煤炭地下氣化技術(shù)概況論文

1、煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展概況xxx(xxx)摘 要： 本文介紹了煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，UCG）的原理，對國內(nèi)外煤炭地下氣化的發(fā)展方向，包括UCGIGCC、UCGCCS、UCGHUG和UCGACF等技術(shù)進行詳細地闡述，通過對煤炭地下氣化工藝的描述，指出了煤炭地下氣化的影響因素和煤炭地下氣化的特點，認為發(fā)展煤炭地下氣化是我國解決當(dāng)前能源安全和環(huán)境污染的有效途徑。關(guān)鍵詞：煤炭地下氣化；發(fā)展趨勢；影響因素及特點Underground Coal Gasification Technology Development Overviewxxx(xxx)Abst

2、ract： In this work, the principle of the Underground Coal Gasification is introduced.And the current developments of UCG both in china and abroad,which includes UCGIGCC、UCGCCS、UCGHUG and UCGACF,are detailed described.By describing the underground coal gasification process,the influence facters of UC

3、G and UCG characteristics are pointed out.Most importantly,developing the technology of UCG is an effective approach to solve the problems of energy security and environment pollution.Key words：Underground Coal Gasification；current developments；facters and characteristics由于發(fā)展中國家經(jīng)濟發(fā)展對能源需求增長很快，以及油、氣后備

4、資源不足引起油、氣價格劇烈上升，在其它再生能源等足以替代之前，石油價格很難降下來。在20世紀(jì)，西方國家開展“煤炭地下氣化”（Underground Coal Gasification，UCG）工業(yè)試驗研究，該過程大體上隨油價高低而幾起幾落，一直沒有停止。從21世紀(jì)開始，許多國家認識論到，發(fā)展UCG是大勢所趨，一些國家（如美國、澳大利亞、英國、加拿大、南非、印度等）的UCG工作進展快速，UCG的氣可用于發(fā)電、制氫、清潔燃料、化工原料等，有的已開始商業(yè)化生產(chǎn)。近幾年煤炭地下氣化（UCG）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)以下趨勢：（1）煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）；（2）煤炭地下氣化與

5、碳俘獲、利用、儲存產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-CCS）；（3）煤炭地下氣化與制氫產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-HGC）；（4）煤炭地下氣化與燃料電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-ACF）。這是一個把化石燃料的煤轉(zhuǎn)化成相當(dāng)清潔的燃料的重要階段。1氣化原理煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification ，UC G）集建井、采煤、氣化三大工藝為一體，拋棄了龐大笨重的采煤設(shè)備和地面氣化設(shè)備，實現(xiàn)了井下無人、無設(shè)備生產(chǎn)煤氣，變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤，是多學(xué)科開發(fā)清潔能源和化工原料氣的高新技術(shù)。煤炭地下氣化就是向地下煤層中通入氣化劑，使煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃氣體，然后

6、將產(chǎn)品煤氣導(dǎo)出地面再加以利用的一種能源采集方式。建設(shè)時在工作面掘進出通道，與地面的鉆孔相通，作為進氣孔或出氣孔。井下工作面密封點火后，通過有效控制風(fēng)量等技術(shù)措施，在出氣孔就會獲得地下煤氣，經(jīng)過噴淋洗滌、捕滴、捕焦、脫硫等系列工藝進行凈化處理后，通過管道、儲氣柜送入用戶。煤炭地下氣化系統(tǒng)主要有五部分組成：地下氣化爐：由氣流通道、氣化通道、鉆孔三部分組成；測控系統(tǒng)：包括對地下氣化爐、地面設(shè)備狀態(tài)(溫度、壓力、流量、組份)的自動監(jiān)測和自動控制；凈化系統(tǒng)：包括洗滌塔、捕滴、捕焦、脫硫設(shè)備；儲運系統(tǒng)：包括儲氣柜和煤氣加壓機及輸配管道等；氣化劑制取系統(tǒng)：包括鼓風(fēng)機、富氧裝置和蒸汽鍋爐等設(shè)備。氣化過程主要是

7、在地下氣化爐的氣化通道內(nèi)實現(xiàn)的，可燃氣體的產(chǎn)生，在氣化通道中經(jīng)過三個反應(yīng)區(qū)域，既氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)，（如圖1所示）主要發(fā)生如下反應(yīng)：在氧化區(qū)，空氣中的氧與煤層中的碳發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化碳和二氧化碳，并產(chǎn)生大量的熱使煤層熾熱并蓄熱；在還原區(qū)，二氧化碳和水蒸汽與熾熱的煤層相遇，在高溫下二氧化碳還原為一氧化碳，水蒸汽分解為氫氣和氧氣，氧氣與碳生成一氧化碳，氫氣與碳或一氧化碳、二氧化碳生成甲烷。在干餾干燥區(qū)，在高溫?zé)嶙饔孟聼o氧的氣流混雜著析出的煤中的揮發(fā)物，形成焦?fàn)t煤氣。12國內(nèi)外發(fā)展概述2.1煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）煤炭地下氣化生產(chǎn)的氣（有“空氣煤氣”

8、、“水煤氣”、“合成氣”等，本文以下簡稱為“煤氣”）應(yīng)用于整體煤氣化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電2（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），是合理使用地下氣化熱能的有效途徑，是碳減排的重要方法。在俄羅斯、烏茲別克早已生產(chǎn)2 9304 187 kJ/m3的低熱值煤氣用來燒鍋爐或發(fā)電，長達50多年。烏茲別克安格連礦每年氣化35萬噸煤3，供發(fā)電之用。在美國波德河盆地已有用UCG-IGCC發(fā)電運行多年。南非Majuba煤礦2007年5月31日 建立第一個使用UCG煤氣的電站，運轉(zhuǎn)第一年已生產(chǎn)13億立方煤氣。在中國目前已建成UCG與發(fā)電站的連接的有華亭、新汶等

9、礦，電站規(guī)模較小與效率尚待UGC- IGCC方向努力。2.2煤炭地下氣化與碳俘獲、利用、儲存結(jié)合（UCG-CCS）據(jù)估計，一個200Mw的UCG-IGCC電站年產(chǎn)CO2大約為1Mt4。通過對CO2的分離可以使CO2得到利用和儲存。例如，CO2可用以增高采油的回收率（美國波德河盆地5），余下可就地封存。CO2可提高煤層氣的回采率（英國福思灣6），也可封存于地下深處海相地層或相鄰的煤層中（增強煤層的甲烷的產(chǎn)量，同時得以儲存7）。有文獻提到，在UCG的注入井中注入鈣，可使CO2成凝膠狀保存。圖1 UCG與常規(guī)電廠發(fā)電的CO2排放量的比較（引自Green，2008）2.3煤炭地下氣化為開辟二次能源廉價

10、氫能源提供實際可能（UCG-HGC）世界各國開始重視UCG制氫的意義，成為一個重要的方向。“歐洲氫地下氣化（Hydrogen Underground Gasification Europe）”項目從2007年9月開始，歷時3年，經(jīng)費350萬歐元，在波蘭南部Mikow 的Barbara礦，用UCG提取氫，在2010年4月已用于燃料電池發(fā)電8。國內(nèi)“長通道、大斷面、兩階段”煤地下氣化工藝是中國礦業(yè)大學(xué)余力教授等所創(chuàng)建的，UCG的煤氣中的氫含量可高達60-70%，與國外UCG的煤氣中的氫含量（7.6-31.2%，平均為17.%）相比，具有明顯的優(yōu)越性9。2.4煤炭地下氣化與AFC產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-

11、AFC）通過UCG使氫富集，然后用氫作燃料電池（Alkali Fuel Cells，AFC）的氫源。這樣一個UCG-AFC產(chǎn)業(yè)結(jié)合的過程是當(dāng)今能源發(fā)展的一個新方向。煤在地下被氣化可生成易燃的富氫的煤氣，在地面經(jīng)多種凈化過程后，可由壓縮搖動吸附（Pressure swing absorption）方法提取，使煤氣分成兩部分：一部分是壓縮氫、另一部分是純CO2。氫氣可供給能源燃料電池（Energy fuel cells）發(fā)電，其副產(chǎn)品是水，CO2被俘獲后可儲存。英國桑頓新能源公司和Waste2tricity公司宣布成立合資公司，從事由UCG 得到的氫氣，通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電的商業(yè)應(yīng)用。這樣一個煤電

12、清潔模式比常規(guī)煤電站的要優(yōu)越。在澳大利亞，燃料電池生產(chǎn)商AFC能源公司2009年與Linc能源公司、B9煤炭有限公司簽訂了一個協(xié)議，開展AFC用于Linc能源公司的UCG項目，計劃AFC公司的燃料電池能于 2010年在Linc能源公司Chinxhilla的UCG 廠運作，如果可行，將安裝較大的5萬瓦的設(shè)備。 3氣化工藝3.1煤層滲透氣化煤層滲透氣化是把煤層的一個氣化區(qū)當(dāng)作具有孔隙和裂隙的天然煤層，并且還考慮到，隨著煤層的加熱，煤層的節(jié)理性增加。用這種方法氣化時，必須點燃煤層，還需由鼓風(fēng)鉆孔向煤層鼓風(fēng)，此時被鼓入的風(fēng)，即沿煤層的天然孔隙和裂隙向排氣孔滲透。由于向點燃的煤層內(nèi)供風(fēng)的結(jié)果，在煤層中即

13、可形成氣化帶燃燒工作面。同時隨著煤層氣化的進行，氣化帶逐漸發(fā)展成氣化空間。但是，利用此種氣化方法，沿煤層的孔隙和裂隙通過所需的空氣量時，具有較大的阻力，因此要求高壓鼓風(fēng)，而高壓鼓風(fēng)運行費用則較昂貴。3.2通道氣化首先需要在煤層內(nèi)開鑿一適當(dāng)斷面的通道，其通道的阻力應(yīng)能滿足經(jīng)濟風(fēng)壓下所能通過的風(fēng)量。通道氣化法又稱連續(xù)氣化法。所開通道應(yīng)能保證由一端進風(fēng)，另一端排出煤氣。4地下氣化分類按開拓方式可分為有井式、無井式、混合式，西方國家多鐘情于無井式，我國則注重于有井式或混合式。按氣化劑可分為富氧（純氧）水蒸汽、空氣水蒸汽，前者產(chǎn)合成氣，后者只產(chǎn)燃料氣。按氣化區(qū)的形狀可分為“I”形和“U”形兩大類?！癐”

14、形又分為通過式和盲頭式，形式簡單，產(chǎn)量小，較適宜于無井方式；“U”形覆蓋面積大，可做多種組合變化，最適宜于有井式大規(guī)模生產(chǎn)。在我國目前較有前途的“長通道大斷面氣化方式”和“管式注氣點周期后退氣化方式”都屬于“U”形有井式，此前所用氣化劑均為空氣水蒸汽，只能做燃料氣。5影響氣化的因素5.1煤炭性質(zhì)煤的性質(zhì)包括煤的滲透性，受熱膨脹性及傳熱和傳質(zhì)性質(zhì)。煤的滲透性隨煤的品位而變，褐煤的滲透率是煙煤的1000倍，次煙煤的滲透率比煙煤高一個數(shù)量級，無煙煤的滲透性最差。煤的膨脹性足夠大，在氣化時將會堵塞煤床中的氣流通道，因此強粘結(jié)性的煙煤是難以進行地下氣化的。無煙煤透氣性最差，活性低，難以進行地下氣化，而褐

15、煤最適宜進行地下氣化。5.2氣化爐溫度和鼓風(fēng)速度目前常用的氣化劑是空氣和水蒸氣。氣化過程的穩(wěn)定主要決定于單位時間內(nèi)起反應(yīng)的碳量，而參與反應(yīng)的炭量，又決定于固體碳和二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)速度，決定于與二氧化碳分子向固體碳表面的擴散速度，前者與氣化帶的溫度有關(guān)，后者則與鼓風(fēng)量有關(guān)。鼓風(fēng)量越大，擴散速度也越大，煤的氣化強度增加，初級產(chǎn)物CO的燃燒可以部分避免，而從氧化區(qū)帶出。因此，提高鼓風(fēng)速度可以相應(yīng)的提高煤氣熱值。但是，還原區(qū)的氣流速度，決定了CO2與焦炭接觸的時間，接觸時間的長短，可以影響形成可燃氣體的最后組成成分。因此，必須在具有一定溫度場的條件下提高氣流速度，才有利于高熱值煤氣的產(chǎn)生，否則將會導(dǎo)

16、致更壞的結(jié)果。例如，在燃燒工作面不夠高時，化學(xué)反應(yīng)速度低，增加氣流速度，使氣流與碳表面接觸的時間縮短，CO2及水蒸氣得不到充分還原與分解，這就降低了CO與H2的含量。同時也增加了煤層的阻力，擾亂了氣流的流動。與此相反，在足夠高的溫度條件下，由于CO2趨于向碳的表面反應(yīng)有所改善，加速了化學(xué)反應(yīng)的速度，CO2的還原也就進行的更劇烈，煤氣熱值越高。無論什么條件下，鼓風(fēng)速度的增加都是有限度的，超過某一極限值以后，部分空氣將不經(jīng)過氧化區(qū)，而從煤層裂隙到達還原區(qū)，使部分氣化產(chǎn)物被燒掉CO2含量增加，煤氣熱值降低。綜上所訴，對每個氣化系統(tǒng)，甚至在每個時刻都有一個適宜的氣化溫度場和鼓風(fēng)速度，一旦偏離這個條件，

17、氣化將失去穩(wěn)定。5.3氣化通道長度可燃氣體的產(chǎn)生在氣化通道中經(jīng)過了三個不同的反應(yīng)區(qū)，當(dāng)氣化通道較長時，氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾區(qū)均能得到充分的發(fā)育，有利于一些可燃氣體生成反應(yīng)的進行，使煤氣中H2、CO、CH4等成分增加，煤氣熱值提高。若氣化通道過短，只有氧化區(qū)和還原區(qū)的到發(fā)育，干餾區(qū)很短或消失，這樣煤熱解反應(yīng)減弱，煤氣中CH4含量降低，煤氣熱值降低。因此，建立足夠長的氣化通道是提高煤氣質(zhì)量必不可少的措施之一。從理論上講，氣化通道越長，煤氣中CH4含量越高。但前蘇聯(lián)的現(xiàn)場實驗操作表明，過長的氣化通道則因煤氣被冷卻，水煤氣反應(yīng)加劇，CO/CO2比率下降，而CH4在過低的溫度下生成速率很小。所以，對某一

18、特定的煤層來說，氣化長度應(yīng)滿足各反應(yīng)區(qū)長度要求。5.4水進入速率適當(dāng)?shù)牡叵滤梢源龠M氣化過程，提高煤氣的熱值，但是過多的地下水涌入氣化區(qū)又將使氣化熱量散失，使煤氣熱值降低，當(dāng)煤層厚度小于2m時，水涌入和圍巖的冷卻作用大，對煤氣熱值的影響較大。薄煤層可以用增加鼓風(fēng)速率或富氧鼓風(fēng)來提高煤氣的熱值。厚煤層有利于提高煤氣熱值和生產(chǎn)能力，但厚煤層又適宜于機械化開采，地下氣化一般以1.3-3.5m為最經(jīng)濟合理。5.5空氣動力學(xué)條件和氣化爐結(jié)構(gòu)現(xiàn)行的地下煤氣發(fā)生爐的運轉(zhuǎn)經(jīng)驗表明：在地下氣化爐的不同工作階段，均勻的向煤層反應(yīng)表面鼓風(fēng)，是氣化爐內(nèi)穩(wěn)定析氣的主要條件。氣化過程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨著煤

19、層和頂板的冒落而不斷改變。因此，氣化工作面的大小、形狀、位置和空氣動力學(xué)條件也在不斷的發(fā)生變化，從而影響氣化過程的穩(wěn)定。順利地送風(fēng)于反應(yīng)的煤表面，從而保證一定的空氣動力學(xué)條件是氣化過程的穩(wěn)定基礎(chǔ)，因此必須設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的氣化爐，以實現(xiàn)這一目的。6煤炭地下氣化的特點煤炭地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術(shù)，大大減少了地表下沉，無固體物質(zhì)排放，因此煤炭地下氣化減少了廢物和粉煤灰堆放面積及對地面環(huán)境的破壞。地下氣化煤氣可以集中凈化，脫除焦油、硫和粉塵等其他有害物質(zhì)，可以消除SOx和NOx污染，汞、顆粒物和含硫物質(zhì)等其他污染物也大大減少。煤炭地下氣化技術(shù)可大大提高資源回收率。在抽采煤層氣之前進行地

20、下煤氣化可回收煤炭熱值75%以上，在抽采煤層氣之后進行地下煤氣化也可回收煤炭熱值的70%。此外，還使傳統(tǒng)工藝難以開采埋藏太深的煤、邊角煤、“三下”（河下、橋下、建筑物下）壓煤、己經(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(zhǔn)開采的高硫高灰劣質(zhì)煤得到開采。但是，煤炭地下氣化反應(yīng)，受到地質(zhì)復(fù)雜多變的條件限制，氣化工作面反應(yīng)狀態(tài)不明，安全情況不清等的制約。同時煤炭地下氣化達不到地面氣化的商業(yè)化程度，主要表現(xiàn)在氣化效率、可燃成分、熱值及產(chǎn)量等方面不夠穩(wěn)定。在理想條件下燃燒區(qū)也逐漸向前移動，還原區(qū)、干餾區(qū)也隨之向風(fēng)流前進方向移動。當(dāng)燃燒區(qū)行至出氣巷時，為保護出氣巷和三個反應(yīng)帶，就要反風(fēng)。此時，煤氣中的可燃成分、熱值要降低，并使煤氣生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性也要降低。7結(jié)語本文介紹了煤炭地下氣化的原理，并詳細總結(jié)了煤清潔利用的四個發(fā)展方向：煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）；煤炭地下氣化與碳俘獲、利用、儲存產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-CCS）；煤炭地下氣化與制氫產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-HGC）；煤炭地下氣化與燃料電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合