煤炭地下氣化技術(shù)

1、煤煤炭炭地地下下氣氣化化技技術(shù)術(shù) Underground Coal Gasification 河河南南省省神神源源煤煤炭炭氣氣化化科科技技發(fā)發(fā)展展有有限限公公司司 目目 錄錄 引引 言言.3 1 煤炭地下氣化基本原理煤炭地下氣化基本原理.4 1.1 氧化區(qū) .4 1.2 還原區(qū) .5 1.3 干餾干燥區(qū) .5 1.4 地下氣化爐的類型 .6 1.4.1 有井式.6 1.4.2 無井式.7 1.4.3 混合式.7 1.5 地下氣化和煤層氣開采的區(qū)別.7 2 煤炭地下氣化影響因素煤炭地下氣化影響因素.7 2.1 氣化爐溫度場 .8 2.2 鼓風(fēng)速率 .8 2.3 水涌入速率 .9 2.4 氣體通道

2、的長度和斷面 .9 2.5 操作壓力 .11 2.6 煤層厚度 .11 2.7 空氣動力學(xué)條件和氣化爐結(jié)構(gòu) .11 2.8 煤質(zhì)對氣化的影響 .12 3 國外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展國外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展.12 3.1 國外技術(shù)發(fā)展 .13 3.1.1 早期的有井(筒)式氣化工藝.13 3.1.2 UCG 描述.13 3.1.3 貫通技術(shù).14 3.1.4 煤層勘測和模型研究.15 3.1.5 氣化過程控制.15 3.1.6 環(huán)境影響評價及防治技術(shù).15 3.2 美國的 CRIP 氣化工藝.15 3.3 國外重要 UCG 項目.16 3.3.1 俄羅斯南阿賓斯克氣化站.16 3.3.2 美國

3、漢那地下氣化試驗.16 3.3.3 美國羅林斯地下氣化試驗.17 3.3.4 美國森特雷利亞地下氣化試驗.17 3.3.5 比利時圖林煤炭地下氣化試驗.17 3.3.6 西班牙特魯埃爾煤炭地下氣化試驗.18 3.4 結(jié)論 .18 4 國內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展.20 5 煤氣綜合利用前景煤氣綜合利用前景.21 5.1 化工合成聯(lián)產(chǎn).22 5.1.1 合成氨.22 5.1.2 合成二甲醚.22 5.1.3 合成油.23 5.2 提取純氫 .23 5.3 地下氣化煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 .24 5.4 經(jīng)濟(jì)效益分析 .25 5.5 幾個工程實例的效益分析.26 6 國家對發(fā)展煤

4、炭地下氣化技術(shù)的政策國家對發(fā)展煤炭地下氣化技術(shù)的政策.27 7 幾個比較關(guān)心的問題幾個比較關(guān)心的問題.30 8 本公司技術(shù)人員對該項目的研究與發(fā)明專利本公司技術(shù)人員對該項目的研究與發(fā)明專利.34 引引 言言 中國一次能源消費總量中煤炭占 65以上（美國 23），是世界上最大的煤炭生 產(chǎn)國和消費國。中國已經(jīng)探明煤炭可采儲量約 1900 億噸，但總儲量估計可能高達(dá)四萬 億噸，如果加緊查清資源家底，運用先進(jìn)科技合理化開發(fā)，可望維持供應(yīng)一百甚至數(shù) 百年之久。 中國要初步實現(xiàn)現(xiàn)代化，至少需要人均一個千瓦的電力，以 15 億人口計，將有 15 億千瓦的需求，為現(xiàn)有發(fā)電能力的三倍以上。根據(jù)“十六大”提出的到

5、 2020 年 GDP 翻兩番，達(dá)到四萬億美元的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)估計，屆時全國約需發(fā)電裝機(jī)容量為 89 億 千瓦左右。但來自政府部門的信息顯示，到 2020 年，預(yù)計水電總?cè)萘靠蛇_(dá) 1 億千瓦， 核電總?cè)萘窟_(dá) 3600 萬千瓦。風(fēng)能和生物能都只有約 2 千萬千瓦，太陽能僅 1 百萬千瓦， 加上其他各種可能資源提供的電力，不到總發(fā)電能力的 20。據(jù)此，今後整個“能源 峽谷”時期中國電力供應(yīng)必然主要依靠火力發(fā)電，由于石油、天然氣資源即將見底， 除了主要指望煤炭，別無選擇。 近年中國煤炭產(chǎn)量上去了，但技術(shù)裝備和管理水平相當(dāng)落后，全國采煤機(jī)械化程 度僅為 45；為數(shù)相當(dāng)多的小煤礦，技術(shù)手段和開采方式尤其落

6、后，難以保障安全經(jīng) 濟(jì)運行。 中國煤礦事故頻繁，礦工死亡率是美國的百倍，已成不可承受之痛。據(jù)查全國有 安全保障的煤炭生產(chǎn)能力僅為 12 億噸，去年約有 7.5 億噸是在不具備安全生產(chǎn)條件下 生產(chǎn)出來的，其中相當(dāng)一部分是非法違規(guī)生產(chǎn)的煤炭。在這種情況下，中國現(xiàn)在年產(chǎn) 近 20 億噸，實際上已經(jīng)大大超過了安全生產(chǎn)容許的極限。 中國煤礦資源極為浪費嚴(yán)重，目前資源回收率僅在 30%左右，小煤礦回收率只有 15%左右，可以比擬為“猴子吃蘋果”咬一口就扔。估計 1980 年到 2000 年，全國煤 炭資源浪費 280 億噸，扔掉的煤炭幾乎是被利用資源的兩倍。長此以往，到 2020 年， 全國將有 560

7、億噸煤炭資源被浪費，實際上相當(dāng)于每年耗用 50 億噸煤炭。在這種極端 粗放型暴殄天物的同時，精查儲量卻一直上不去，不消四十余年，已知可采儲量就會 消耗殆盡。 煤炭行業(yè)現(xiàn)狀，顯示現(xiàn)行能源戰(zhàn)略部署同客觀需求大有南轅北轍之勢，前景極其 堪憂。 同時，傳統(tǒng)煤炭開采涉及一系列環(huán)境問題及健康問題，如：地面沉陷，礦工的健 康和安全，脫硫、灰塵的污染，廢物（水）的排放等。 煤炭加冕第一，不是簡單重復(fù)早年粗放、骯臟、低效的利用方式，必須極大地提 高能量轉(zhuǎn)化效率，減少環(huán)境污染，并轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苑奖氵\用的其他能源形態(tài)，作為充分 合理利用寶貴的煤炭資源，維持社會可持續(xù)發(fā)展的必要基本政策。 煤炭地下氣化集建井、采煤、地面氣

8、化三大工藝為一體，變傳統(tǒng)的物理采煤為化 學(xué)采煤，省去了龐大的煤炭開采、運輸、洗選、氣化等工藝的設(shè)備，具有安全性好、 投資少、效益高、污染少等優(yōu)點，深受世界各國的重視，被譽(yù)為第二代采煤方法。 與傳統(tǒng)采煤和地面氣化相比，煤炭的地下氣化技術(shù)有以下優(yōu)勢： （1）可以回收傳統(tǒng)方法開采不經(jīng)濟(jì)和無法開采的煤炭資源； （2）由于煤炭無須人工開采，地下氣化最大限度的減少了礦工的健康和安全問題； （3）減少了地面沉陷，以及固體廢物排放很少； （4）減少了對社會經(jīng)濟(jì)的影響； （5）投資省，煤氣成本低。 江澤民總書記曾題詞：“煤炭地下氣化試驗，從煤炭資源的充分利用以及經(jīng)濟(jì)效 益來講值得進(jìn)一步研究” 。著名科學(xué)家錢學(xué)森

9、曾說：“煤炭地下氣化的試驗成功，無疑 是煤炭工業(yè)的巨大革命” 。隨著煤炭地下氣化技術(shù)的推廣應(yīng)用，一個以煤炭地下氣化為 “龍頭”的大型煤、電、化工聯(lián)合企業(yè)將展現(xiàn)在世人面前。對保障國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù) 發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。 鑒于煤炭地下氣化技術(shù)的顯著優(yōu)點，前蘇聯(lián)、英國、美國、德國、法國等世界許 多國家相繼投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究和使用，取得了豐碩的成果。我國也由 實驗室試驗研究、現(xiàn)場試驗研究，逐步向工業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)。 1 煤炭地下氣化基本原理煤炭地下氣化基本原理 煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化 學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。該過程主要是在地下氣化爐的氣

10、化通道中實現(xiàn)的，如 圖 1.1 所示。 1.1 氧化區(qū) 由進(jìn)氣孔鼓入氣化劑(空氣、O2和 H2O(g) ，并在進(jìn)氣側(cè)點燃煤層，氣化劑中的 O2遇煤燃燒產(chǎn)生 CO2，并釋放大量的反應(yīng)熱，燃燒區(qū)稱為氧化區(qū)，當(dāng)氣流中 O2濃度接 近于零時，燃燒反應(yīng)結(jié)束、氧化區(qū)結(jié)束。主要反應(yīng)列式如下: 氧化反應(yīng)(燃燒反應(yīng))： C+O2 = CO2 +393.8 MJ/kmol 碳的部分氧化反應(yīng)(不完全燃燒反應(yīng)) ： 2C+ O2 = 2CO + 221.1 MJ/kmol CO 氧化反應(yīng)(CO 燃燒反應(yīng))： 2CO+ O2 = 2CO2 + 570.1 MJ/kmol 1.2 還原區(qū) 氧化區(qū)結(jié)束后，則進(jìn)入還原區(qū)，氧化

11、區(qū)使還原區(qū)煤層處于熾熱狀態(tài)，在還原區(qū) CO2與熾熱的 C 還原成 CO，H2O(g)與熾熱的 C 還原成 CO、H2等，由于還原反應(yīng)是吸 熱反應(yīng)，使煤層和氣流溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降低到使還原反應(yīng)程度較弱時，還原區(qū) 結(jié)束。主要反應(yīng)列式如下: CO2還原反應(yīng)(發(fā)生爐煤氣反應(yīng)) ： CO2+C = 2CO 162.4 MJ/kmol 水蒸汽分解反應(yīng)(水煤氣反應(yīng))： H2O+C = H2+CO 131.5 MJ/kmol 水蒸汽分解反應(yīng) ： 2H2O+C = 2H2+CO2 90.0 MJ/kmol CO 變換反應(yīng)： CO+ H2O = H2+CO2 + 41.0 MJ/kmol 碳的加氫反應(yīng) ： C

12、+2 H2 = CH4 + 74.9 MJ/kmol 1.3 干餾干燥區(qū) 還原區(qū)結(jié)束后，氣流溫度仍然很高，對下流即干餾干燥區(qū)煤層進(jìn)行加熱，釋放出 熱解煤氣，同時產(chǎn)生甲烷化反應(yīng)。主要反應(yīng)列式如下: 煤熱解反應(yīng) ： 煤- CH4 + H2 + H2O +CO+CO2+ 甲烷化反應(yīng) ： CO+3H2 = CH4 + H2O + 206.4 MJ/kmol 2CO+2H2 = CH4 + CO2 + 247.4 MJ/kmol CO2+4H2 = CH4 +2 H2O + 165.4 MJ/kmol 圖 1.1 煤炭地下氣化原理示意圖 從化學(xué)反應(yīng)角度來講，三個區(qū)域沒有嚴(yán)格的界限，氧化區(qū)、還原區(qū)也有煤的

13、熱解 反應(yīng)，三個區(qū)域的劃分只是說在氣化通道中氧化、還原、熱解反應(yīng)的相對強(qiáng)弱程度。 經(jīng)過這三個反應(yīng)區(qū)以后，生成了含可燃組分主要是 H2、CO、CH4的煤氣，氣化反應(yīng)區(qū) 逐漸向出氣口移動，因而保持了氣化反應(yīng)過程的不斷進(jìn)行。由此可見可燃?xì)怏w的產(chǎn)生 主要來源于三個方面：即煤的燃燒熱解、CO2的還原和水蒸汽的分解，這三個方面作 用的程度，正比于反應(yīng)區(qū)溫度和反應(yīng)比表面積，同時也決定了出口煤氣組分和熱值。 1.4 地下氣化爐的類型 1.4.1 有井式 有井式氣化建爐先從地 面開鑿井筒，然后在地下開 拓平巷，用井筒和平巷把地 下煤氣發(fā)生爐和地面聯(lián)接起 來，在平巷里將煤層點燃， 從一個井筒鼓風(fēng)，通過平巷， 由另

14、一個井筒排出煤氣。 圖 1.2 有井式煤炭地下氣化示 意圖 1.4.2 無井式 利用鉆孔揭露煤層，并利用特種技術(shù)在煤層中建立氣化通道而構(gòu)成的地下煤氣發(fā) 生爐叫無井式地下氣化爐。無井式氣化爐從進(jìn)排氣點和氣化通道相對位置來分可把它 們分為幾種基本爐型，即 V 型爐、盲孔爐、U 型爐等。 圖 1.3 無井式地下氣化爐示意圖 圖 1.4 混合式地下氣化爐示意圖 1.4.3 混合式 由地面打鉆孔揭露煤層或利用井筒輔設(shè)管道揭露煤層，人工掘進(jìn)的煤巷作為氣化 通道，利用氣流通道(人工掘進(jìn)的煤巷)連接氣化通道和鉆孔或管道，所構(gòu)成的氣化爐為 混合式氣化爐。 1.5 地下氣化和煤層氣開采的區(qū)別 煤層氣的開采是通過“

15、井下抽采”與“地面鉆采”的方式，把煤中吸附的瓦斯抽出，受 煤層中瓦斯氣存量的影響，風(fēng)險很大；往往是鉆孔達(dá)到煤層后氣量很少，抽采時間不 長就沒氣了，造成鉆孔等費用的巨大損失；而煤炭地下氣化是通過熱作用，把煤炭轉(zhuǎn) 化成煤氣采出，只要地下有煤炭資源，就能產(chǎn)出煤氣，煤炭資源越多，煤氣采出越多， 生產(chǎn)周期越長； 煤炭地下氣化也包括“井下巷道開采”和“地面鉆采”兩種生產(chǎn)方式，與煤層氣 的“井下抽采”相比，地下氣化的“井下巷道開采”工程簡單，投資少。在“地面鉆 采”方面，地下氣化的鉆孔直徑較大，一般都在 500mm 以上，從而保證了煤氣的大量 生產(chǎn)。 另外，通過煤炭地下氣化技術(shù)，不僅把煤炭轉(zhuǎn)變成了煤氣，同時

16、，煤層中原有的 瓦斯氣也同時被采出，成為煤氣中重要組分。 2 煤炭地下氣化影響因素煤炭地下氣化影響因素 煤的地下氣化系非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，影響煤氣質(zhì)量的因素很多，既有地 下氣化所采用的工藝措施，又有煤層自身的特性及煤層頂?shù)匕宓囊苿訝顟B(tài)。一般來講， 影響煤炭地下氣化過程的主要因素包括以下幾個方面： 2.1 氣化爐溫度場 煤炭地下氣化過程實際上是一個自熱平衡過程，依靠煤燃燒產(chǎn)生的熱量使地下氣 化爐內(nèi)建立起理想的溫度場，進(jìn)而發(fā)生還原反應(yīng)和分解反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣。因此，在地 下氣化過程中起關(guān)鍵作用的是爐內(nèi)的溫度場，尤其是對于生產(chǎn)高熱值水煤氣的兩階段 地下氣化更是如此。兩階段氣化是一種循環(huán)供給空氣和水

17、蒸氣的地下氣化方法，每個 循環(huán)由兩個階段組成，第一個階段為鼓空氣燃燒蓄熱生產(chǎn)空氣煤氣，第二個階段為鼓 水蒸氣生產(chǎn)地下水煤氣，只有第一階段積蓄足夠量的熱能以后才能使第二階段水蒸氣 的分界反應(yīng)得以順利進(jìn)行，從而產(chǎn)生高熱值地下水煤氣，同時，煤層熱分解的程度以 及熱解煤氣的產(chǎn)量，完全取決于煤層內(nèi)的溫度分布。 2.2 鼓風(fēng)速率 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，又決定于固體碳和二氧化碳的化學(xué)反 應(yīng)速度，決定于二氧化碳向固體碳表面的擴(kuò)散速 度。前者與氣化帶的溫度有關(guān)，后者則與送風(fēng)流的速度(鼓風(fēng)量)有關(guān)。氣流運動速度越 大，擴(kuò)散速度也越大。煤的氣化強(qiáng)度增加；另外，鼓入風(fēng)速的增加，初級產(chǎn)物一氧

18、化 碳的燃燒可以部分避免，而從氧化區(qū)帶走，從圖可以看出，提高鼓風(fēng)速度可以相應(yīng)地 提高煤氣熱值。 煤層中水的涌入速率很難控制，但可通過改變鼓風(fēng)速率來抑制水涌入所造成的影 響，在相同水涌入速率的情況下，鼓風(fēng)速率越高，氣化區(qū)溫度越高，煤氣中水含量越 少。 無論在什么條件下，鼓風(fēng)速率的增加都是有限的，過高時系統(tǒng)壓力增大，煤氣熱 值隨著鼓風(fēng)速率的增加而提高，但超過一定數(shù)值，煤氣熱值反而降低，而二氧化碳含 量卻增加，這說明部分氣化產(chǎn)物被燃燒了，所以應(yīng)選擇適宜的流速和壓力，以避免煤 氣的泄漏和一氧化碳被氧化。 一般認(rèn)為變空氣鼓風(fēng)為富氧鼓風(fēng)可以大大提高煤氣的熱值，令人意外的是 CO/CO2比率并不隨著鼓風(fēng)中氧

19、含量的增加而有明顯的變化。雖然燃燒區(qū)的溫度由于鼓 風(fēng)中氧含量的增加而升高，但因為氧的旁路或附加的水蒸氣轉(zhuǎn)換 CO 為 CO2的反應(yīng)并 不完全。 2.3 水涌入速率 氣體煤層中水的來源有：1.煤本身的含水量 2.在熱分解中產(chǎn)生的水分 3.圍巖的含水 量 4.地下水的滲入 5.人為注入的水 煤氣含水量反映出地下水從煤層周圍涌入氣化區(qū)域的速率，水涌入速率是由圍巖 的滲透率和整段地帶的靜水壓力所決定的。通常條件下，靜水壓力隨時間變化緩慢， 基本上是穩(wěn)定的。判明水涌入的實際軸向分布范圍一般比較困難，而其分布情況對煤 氣組成有很大影響。 氣化爐中存在少量的水，對氣化過程的進(jìn)行是有利的，在高溫下水被分解，使

20、煤 氣中富含 CO 和 H2，同時又能適當(dāng)降低煤的燃燒溫度，從而降低了煤灰的熔融溫度， 保證了良好的析氣條件。如果水涌入量比較大，即超過一定的限度，高溫氣流的冷卻 作用及 CO/CO2平衡轉(zhuǎn)換占優(yōu)勢，可燃組分相對減少，從而使煤氣熱值降低，此外， 水涌入量增加，容易使孔道內(nèi)形成水層，堵塞狹窄的氣流通道。在煤炭地下氣化現(xiàn)場 試驗過程中，我們一般從兩個方面來抑制水涌入的影響：一是適當(dāng)提高鼓風(fēng)壓力，而 是在操作系統(tǒng)中始終保持氣化通道足夠高的溫度，以蒸發(fā)所涌入的水，使所有涌入的 水均以煤氣中的水蒸氣或水與煤之間反應(yīng)物等形式出現(xiàn)。 地下水的存在，直接影響煤層的含水(充水)程度，其對地下煤層貫通和氣化影響在

21、 于：在貫通時貫通通道的空間小，內(nèi)部表面不大，只有比較少的地下水進(jìn)入貫通的通 道，影響不大；但在氣化通道貫通以后，煤層開始?xì)饣?，氣化的空間迅速增大，因而 進(jìn)入地下煤氣爐系統(tǒng)地水量也增大，將嚴(yán)重影響著氣化過程的進(jìn)行。當(dāng)煤層中的水分 含量超過一定限度時，還原帶的溫度及氣化過程遭到強(qiáng)烈的破壞，同時在反應(yīng)區(qū)中燃 料的燃燒熱分配不當(dāng)，化學(xué)熱降低而物理熱升高，造成很大的熱損。 在進(jìn)行地下氣化的準(zhǔn)備工作時，地下水，特別是流砂層常會給打鉆工作帶來困難， 并且常因地下水改變鉆孔內(nèi)煤層的物理化學(xué)性質(zhì)而妨礙貫通工作的進(jìn)行。據(jù)地質(zhì)鉆探 方面資料可知：在一般含水量的情況下，對鉆孔工作沒什么困難，而影響鉆孔工作的 主要是

22、流砂層，特別是含水的礫巖層，在這種巖石中鉆進(jìn)，不但時常發(fā)生漏水現(xiàn)象， 而且往往因鉆孔壁陷落妨礙鉆進(jìn)。 2.4 氣體通道的長度和斷面 可燃?xì)怏w的產(chǎn)生在氣化通道中經(jīng)歷了三個不同的反應(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?xì)怏w生成反應(yīng)的進(jìn)行， 使煤氣中的 H2，CO，CH4 等成分增加，煤層熱值提高。若氣化通道過短，只有氧化 區(qū)和還原區(qū)得到發(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。 對于國內(nèi)外氣化通道長度短、斷面小的試驗，其產(chǎn)量小，地下煤氣中可燃組分含

23、量少，熱值低。比利時由于加大了氣化通道的長度和斷面，其煤氣質(zhì)量明顯得到改善。 我國一改 20 世紀(jì) 50 年代的建爐模式，采用有井推進(jìn)式大型爐結(jié)構(gòu)，通道長，斷面大， 使產(chǎn)品煤氣中可燃組分大幅度增高，煤氣熱值提高。分析其原因，主要包括以下幾方 面：大型爐煤體燃燒后，形成大而穩(wěn)定的高溫場，氧化帶和還原帶的范圍擴(kuò)大，可 燃組分增多，從而使煤氣熱值提高；由于通道長、斷面大，所以干餾煤氣產(chǎn)量大， CH4 含量高；因由較長的干餾干燥帶，煤氣顯熱大多用于加熱煤層，故熱效率高； 大型爐為兩階段地下氣化創(chuàng)造了良好的條件。 但是氣化通道亦不可過長，蘇聯(lián)的操作表明，過長的氣化通道則因煤氣被冷卻， CO/CO2之比率

24、降低，而甲烷在過低溫度下生成速率很小，易發(fā)生如下反應(yīng)： 2CO+H2OCO2+H2+41.03KJ/gmoL 2COCO2+ C+172.5 KJ/gmoL 所以，對于某一特定的氣化煤層來說，氣化通道應(yīng)滿足各反應(yīng)區(qū)長度的要求。 2.5 操作壓力 在傾斜、緩傾斜或近水平煤層中進(jìn)行地下氣化時，氣化劑僅限于在貫通通道內(nèi)流 動，而不能提供有效燃燒氣化所需要的大反應(yīng)表面。實踐證明，通過改變操作系統(tǒng)的 運作方式，可以得到較大程度的補(bǔ)償，即通過周期性變化的操作壓力可以提高煤氣的 質(zhì)量。 模型試驗和現(xiàn)場試驗均表明，在壓力周期變化條件下，流體主要以對流方式傳遞 給煤層熱量，這樣，一方面對氣化反應(yīng)帶前某一距離內(nèi)的

25、煤層起到預(yù)熱作用，有利于 煤層的燃燒與氣化；另一方面增加了熱解的產(chǎn)物，且避免了熱解氣體的燃燒。 Mohtadi(1981)使用無煙煤分別在恒壓和周期變化的壓力下進(jìn)行了試驗，其結(jié)果如 表 2-2 所示。從下表可以看出，周期變化壓力條件下，熱損失減少約 60%，熱效率和 氣化效率分別為恒壓時的 1.4 倍和 2 倍，產(chǎn)品煤氣的熱值約提高 1 倍。由此證明了在壓 力變化的條件下，氣化過程得到了較大程度的改善。 2.6 煤層厚度 在地下氣化過程中，燃燒區(qū)和煤氣不僅因水的涌入而被冷卻，而且其中一部分熱 量散失到煤層和圍巖(底板、頂板等)中去。當(dāng)煤層厚度小于 2m 時，圍巖的冷卻作用劇 烈變化對煤氣熱值影

26、響甚大。對于較薄煤層，增加鼓風(fēng)速率或富氧鼓風(fēng)可以提高煤氣 熱值，蘇聯(lián) Lischansk 地下氣化站在小于 2m 的煤層中進(jìn)行試驗時，即采用富氧鼓風(fēng)。 后煤層進(jìn)行地下氣化不一定經(jīng)濟(jì)，一般以 1.33.5m 厚的煤層進(jìn)行地下氣化比較經(jīng) 濟(jì)合理，煤層的傾斜度對其氣化難易也有影響，一般說來急傾斜煤層易于氣化，但開 拓條件鉆孔工作較困難。試驗證明，煤層傾角為 35時，便于進(jìn)行煤的地下氣化。 2.7 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，均勻地 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。在氣化過程中，氣化通道的 大小、形狀、位置都隨著煤層和頂

27、板的冒落而不斷發(fā)生變化。因此，氣化工作面的大 小、形狀、位置和空氣動力學(xué)條件也在不斷地發(fā)生變化，從而影響氣化過程的穩(wěn)定。 順利送風(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。 2.8 煤質(zhì)對氣化的影響 氣化反應(yīng)過程與煤的性質(zhì)和組成有著密切的關(guān)系，又與煤層情況和地質(zhì)條件有關(guān)， 如無煙煤由于透氣性差，氣化活性差，脆性很高，在外力作用下最容易分解，因此一 般不適于地下氣化；而褐煤最適于地下氣化方法，由于褐煤的機(jī)械強(qiáng)度差，易風(fēng)化， 難于保存，且水分大，熱值低等特點，不宜于礦井開采，而其透氣性高，熱穩(wěn)定差， 沒有粘結(jié)性，較易開拓氣化通

28、道，故有利于地下氣化。 影響氣化過程穩(wěn)定性的因素還有許多，如圍巖受熱變形、塌裂、擴(kuò)展的影響，煤 質(zhì)煤層賦存條件的影響等。這些因素對氣化盤區(qū)的選擇和氣化爐的建立過程影響較大， 對于氣化過程控制煤氣成分和熱值的影響不大。煤層頂?shù)装鍘r石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對地下 氣化有重要影響，要求臨近巖層完全覆蓋氣化煤層。當(dāng)氣化過程進(jìn)行到一定程度時頂 板往往在熱力、重力和壓力的作用下破碎而垮落，造成煤氣大量泄漏，影響到氣化過 程的有效性和經(jīng)濟(jì)性。 綜上所述，氣化爐溫度場、鼓風(fēng)速率、氣化通道長度、煤層涌水量是影響氣化過 程穩(wěn)定性的主要因素。因此，將通過模擬計算和現(xiàn)場試驗，研究這些因素的變化規(guī)律 以及對氣化過程穩(wěn)定性的影響程

29、度，從而認(rèn)識地下氣化過程的一般規(guī)律，并研究合理 的氣化爐結(jié)構(gòu)和工藝措施，實現(xiàn)對氣化過程的控制，已達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。 3 國外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展國外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展 1868 年，德國科學(xué)家威廉西蒙斯首先提出了煤炭地下氣化(UCG)的概念。1888 年， 俄羅斯 化學(xué)家門捷列夫提出了地下氣化的基本工藝。1907 年，通過鉆孔向點燃的煤層 注入空氣和蒸 汽的 UCG 技術(shù)在英國取得專利權(quán)。1933 年，前蘇聯(lián)開始進(jìn)行 UCG 現(xiàn) 場試驗。19401961 年建成 5 個試驗性氣化站。其中規(guī)模較大的是俄羅斯的南阿賓斯 克氣化站和烏茲別克斯坦的安格連 斯克氣化站。這 2 個氣化站都采用無井

30、(筒)氣化工 藝。前蘇聯(lián)的試驗性氣化站，生產(chǎn)的煤氣 熱值低，產(chǎn)量不穩(wěn)定，成本高。1977 年,安 格連斯克等氣化站被關(guān)閉。南阿賓斯克氣化站氣 化煙煤，到 1991 年累計產(chǎn)氣 90 億 m3，煤氣平均熱值 3.82MJ/m3(1600kcal/m3)。安格連 斯克氣化站氣化褐煤，1987 年恢 復(fù)運行，生產(chǎn)低熱值燃料氣供發(fā)電。 20 世紀(jì) 50 年代，美、英、日、波、捷等國也都進(jìn)行 UCG 試驗，但成效不大。到 50 年代末都停止了試驗。7080 年代，除前蘇聯(lián)外,美國、德國、比利時、英國、法國、 波蘭、捷克、日本等國都進(jìn)行試驗。 美國 UCG 研究試驗投入大量資金。勞倫斯利弗莫爾、桑迪亞國家

31、實驗等研究機(jī) 構(gòu)，應(yīng)用高 技術(shù)進(jìn)行 UCG 的實驗室研究和現(xiàn)場試驗。到 20 世紀(jì) 80 年代中期，共進(jìn) 行 29 次現(xiàn)場試驗，累計 氣化煤 炭近 4 萬 t，煤氣最高熱值達(dá) 14MJ/m3。勞倫斯利弗 莫爾國家實驗室開發(fā)成功的受控注入 點 后退(CRIP)氣化新工藝，是 UCG 技術(shù)的一項 重大突破，使美國 UCG 技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。美國 UCG 試驗，證實了 UCG 的技術(shù) 可行性，但產(chǎn)氣成本遠(yuǎn)高于天然氣，據(jù)美國能源部 1986 年評估報 告，地下氣化成本 為 4.8 美元/MBtu，而天然氣井口價僅 1.7 美元/MBtu(1989 年，1MBtu=28m 3天然氣)， 漢那商業(yè)性地下

32、氣化站設(shè)計預(yù)估成本高達(dá) 10.4 美元/MBtu。 西歐國家(英國、德國、法國、比利時、荷蘭、西班牙)深度 1000m 以下和北海海 底煤炭儲量 很大。石油危機(jī)后，這些國家試圖采用 UCG 技術(shù)從不能用常規(guī)方法開采 的深部煤層取得國產(chǎn) 能源。1976 年，比利時和原西德簽署了共同進(jìn)行深部煤層地下氣 化試驗的協(xié)議，1979 年在比利時成立了地下氣化研究所，進(jìn)行 UCG 實驗室研究和現(xiàn) 場試驗。19781987 年，在比利時的圖林進(jìn)行現(xiàn)場試驗。氣化煤層厚 2m，傾角 15， 深 860m。第一階段采用反向燃燒法，試驗失敗。后來采用小半徑定向鉆孔和 CRIP 工 藝，試驗基本成功。1988 年，6

33、個歐盟成員國組成歐洲煤炭地下氣化工作組，進(jìn)行驗 證深部煤層地下氣化可行性的商業(yè)規(guī)模示范。1991 年 10 月到 1998 年 12 月，在西班牙 特魯埃爾進(jìn)行現(xiàn)場試驗。氣化煤層厚 2m，深 500700m，采用定向鉆孔和 CRIP 工藝。 羅馬尼亞正在日烏河谷煙煤煤田進(jìn)行 UCG 試驗，目的是彌補(bǔ)天然氣供應(yīng)不足。 除上述國家外，計劃進(jìn)行 UCG 試驗或建設(shè)氣化站的國家有：印度、巴西、泰國、 保加利亞、 新西蘭。 3.1 國外技術(shù)發(fā)展 3.1.1 早期的有井(筒)式氣化工藝 UCG 試驗采用有井(筒)式工藝，需要開鑿井筒、掘進(jìn)巷道，或利用老礦的井巷。 這違背了地下氣化的基本宗旨是避免井下開采作

34、業(yè)的初衷，而且準(zhǔn)備工作量大，產(chǎn)氣 量小。1935 年以后，發(fā)展無井(筒)式工藝，即從地面向煤層鉆孔。過去 50 年，國外所 有 UCG 試驗和可行性研究都采用無井(筒)式工藝。 3.1.2 UCG 描述 最簡單的 UCG 工藝是按一定距離向煤層打垂直鉆孔，再使孔間煤層形成氣化通道。 然后通過一個鉆孔把煤層點燃，注入空氣或氧/蒸汽，煤炭發(fā)生熱解、還原和氧化等氣 化反應(yīng)。蒸汽 提供反應(yīng)所需的氫，并降低反應(yīng)溫度。產(chǎn)生的煤氣從另一個鉆孔引出， 煤氣的主要成分是 H 2 、二氧化碳、CO、CH4和蒸汽，各種組分的比例取決于煤種、 氣化劑和氣化效率。注入空氣和蒸汽產(chǎn)生低熱值煤氣(3.96.3MJ/m3)；

35、注入氧和蒸汽 可得中熱值煤氣(8.211.0MJ/m3)。 低熱值煤氣可就地發(fā)電或做工業(yè)燃料；中熱值煤 氣可作燃料氣或化工原料氣，原料氣可轉(zhuǎn)化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然 氣等產(chǎn)品。UCG 的關(guān)鍵技術(shù)問題是連續(xù)鉆孔的方法，即貫通技術(shù)、煤層勘測和氣化過 程的控制。 3.1.3 貫通技術(shù) 迄今已試驗 5 種貫通方法：電力貫通，爆炸破碎，水力壓裂，反向燃燒，定向鉆 孔。只有后兩種方法證明是可行的。 （1）電力貫通。這是早期采用的方法，因煤層電阻大，耗電太多，而效果不好， 早已淘汰 。 （2）爆炸破碎法。70 年代，美國試驗爆炸破碎法，未能使煤層產(chǎn)生足夠的滲透性， 而且難以控制。 （3）水力壓

36、裂。水力壓裂是從鉆孔向煤層注入帶支撐劑(砂子等)的高壓水，使煤 層壓裂， 排水后砂子留在煤層裂隙中，從而提高煤層滲透性。美國、法國、比利時、 德國等都曾進(jìn)行水力壓裂試驗，均以失敗告終。1980 年法國進(jìn)行水力壓裂試驗，煤層 深 1170m，壓力達(dá) 750ba r，結(jié)果水砂倒流，發(fā)生堵塞。 （4）反向燃燒。反向燃燒是從甲孔點火，從乙孔鼓風(fēng)，燃燒面的推進(jìn)方向與氣流 方向相反 ，煤氣從甲孔引出。美國 ARCO 煤炭公司在懷俄明州吉利特附近進(jìn)行試驗， 煤層厚 34m，深 213 m，為次煙煤。注入空氣，煤氣熱值達(dá) 7.9MJ/m3。 （5）定向鉆孔。定向鉆孔是石油工業(yè)開發(fā)的一種鉆井新技術(shù)，它是從地面打

37、垂直 鉆孔，鉆 到一定深度后，鉆孔可以拐彎，變成水平方向鉆進(jìn)，形成水平孔。定向鉆孔 有兩種方法：一是逐漸拐彎，一般每 30m 拐 36，不需特制的鉆具，曲率半徑約 500m。另一種是小半徑拐彎鉆進(jìn)，需采用撓性鉆具和孔內(nèi)導(dǎo)向裝置，曲率半徑可小到 15m。英國采用天然伽瑪射線傳感器導(dǎo)向，在厚度和傾角變化的煤層中進(jìn)行定向鉆孔試 驗，水平孔長達(dá) 500m。比-德地下氣化研究所在比利時圖林大深度煤層 UCG 試驗中， 采用垂直鉆孔、逐漸彎鉆孔和小半徑拐彎鉆孔相結(jié)合的設(shè)計方案。 此方案可用一個逐漸拐彎鉆孔聯(lián)接若干垂直鉆孔，在氣化幾個煤層時尤其方便， 而且垂直孔與層內(nèi)水平孔的交接比較精確，兩者距離可控制在小

38、于煤層厚度的范圍內(nèi)。 英國設(shè)想用定向鉆孔技術(shù)氣化北海海底煤層，水深 25130m，煤層厚 12m，從地面或 近海鉆井平臺打定向鉆孔。 3.1.4 煤層勘測和模型研究 待氣化煤層的精細(xì)勘測和氣化反應(yīng)帶的預(yù)測和監(jiān)測，是 UCG 能否成功的關(guān)鍵要素。 在煤層勘測方面，已采用鉆孔溫差電偶、孔間地震儀等進(jìn)行三維精細(xì)勘測。在地面用 電阻率方法進(jìn)行勘測也能取得良好效果，而且成本較低，有效深度約 1000m。深部煤 層用高頻電磁波進(jìn)行勘測，已證明是一種有效而經(jīng)濟(jì)的方法。 目前，UCG 試驗通常都采用計算機(jī)模型模擬氣化過程，已開發(fā)出多種模型。應(yīng)用 這些模型，有可能相當(dāng)精確地模擬氣化反應(yīng)過程，預(yù)測能夠氣化的煤量、

39、煤氣的產(chǎn)量 和質(zhì)量，以及生產(chǎn)成本。美國能源國際公司采用 UCG 經(jīng)濟(jì)性模型和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對 擬建的懷俄明州漢那商業(yè)性氣化站設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。 3.1.5 氣化過程控制 UCG 是受多種因素影響的復(fù)雜的物理化學(xué)過程，難以控制。主要影響因素包括： 煤層地質(zhì)條件，煤質(zhì)特征，涌水量，礦山壓力，氣化劑及其注入壓力和流量等。 氣化過程控制的主要問題是冒落矸石對氣流的影響，以及氣化效率隨氣化帶的推 進(jìn)而降低。美國在地下氣化機(jī)理和氣化過程方面進(jìn)行大量的研究開發(fā)工作，包括氣化 過程監(jiān)測、自控和搖感技術(shù)，應(yīng)用聲學(xué)、地震學(xué)和電子技術(shù)，取得化學(xué)、熱力學(xué)和地 質(zhì)學(xué)等方面的數(shù)據(jù)。 3.1.6 環(huán)境影響評價

40、及防治技術(shù) 美國和歐盟重視 UCG 對健康和環(huán)境影響的評價以及防治技術(shù)的研究。主要問題是 氣化區(qū)地面 塌陷，地下水污染，煤氣凈化系統(tǒng)排放物對環(huán)境的影響。 美國能源部對懷俄明州 70 年代末進(jìn)行試驗的地下氣化站對健康和環(huán)境的影響進(jìn)行 專項評估。對氣化站附近地下水中的異丙基苯含量進(jìn)行測量，并采用生物技術(shù)(需氧菌 群)進(jìn)行分解苯的示范試驗，結(jié)果地下水中的苯含量下降 80。 3.2 美國的 CRIP 氣化工藝 美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 1976 年開始研究 UCG，在模擬研究和實驗室研 究的基礎(chǔ)上，19761979 年在懷俄明州吉利特附近進(jìn)行了 6 次現(xiàn)場試驗，先后采用爆 炸破碎、反向燃燒和定向鉆

41、孔貫通技術(shù)，注入空氣和氧/蒸汽。這些試驗除爆炸破碎效 果不佳外，煤氣熱值都超過 4MJ/m3，最高達(dá) 10.3MJ/m3，但都發(fā)生冒頂、漏氣和水流 入等問題。為解決這些問題， 提高氣化效率，該實驗室研究開發(fā)出受控注入點后退氣 化工藝(CRIP)。這種新工藝把定向鉆 進(jìn)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(dá)煤層后，從注入孔沿煤層底板繼續(xù)打水平孔，直到與產(chǎn)氣孔底部 相交，然后在鉆孔中下套管；開始?xì)饣瘯r，用移動點火器在靠近產(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(kuò)展，一直燒到煤層頂板，待頂板開始 塌落時，注入點后退相當(dāng)于一個空穴寬度的距離，再用點火器燒 掉一

42、段套管，形成新 的燃燒帶，如此逐段向垂直注入孔推進(jìn)。 1983 年，在美國華盛頓州森特雷利亞附近的韋特柯煤礦進(jìn)行首次全規(guī)?，F(xiàn)場試驗。 氣化煤層厚 11m，氣化上部的 6m，煤質(zhì)為高灰分(20)、低滲透性次煙煤。試驗歷時 30 天，開始注入空氣和蒸汽，第 14 天注入氧和蒸汽，氣化煤量為 1814t，煤氣熱值 9.5MJ/m3。CRIP 工藝的最大優(yōu)點是氣化過程能夠有效地得到控制。因為水平注入孔位 于煤層底部，氣化過程在受控條件下由注入點后退逐段進(jìn)行。這一特點使它特別適用 于大深度煤層和特厚煤層。氣化大深度煤層時，一個產(chǎn)氣孔可連接一組垂直注入孔， 煤氣可通過已燒過的空穴流動，解決了在極高的巖層壓

43、力下保持通道的問題。氣化厚 煤層時，當(dāng)空穴擴(kuò)大并發(fā)生大冒頂時，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP 工藝的另一 個突出優(yōu)點是產(chǎn)氣量大，還有可能回收因發(fā)生大冒頂從旁路逸出的煤氣。CRIP 工藝的 主要缺點是點火操作比較復(fù)雜。CRIP 工藝在美國試驗成功以后，國外所有地下氣化試 驗或可行性研究項目都采用這種新工藝。 3.3 國外重要 UCG 項目 國外 UCG 試驗和商業(yè)性示范項目主要有俄羅斯的南阿賓斯克氣化站，美國的漢那、 羅林斯和森特拉利亞氣化試驗，以及比利時的圖林和西班牙的特魯埃爾氣化試驗。 3.3.1 俄羅斯南阿賓斯克氣化站 南阿賓斯克氣化站位于俄羅斯庫茲巴斯礦區(qū)。煤層厚 29m，傾角 55

44、70，深 50300 m，煤種為氣肥煤。1955 年建成試驗性氣化站，設(shè)計年產(chǎn)氣能力 5 億 m3，采 用井(筒)氣化工藝。到 1991 年累計氣化煤炭 3Mt，產(chǎn)氣 90 億 m3，煤氣平均熱值 3.82MJ/m3(1600Kcal/ m3)。煤氣供附近 12 個工礦企業(yè)用作燃料。 3.3.2 美國漢那地下氣化試驗 19721979 年，美國能源部拉勒米能源技術(shù)中心在懷俄明州漢那附近進(jìn)行地下氣 化試驗。氣化煤層為次煙煤，厚 9m，深 49122m。首次采用反向燃燒法，注空氣， 氣化煤炭 15741t，煤氣熱值 4.06.6MJ/m3。19871988 年，勞倫斯利弗莫爾國家實 驗室采用 CR

45、IP 工藝在漢那進(jìn)行試驗，獲得成功。 3.3.3 美國羅林斯地下氣化試驗 19791981 年，Gulf 研究與發(fā)展公司在懷俄明州羅林斯附近的一個急傾斜煤層進(jìn) 行地下氣化試驗。氣化煤層厚 7m，傾角 63，深 30m，煤種為次煙煤，鉆孔貫通。試 驗分 3 個階段進(jìn)行。第一階段注空氣，煤氣熱值 5.9MJ/m3；第二階段注氧氣，煤氣熱 值 9.8MJ/ m3；第一、 第二階段的注入壓力為 485795kPa；第三階段注氧氣，最大壓 力提高到 1100kPa，煤氣熱值 12.9MJ /m3，有 19 天平均達(dá) 14MJ/m3。累計氣化煤炭 7766t。這是美國最成功的一次地下氣化試驗。 3.3.4

46、 美國森特雷利亞地下氣化試驗 1983 年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在華盛頓州森特雷利亞附近進(jìn)行地下氣化試 驗。氣 化煤層厚 11m，氣化上部 6m，煤層深 75m。采用 CRIP 工藝，運行 30 天，氣 化煤炭 13315t，煤氣熱值 9.5MJ/m3。 3.3.5 比利時圖林煤炭地下氣化試驗 這是比利時和德國深部煤層地下氣化試驗合作項目。試驗地點在比利時波利納日 煤田的圖林。氣化煤層厚 4m，深 860m，煤種為瘦煤。19781980 年打了 4 個鉆孔， 呈星形布置，2 號孔居中，1、3、4 號孔沿圓周布置，與 2 號孔相距 35m。第一階段采 用反向燃燒法進(jìn)行貫通試驗，由 1 號孔注入高壓空氣(最大壓力 260bar)。由于地層壓力 高達(dá) 200bar，煤層剛被燒通，周圍煤體即在高壓作用下產(chǎn)生蠕動，將通道封死，注入 孔底附近的煤層發(fā)生自燃，