化爐的建設都在地面完成。根據(jù)氣化通道的注氣方式，無井式地下氣化技術可分為2 類: 滲透式氣化和定向孔氣化。滲透式是從地面上向被氣化的地下煤層鉆有相當數(shù)量的孔，并使孔之間能相互滲透。它

10、的特點是先點燃煤層，通過鉆孔向煤層鼓風，鼓入的空氣沿煤層的天然裂縫滲透，即可在煤層中形成氣化帶工作面。定向孔氣化是采用定向鉆進技術施工氣化通道，直接連通進/排氣孔。隨著定向鉆進技術的發(fā)展，定向孔長度可達到150 m 以上，因此可形成長壁式氣化。為克服長壁式氣化通道易堵，溫度不集中的缺點，在長壁式氣化基礎上，發(fā)展成為長壁式控制后退注氣點氣化工藝。2 地下煤氣化地下煤氣化(UCG)發(fā)展歷程發(fā)展歷程BCDEFA18681888年1910年年1912年20 世紀30 年代20 世紀60 年代威廉西門子（William Siemens）首先提出煤炭地下氣化的概念前蘇聯(lián)化學家門捷列夫提出了煤炭地下氣化技術

11、美國工程師發(fā)明了與現(xiàn)代地下煤氣化非常接近的技術，并獲得專利英國化學家威廉拉姆齊（William Ramsay）提議將地下煤氣化作為一種避免燃煤污染物排放的技術方案前蘇聯(lián)開始大量開展地下煤氣化實驗前蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了大型的天然氣與石油資源，地下煤氣化的實驗規(guī)模因而被大幅縮減3. 地下煤氣化技術的現(xiàn)狀地下煤氣化技術的現(xiàn)狀主要應用方面3.1國內(nèi)外主要UCG項目及公司3.23.1 地下煤氣化技術的應用地下煤氣化技術的應用合成氨合成氨是一項成熟的煤氣化及化工合成聯(lián)產(chǎn)項目。但傳統(tǒng)的煤氣化工藝普遍采用常壓固定床間歇氣化法。過去中國先后引進了魯奇爐Lurgi、德士古爐Texaco、U-gas爐, 這些氣化技術存在著投

12、資大、運行費用高等缺點, 導致合成氨及后續(xù)化工產(chǎn)品缺乏市場競爭力。若采用煤炭地下氣化提供的原料氣，則可使合成氨產(chǎn)品成本大幅度降低。合成二甲醚二甲醚(DEM) 作為21 世紀的世界清潔能源已引起人們的普遍關注。合成二甲醚要求煤氣中氫與一氧化碳的比例為1.15 12 1 ，每噸二甲醚的煤氣消耗定額為4500m/h。太原東山瘦煤地下氣化模型實驗表明, 采用純氧-水蒸氣地下氣化工藝, 調(diào)節(jié)氣化劑純氧及水蒸氣用量比例, 可以生產(chǎn)出廉價合格的二甲醚原料氣，為煤炭轉(zhuǎn)化及二甲醚合成開創(chuàng)新的途徑。制取純氫中國礦業(yè)大學余力教授等所創(chuàng)建的煤炭地下氣化新工藝“長通道、大斷面、兩階段”，就是將地面“兩階段”氣化原理移植

13、應用到地下氣化中。用這種工藝使煤地下氣化后的氫氣含量可高達60%70%。其它煤地下氣化H2 含量僅為7.6%31.2%。因此，煤地下氣化提供了非常廉價的氫氣能源。以氣體原料合成油技術(又稱煤的間接液化)煤的間接液化在許多國家已進行了工業(yè)化生產(chǎn)，合成工藝包括F-T直接合成及Mobil工藝通過甲醇間接合成。其中的地面煤氣化通常采用魯奇爐或溫克勒氣化法。若采用煤炭地下氣化工藝，只需將合成氣的供給由地面氣化改為地下氣化，而其他成熟技術都可以保持不變。地下氣化煤氣從組成上與魯奇爐加壓氣化法及其它先進氣化工藝所產(chǎn)煤氣有效成分相當，因而可以作為合成油原料氣應用于生產(chǎn)。煤地下氣化與燃氣蒸汽渦輪聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術

14、結(jié)合（UCG-IGCC）利用煤地下氣化產(chǎn)生的合成氣，與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電結(jié)合，是合理使用地下氣化煤氣的有效途徑。美國GasTech 公司（2008），在美國懷俄明州波德（powder）盆地煤地下氣化合成氣中，將燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（UCG-IGCC）的投資與地面氣化發(fā)電作了比較，優(yōu)勢十分明顯。煤地下氣化與碳俘獲、利用、封存結(jié)合（UCG-CCS）英國在2004 年10 月出版了在英國地下煤氣化可行性的評論報告（DTI/Pub URN 04/1643，DTI2004）中總結(jié)：UCG-CCS技術是碳減排的重要出路，UCG 與CO2 的俘獲連接起來，對減少CO2 的排放，具有極重大的潛在意義。英國的

15、未來能源白皮書中強調(diào)能源使用中，CO2 的低排放和零排放技術，唯一的方法是對CO2 進行提取、分離和封存，即UCG-CCS 技術。因此，這一技術被看作是發(fā)展可持續(xù)低碳潔凈能源的有效技術途徑。煤地下氣化與燃料電池發(fā)電結(jié)合（UCG-ACF）近年來，有人提出采用煤炭地下氣化生產(chǎn)富氫煤氣，然后用氫作燃料電池，這一煤炭地下氣化于燃料電池相結(jié)合的技術稱之為UCG-AFC 技術。UCG-AFC 技術是當今世界一個新的方向。UCG-ACF 技術可以大規(guī)模地生產(chǎn)富氫氣，同時，也可進行CO2 俘獲和地質(zhì)儲存。在這一過程中，CO2 和其他不可燃氣體從煤氣中分離出來，產(chǎn)生低碳氣和部分純氫或合成氣。3.2 國內(nèi)外主要國

16、內(nèi)外主要UCG項目及公司項目及公司 我國煤炭地下氣化試驗研究發(fā)展主要在20 世紀80 年代以后。目前也由實驗室試驗研究、現(xiàn)場試驗研究逐步轉(zhuǎn)向工業(yè)示范生產(chǎn)應用，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的煤炭地下氣化技術。目前工業(yè)示范情況比較好的是新礦集團(有井式技術) 和新奧集團(無井式技術)，它們都與中國礦業(yè)大學進行合作。1) 新礦集團“有井式”UCG 技術。新礦集團地下煤氣化1999 年開始試驗研究工作，2000 年3月點火成功，同年7 月正式向1 萬余戶居民供生活用燃氣。于20012002 年相繼建成了協(xié)莊氣化站、鄂莊氣化站( 一期) ，并一次點火成功。目前日產(chǎn)氣量達到10 萬m，煤氣熱值達到11. 26M

17、J /m。2002 年地下煤層氣化申報了國家“863”計劃“煤炭地下氣化穩(wěn)定控制技術的研究”課題，獲得科技部批準并被列入中國“863”計劃和試驗基地。2) 新奧集團“無井式”UCG 技術。2007 年1月，新奧集團投資2 億多元組建烏蘭察布新奧氣化采煤技術有限公司，與中國礦業(yè)大學和烏茲別克斯坦Angren 氣化站共同開展“無井式煤炭地下氣化試驗項目”研究。同年10 月，我國首套日產(chǎn)煤氣15 萬m/d 的無井式煤炭地下氣化試驗系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)一次點火成功。該試驗現(xiàn)場已具備供熱、發(fā)電、生產(chǎn)化工原料的能力，取得了一批創(chuàng)新性研究成果，申報了9 項專利。這項研究創(chuàng)新地構(gòu)建了“L 型后退面擴展”的全新結(jié)構(gòu)地

18、下氣化爐，創(chuàng)造性地開發(fā)了氣化通道貫通技術、氣化通道疏通技術和無井式氣化，造氣成本僅為地面氣化造氣的40%左右。截止到2011 年年底，新奧集團烏蘭察布氣化站已連續(xù)運行四年，第三個試驗爐穩(wěn)定運行900天，熱值和組分穩(wěn)定，發(fā)電機連續(xù)運行780 天，空氣連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量30 萬m /d，富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量15 萬m /d，達到了工業(yè)化生產(chǎn)要求。澳大利亞Chinchilla 項目 澳大利亞煤炭資源豐富，包括Linc 能源公司、Carbon Energy 有限公司在內(nèi)的多家企業(yè)在開發(fā)UCG 項目，其中Linc能源公司UCG 項目最為典型，其位于澳大利亞昆士蘭的Chinchilla 項目是迄今西方國家中

19、運行成功的最大試驗項目，技術采用加拿大的UCG 技術。安格連斯克(Angren) UCG 項目 該項目位于烏茲別克斯坦，于1961 年投產(chǎn)，至今一直在生產(chǎn)。氣化煤階為褐煤，煤層厚度4 24 m，煤灰分含量25% 28%，含水31% 35%，熱值3 650 kcal /kg，煤層傾角5 15，深110 250 m，井間距25 m。系統(tǒng)壓力156 kPa ( 平均)。設計規(guī)模14 億m/a，最大年產(chǎn)氣量達14. 1 億m(1965 年)。產(chǎn)品氣熱值為800 850 kcal /m。目前已被澳大利亞Linc 能源公司收購，日產(chǎn)合成氣100萬m。南非Majuba UCG 項目 該項目由EskomHol

20、dings 公司實施，采用ErgoExergy 公司的UCG技術。于2007 年1 月投產(chǎn)，初始3 000m /h，最終將提高到25 萬m /h。該項目為非洲大陸第 一個UCG 裝置，目的是增加煤資源，該項目煤炭資源的地質(zhì)復雜性、規(guī)模及開創(chuàng)性都超出預期的設想。所產(chǎn)高質(zhì)量合成其用于發(fā)電。4. 關于地下煤氣化技術的討論關于地下煤氣化技術的討論UCG的優(yōu)點與不足A前景與展望B優(yōu)點：1) 煤炭地下氣化技術具有較好的環(huán)境效益。煤地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術減少了地表下沉；無固體物質(zhì)排放，減少了廢物和粉煤灰堆放面積對地面環(huán)境的破壞，這是其他潔凈煤技術無法比擬的；與傳統(tǒng)采煤加地面燃燒相比，UC

21、G 可減少CO2排放，并有利于進行碳捕捉和儲存；CO 經(jīng)地面變換后，采用分離技術將CO2分離儲存或作其他用途，從而得到潔凈煤氣，因此，地下氣化技術有利于解決大氣污染問題。2) 煤炭地下氣化技術提高了煤炭資源的利用率。煤炭地下氣化技術可大大提高資源回收率，使傳統(tǒng)工藝難以開采埋藏太深的煤、邊角煤、“三下”壓煤、已經(jīng)或即將報廢礦井遺留的保護性煤柱和按國家環(huán)保規(guī)定不準開采的高硫高灰劣質(zhì)煤得到開采，大大提高了煤炭資源的利用率。3) 安全性好。煤炭地下氣化技術實現(xiàn)了井下無人、無設備生產(chǎn)煤氣，因此具有較好的安全性，可避免傳統(tǒng)采煤的煤礦塌陷、透水、瓦斯突出等事故。4) 投資少、經(jīng)濟效益好。與礦井和礦場建設相比，建設地下煤氣化站的投資低2. 5 倍，與地面氣化相比投資顯著降低。5) 勞動生產(chǎn)率高。生產(chǎn)管理操作簡單，用人少，效率高，成本低，利潤高，比井工開采可提高工效3 倍以上，節(jié)約成本一半多，而且生產(chǎn)安全性好。6) 省去了煤的運輸和裝卸。沒有運輸過程中的燃料損失和煤塵等污染物排放，減少了相應的費用。不足：1) 煤炭地下氣化過程的控制不能達到像地面煤氣化的程度，很多