煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析(2014-11-1109:29:45)煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展解析煤炭地下氣化（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＵＣＧ）是將地下賦存的煤在煤層內(nèi)燃燒、氣化成煤氣，輸送到地面，作為能源或化工原料，特別合用于老例方法不能采或開采不經(jīng)濟的煤層，以及煤礦的二次或多次復采，產(chǎn)品氣能夠經(jīng)過辦理經(jīng)過管道輸送，也能夠直接使用煤氣發(fā)電或化工合成。煤炭地下氣化（ＵＣＧ）是一門融多學科為一體的綜合性能源生產(chǎn)技術(shù)，波及到地質(zhì)學、水文學、鉆井技術(shù)、點火燃燒控制技術(shù)、產(chǎn)品氣加工利用技術(shù)、生態(tài)環(huán)境保護技術(shù)等一系列技術(shù)，其復雜程度遠超地面氣化，這也使其風險程度增加。目前，煤炭地下氣化（ＵＣＧ）技術(shù)在少量國家已經(jīng)實現(xiàn)了少量的商業(yè)化應用，俄、美、英、德國、澳大利亞、日本和中國等國家已不同程度地掌握了該領(lǐng)域的一些要點技術(shù)。１煤炭地下氣化（ＵＣＧ）基本源理及相關(guān)技術(shù).１基本源理煤炭地下氣化的過程主若是在地下氣化爐的氣化通道中實現(xiàn)的，整個氣化過程能夠分為氧化、還原、干餾干燥３個反應區(qū)（圖１）。從化學反應角度來講，３個地域沒有嚴格的界限，氧化區(qū)、還原區(qū)也有煤的熱解反應，３個地域的劃分可是說在氣化通道中氧化、還原、熱解反應的相對強弱程度。經(jīng)過這３個反應區(qū)今后，生成了含可燃組分主若是Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４的煤氣，氣化反應區(qū)逐漸向出氣口搬動，所以保持了氣化反應過程的不斷進行，氣化通道的煤壁（氣化工作面）不斷燃燒，向前推進，節(jié)余的灰分和殘渣遺留在采空區(qū)。.２要點技術(shù)種類１）有井式氣化技術(shù)。該法又稱巷道式地下氣化爐技術(shù)（圖２）。在開采或荒棄的煤礦井中建地下氣化爐，以人工掘進的方式在煤層中成立氣化巷道，并在進氣孔底部巷道筑一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），爾后即可將密閉墻前面的煤炭點燃氣化，從一個井筒鼓風，經(jīng)過平巷，由另一個井筒排出煤氣。此法只應用于關(guān)閉礦井中遺棄資源的回收，須進行井下施工，作業(yè)環(huán)境和安全性差，這對其應用帶來不利。除新奧企業(yè)內(nèi)蒙古地下氣化試驗外，我國已完成的ＵＣＧ項目以及正在進行先期工作的絕大部分ＵＣＧ項目都是有井式的。２）無井式氣化技術(shù)。該法采用老例的油氣鉆井技術(shù)鉆孔（圖３），很好地發(fā)揮了石油企業(yè)的鉆井技術(shù)優(yōu)勢，免去了巷道式建地下氣化爐的條件限制。對照于“有井式”氣化爐，“無井式”氣化建爐擁有工藝簡單、建設(shè)周期短的特點，合用于整裝煤田的大規(guī)模地下氣化，也可用于深部及水下煤層氣化。無井式煤炭地下氣化法從地面向煤層打直徑１５０～４００ｍｍ、間距１０～４０ｍ的一系列鉆孔，兩鉆孔之間貫串形成氣化通道，點火氣化。雙孔式氣化技術(shù)中兩孔間的貫串方法常用的有低壓火力浸透貫串法、高壓火力浸透貫串法、電力貫串法、水力壓裂貫串法以及定向鉆孔貫串法５種。.３產(chǎn)氣率及產(chǎn)品氣組成１）產(chǎn)氣率。產(chǎn)氣率與煤質(zhì)、賦存條件以及采用的氣化劑種類等相關(guān)（表１）。一般來說，氣化煙煤時，若是采用空氣作為氣化劑，煤氣熱值１２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３，產(chǎn)氣效率大體為３８３０Ｎｍ３／ｔ，若采用富氧水蒸氣作為氣化劑，煤氣熱值２２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３，產(chǎn)氣效率大體為２１００Ｎｍ３／ｔ。２）產(chǎn)品氣的組成。煤炭地下氣化產(chǎn)品氣的組分與煤階、氣化劑種類以及工程技術(shù)等因素相關(guān)，與地面煤炭氣化產(chǎn)品氣組成基本一致，不同樣煤階、氣化劑所對應的產(chǎn)品氣組分如表２所示。２國內(nèi)外煤炭地下氣化（ＵＣＧ）技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.１外國主要技術(shù)現(xiàn)狀１）前蘇聯(lián)ＵＣＧ技術(shù)。前蘇聯(lián)是世界進步行煤炭地下氣化試驗研究最早的國家，也是地下氣化工業(yè)應用最成功的國家之一，我國目前比較先進的煤炭地下氣化技術(shù)主若是在前蘇聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。前蘇聯(lián)最初試驗于１９３３年，到２０世紀６０年代初期，在莫斯科近郊、頓巴斯和庫茲巴斯已有５個商業(yè)規(guī)模的地下氣化試驗區(qū)，利用氣化技術(shù)已回收了約１５００萬ｔ煤，生產(chǎn)煤氣高出５００億ｍ３，所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電或工業(yè)燃料。１９４２年蘇聯(lián)在莫斯科近郊煤田又試驗成功無井式地下氣化爐，同時還發(fā)展了各種貫串技術(shù)，由過去的浸透技術(shù)轉(zhuǎn)向定向鉆孔貫串技術(shù)，以求得長距離貫串。在氣化技術(shù)上，他們對氣化劑進行了試驗，由過去的鼓入空氣獲取低熱值煤氣轉(zhuǎn)向鼓入氧氣獲取中熱值煤氣，大大提高了煤炭地下氣化技術(shù)的水平，從而在蘇聯(lián)和世界各國獲取推行。該地下氣化技術(shù)的優(yōu)點表此刻：ａ逆向火力燃燒＋定向鉆進，形成滲濾氣化通道；ｂ采用Ｕ型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)煤層預熱，減小熱損，提高氣化效率；ｃ實現(xiàn)多點搬動注氣、多孔牢固出氣，保證煤氣產(chǎn)量；ｄ實現(xiàn)中等規(guī)模生產(chǎn)。缺點表此刻：ａ氣化鉆孔比很多，氣化爐成本高；ｂ對地質(zhì)水文要求比較高；ｃ缺少富氧和純氧運轉(zhuǎn)經(jīng)驗。２）美國ＣＲＩＰ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ，受控注入點退后氣化）工藝。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室１９７６年開始研究地下煤氣化，在模擬研究和實驗室研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)出受控注入點退后氣化工藝（ＣＲＩＰ）。這種新工藝把定向鉆進和反向燃燒結(jié)合在一起，定向鉆孔先打垂直注入孔和產(chǎn)氣孔，到達煤層后，從注入孔沿煤層底板連續(xù)取水平孔，直到與產(chǎn)氣孔底部訂交，爾后在鉆孔中下套管。開始氣化時，用搬動點火器在湊近產(chǎn)氣孔的第一個注入點燒掉一段套管，并點燃煤體，燃燒空穴不斷擴展，素來燒到煤層頂板，待頂板開始塌落時，注入點退后相當于一個空穴寬度的距離，再用點火器燒掉一段套管，形成新的燃燒帶，這樣逐段向垂直注入孔推進。該地下氣化技術(shù)的優(yōu)點表此刻：ａ注氣點搬動實現(xiàn)氣化工作面控制；ｂ熱解帶減小，氣化效率提高，減少了通道擁堵及鉆孔擁堵；ｃ從事了富氧試驗。缺點表此刻：ａ點火操作比較復雜；ｂ氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)不合用于規(guī)模生產(chǎn)。３）加拿大εＵＣＧＴＭ技術(shù)。成立于１９９４年的加拿大ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ企業(yè)的地下煤氣化技術(shù)是目前最受關(guān)注的技術(shù)之一，近來幾年其專有的εＵＣＧＴＭ技術(shù)已被多個國家的多個企業(yè)采用來建設(shè)試驗裝臵（表３）。該方法基于前蘇聯(lián)地下煤氣化開采技術(shù)，利用煤層中已存在的天然通道并對其進行改進，成立連接注入井和生產(chǎn)井之間的通道來解決無法成立有效貫串通道問題。２.２國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀我國煤炭地下氣化試驗研究發(fā)展主要在２０世紀８０年代今后。目前也由實驗室試驗研究、現(xiàn)場試驗研究逐漸轉(zhuǎn)向工業(yè)示范生產(chǎn)應用，開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤炭地下氣化技術(shù)。目前工業(yè)示范情況比較好的是新礦企業(yè)（有井式技術(shù)）和新奧企業(yè)（無井式技術(shù)），它們都與中國礦業(yè)大學進行合作。１）新礦企業(yè)“有井式”ＵＣＧ技術(shù)。新礦企業(yè)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２００１—２００２年接踵建成了協(xié)莊氣化站、鄂莊氣化站（一期），并一次點火成功。目前日產(chǎn)襟懷達到１０萬ｍ３，煤氣熱值達到１１.２６ＭＪ／ｍ３。２００２年地下煤層氣化申報了國家“８６３”計劃“煤炭地下氣化牢固控制技術(shù)的研究”課題，獲取科技部贊同并被列入中國“８６３”計劃和試驗基地。２）新奧企業(yè)“無井式”ＵＣＧ技術(shù)。２００７年１月，新奧企業(yè)投資２億多元組建烏蘭察布新奧氣化采煤技術(shù)有限公司，與中國礦業(yè)大學和烏茲別克斯坦Ａｎｇｒｅｎ氣化站共同睜開“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ｍ３／ｄ的無井式煤炭地下氣化試驗系統(tǒng)和生產(chǎn)系一致次點火成功。該試驗現(xiàn)場已具備供熱、發(fā)電、εＵＣＧＴＭ技術(shù)。該項目生產(chǎn)化工原料的能力，獲取了一批創(chuàng)新性研究成就，申報了

９項專利。這項研究創(chuàng)新地成立了“Ｌ型退后邊擴展”的嶄新結(jié)構(gòu)地下氣化爐，創(chuàng)立性地開發(fā)了氣化通道貫串技術(shù)、氣化通道勸導技術(shù)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年年終，新奧企業(yè)烏蘭察布氣化站已連續(xù)運行四年，第三個試驗爐牢固運轉(zhuǎn)９００天，熱值和組分牢固，發(fā)電機連續(xù)運轉(zhuǎn)７８０天，空氣連續(xù)氣化生產(chǎn)襟懷３０萬ｍ３／ｄ，富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)襟懷１５萬ｍ３／ｄ，達到了工業(yè)化生產(chǎn)要求。２.３世界主要ＵＣＧ項目１）澳大利亞Ｃｈｉｎｃｈｉｌｌａ項目。澳大利亞煤炭資源豐富，包括Ｌｉｎｃ能源企業(yè)、ＣａｒｂｏｎＥｎｅｒｇｙ有限企業(yè)在內(nèi)的多家企業(yè)在開發(fā)ＵＣＧ項目，其中Ｌｉｎｃ能源企業(yè)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運轉(zhuǎn)成功的最大試驗項目，技術(shù)采用加拿大的于１９９９年１２月２６日開始產(chǎn)氣，２００３年４月完成試驗和有控制的停運。時期共鉆了９口工藝井，煤層厚１０ｍ，深約１４０ｍ，共氣化煤３５０００ｔ，最大產(chǎn)襟懷約８００００ｍ３／ｈ，相當于７０ＭＷ電力。近來Ｃｈｉｎｃｈｉｌｌａ的４號ＵＣＧ發(fā)生器已投運，同時計劃建設(shè)５號發(fā)生器。Ｌｉｎｃ能源企業(yè)以空氣為氣化劑獲取的合成氣低熱值約為５ＭＪ／Ｎｍ３、壓力１１０ｋＰａ、溫度３００℃，典型組成（剔除氮氣后計算）為Ｈ２３２％，ＣＯ１７％，ＣＨ４１８％。Ｈ２／ＣＯ摩爾比為１:８１，很合合用于經(jīng)過ＧＴＬ工藝合成油。２００７年Ｌｉｎｃ公司收買了烏茲別克斯坦的Ａｎｇｒｅｎ地下煤氣化廠（目前唯一運轉(zhuǎn)的工業(yè)化妝臵），并獲其相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)。Ｌｉｎｃ的ＣｈｉｎｃｈｉｌｌａＵＣＧ裝臵所產(chǎn)氣體主要用作發(fā)電機組的燃料，其規(guī)模將來可能擴大到４００ＭＷ。正在與美國合成石油企業(yè)合作睜開煤制油，計劃建設(shè)一個大的煤制油裝臵。２）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)，到此刻素來在生產(chǎn)。氣化煤階為褐煤，煤層厚度４～２４ｍ，煤灰分含量２５％～２８％，含水３１％～３５％，熱值３６５０ｋｃａｌ／ｋｇ，煤層傾角５°～１５°，深１１０～２５０ｍ，井間距２５ｍ。系統(tǒng)壓力１５６ｋＰａ（平均）。設(shè)計規(guī)模１４億ｍ３／ａ，最大年產(chǎn)襟懷達１４.１億ｍ３（１９６５年）。產(chǎn)品氣熱值為８００～８５０ｋｃａｌ／ｍ３。目前已被澳大利亞Ｌｉｎｃ能源企業(yè)收買，日產(chǎn)合成氣１００萬ｍ３。３）南非ＭａｊｕｂａＵＣＧ項目。該項目由ＥｓｋｏｍＨｏｌｄｉｎｇｓ企業(yè)推行，采用ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙ企業(yè)的εＵＣＧＴＭ技術(shù)。于２００７年１月投產(chǎn)，初始３０００ｍ３／ｈ，最后將提高到２５萬ｍ３／ｈ。該項目為非洲大陸第一個ＵＣＧ裝臵，目的是增加煤資源，該項目煤炭資源的地質(zhì)復雜性、規(guī)模及首創(chuàng)性都高出預期的設(shè)想。所產(chǎn)高質(zhì)量合成氣用于發(fā)電。３煤炭地下氣化（ＵＣＧ）產(chǎn)業(yè)綜合解析.１與傳統(tǒng)煤炭利用對照的優(yōu)點與其他煤干凈利用技術(shù)對照（表４與表５），煤炭地下氣化（ＵＣＧ）技術(shù)主要擁有以下優(yōu)點：１）煤炭地下氣化技術(shù)擁有較好的環(huán)境效益。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，所以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，這是其他干凈煤技術(shù)無法比較的。與傳統(tǒng)采煤加地面燃燒對照，ＵＣＧ可減少ＣＯ２排放，并有利于進行碳捕捉和儲蓄。ＣＯ經(jīng)地面變換后，采用分別技術(shù)將ＣＯ２分別出來儲蓄或作其他用途，從而獲取干凈煤氣，所以，地下氣化技術(shù)有利于解決大氣污染問題。２）煤炭地下氣化技術(shù)提高了煤炭資源的利用率。煤炭地下氣化技術(shù)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)或立刻報廢礦井遺留的保護性煤柱和按國家環(huán)保規(guī)定嚴禁開采的高硫高灰低質(zhì)煤獲取開采，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(shù)由于實現(xiàn)了井下無人、無設(shè)備生產(chǎn)煤氣。所以擁有較好的安全性，可防備傳統(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(shè)對照，建設(shè)地下煤氣化站的投資低２.５倍，與地面氣化對照投資顯然降低。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。由此沒有運輸過程中的燃料損失和煤塵等污染物排放，并減少相應的花銷。３.２存在的不足綜上所述，盡管地下煤氣化有對于地面煤氣化擁有基本建設(shè)投資省、建站周期短、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、煤的回收率高、生產(chǎn)成本低、沒有三廢外排問題等很多優(yōu)點，但技術(shù)上仍存在多種限制，距離廣泛工業(yè)化推行任重道遠。１）煤炭地下氣化過程的控制不能夠達到像地面煤氣化的程度，很多的過程變量，諸如水注入速度、氣化區(qū)中反應物分布、孔穴增長速度，只能經(jīng)過測量溫度和產(chǎn)品氣的質(zhì)量和數(shù)量進行估計。２）不消除會對地下及地表環(huán)境造成重要影響，比方地下蓄水層污染和地表塌陷，同時地下煤層燃燒可能存在造成地表植物干枯的風險。一旦火焰從地縫竄出，將會對人類在該地域的地表活動產(chǎn)生較嚴重的影響，甚至埋下安全隱患。３）經(jīng)濟性有較大的不確定性，目前運轉(zhuǎn)效益較好的煤炭地下氣化項目均有適合數(shù)量的配套電廠或化工廠，產(chǎn)品氣直接用于煤氣結(jié)合循環(huán)發(fā)電或化工合成聯(lián)產(chǎn)。４）對很多煤資源來說地下煤氣化可能技術(shù)上是可行的，但是適合地下煤氣化的煤層地質(zhì)條件比較苛刻，由于一些煤層的地質(zhì)和水文特點會大大增加環(huán)境及工程風險性。４結(jié)語我國是一個“富煤、少氣、缺油”的國家，在很長一段時間內(nèi)我國能源結(jié)構(gòu)仍將以煤為主，低碳能源