煤炭地下氣化的發(fā)展前景

朱 劼，闞士凱

(中國礦業(yè)大學)

·專題綜述·

煤炭地下氣化的發(fā)展前景

朱 劼，闞士凱

(中國礦業(yè)大學)

介紹了煤炭地下氣化的原理及其發(fā)展狀況。從技術角度，論述了煤炭地下氣化的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，闡述了煤炭地下氣化具有廣闊的發(fā)展前景。

煤炭地下氣化；發(fā)展狀況；環(huán)境效益；前景

煤炭地下氣化技術是將處于地下的煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用產(chǎn)生可燃氣體，綜合開發(fā)清潔能源與生產(chǎn)化工原料的新技術。其實質(zhì)是僅僅提取煤中的含能組分，而將灰渣等污染物留在井下。煤炭地下氣化技術集建井、采煤、轉(zhuǎn)化等多種工藝為一體，大大提高了煤炭資源的利用效率和利用水平，深受世界各國重視，被譽為新一代采煤方法。我國蘊藏著豐富的煤炭資源，目前不僅利用率低，而且井工開采對環(huán)境和安全都有很大影響。通過煤炭地下氣化，將地下煤炭資源轉(zhuǎn)變成可利用的煤炭及其它產(chǎn)品是解決能源問題的重要途徑之一。

1 煤炭地下氣化的原理

煤炭地下氣化與地面氣化原理相同，煤氣成分也基本相同，但其工藝型態(tài)不同，地面氣化過程在氣化爐內(nèi)的煤塊中進行，而地下氣則在煤層中的氣化通道中進行。將氣化通道的進氣孔一端煤層點燃，從氣孔鼓入氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)。煤層燃燒后，則按溫度和化學反應的不同，在氣化通道形成3個帶，即氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。經(jīng)過3個反應帶后，就形成了主要含有可燃組分CO、H2、CH4的煤氣。這3個反應帶沿氣流方向逐漸向出氣口移動，因而保持氣化反應的不斷進行。地下氣化爐的主要建設是進、排氣孔的施工和氣化通道的貫通，根據(jù)氣化通道的建設方式，把煤炭地下氣化分為有井式和無井式，前者以人工開采的巷道為氣化通道，后者以鉆孔作為氣化通道。

2 目前煤炭地下氣化的研究狀況

前蘇聯(lián)是世界上進行地下氣化現(xiàn)場試驗最早的國家，也是地下氣化工業(yè)應用成功的國家之一。1940年在頓巴斯和莫斯科近郊氣化站從技術上第一次解決了無井式地下氣化問題，并第一個變成煤炭地下氣化工業(yè)企業(yè)。到20世紀60年代末，前蘇聯(lián)已建站12座，所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電或作為工業(yè)燃料氣。二次大戰(zhàn)后，煤炭地下氣化在美國引起了很大興趣。1946年，美國首先在亞拉巴馬州的淺部煤層進行試驗。1987-1988年完成了洛基山—1號試驗，獲得了加大爐型，提高生產(chǎn)能力，降低成本，提高煤氣熱值等方面的成果。英國自1949-1956年，先后共進行6次試驗。1988年6個歐共體成員國組成了1個歐洲煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,簡稱UCG)小組，于1998年12月在西班牙Alcorisa完成了深煤層地下煤氣化試驗。

我國煤炭地下氣化試驗起步也較早，但技術發(fā)展主要在20世紀80年代后。1958-1962年，我國先后在大同、皖南、淮北等許多礦區(qū)進行過自然條件下煤炭地下氣化的試驗，取得了一定的成果。1985年，中國礦業(yè)大學在徐州馬莊礦遺棄煤柱中進行了現(xiàn)場試驗，此后中國礦業(yè)大學研究并提出了適用于我國礦井煤炭資源地下氣化的“長通道，大斷面，兩階段”煤炭地下氣化新工藝，先后完成了徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業(yè)性試驗和河北唐山劉莊煤礦煤炭地下氣化工業(yè)性試驗。2000年以后“長通道，大通道”煤炭地下氣化新工藝在山東新汶孫村、協(xié)莊、張莊、鄂莊，山西昔陽，遼寧鐵法和阜新等地取得了較好的應用效果，氣化煤氣用于居民燃氣、發(fā)電、合成氨和甲醇等。其中，孫村氣化站目前日產(chǎn)氣量6×104m3,除供1萬多戶居民用外，還建成400 kW發(fā)電機2座，平均月發(fā)電量18×104 kW·h;協(xié)莊氣化站日產(chǎn)氣量4×104m3供6 000多戶居民民用；張莊氣化站，設計日產(chǎn)量15×104m3，規(guī)劃采用一步法合成二甲醚新技術，建設年產(chǎn)2 000 t二甲醚項目；鄂莊氣化站一期工程日產(chǎn)氣量10×104m3，供礦區(qū)1 000多戶居民民用及建成的1臺400 kW發(fā)電機組使用。

3 煤炭地下氣化相關技術

煤炭地下氣化相關技術據(jù)生產(chǎn)階段及技術類型可分為煤層勘探、煤炭地下氣化爐建設、煤炭地下氣化控制、氣化煤氣的處理等技術。

1) 煤層勘探技術：與其它勘探技術相同，主要利用地質(zhì)、二維和三維地震及鉆井研究煤層在地下的分布狀態(tài)、厚度等。我國目前發(fā)展的主要是有井式氣化(即通過人工巷道進行氣化)，利用廢氣煤礦進行地下氣化，氣化煤的分布狀態(tài)在煤礦開采過程中多已清楚，所以這一環(huán)節(jié)在我國目前的煤炭地下氣化中也不重要，但隨著無井式氣化(即通過鉆孔進行氣化)的發(fā)展，配合無井地下氣化的獨立的煤層勘探技術將被提到重要位置，目前的勘探技術完全能適應煤層勘探的需要。

2) 建爐技術：地下氣化爐分為“有井式”和“無井式”兩種?！盁o井式”氣化是指氣化通道通過鉆孔來實現(xiàn)，建爐工藝簡單，建設周期短，可用于深部及水下煤層氣化，國外大都采用無井式爐型，但由于氣化通道窄小，影響出氣量，鉆探成本高。國內(nèi)目前所建氣化爐都采用有井式，氣化爐建在運行中的礦井煤田上，借助礦井的巷道向氣化煤層中延伸，氣化爐的井下通道建好后，在氣化爐與礦井巷道連接的通道中筑一道密閉墻，然后再進行氣化爐的點火工作?！坝芯健睔饣衫美系呢Q井和坑道，減少建氣化爐的投資，可回采舊礦井殘留地下的煤柱(廢物利用)，氣化通道大，容易形成規(guī)模生產(chǎn)，氣化成本低。由于涉及到巷道的建設，有井式氣化對于深部煤炭資源的氣化由于較大的地應力和較高的地溫并不適用。

3) 煤炭地下氣化的控制技術主要包括以下2方面。

a) 煤炭地下氣化過程的控制工藝。氣化工藝按不同的氣化劑種類可分為：空氣連續(xù)氣化、富氧氣化、富氧—水蒸氣氣化、加氫氣化等。氣化過程的控制工藝又可劃分為雙爐(多爐)交替運行、多點(移動點)供風氣化、反向供風氣化、脈動供風氣化，壓軸相綜合等方法。b) 煤炭地下氣化測控技術、地下氣化測控系統(tǒng)可分為兩大部分，即參數(shù)自動采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。測控系統(tǒng)是以電子計算機為核心，控制外圍多路溫度、壓力、流量、煤氣組分各種采集量的定時采集，顯示輸出繪圖等功能的軟件包。計算機分析系統(tǒng)具有耗煤量、熱效率統(tǒng)計、各相關參數(shù)分析、超限報警、工藝方案提示、工藝參數(shù)自動反饋控制等功能。分析系統(tǒng)主要功能是對采集到的參數(shù)進行整理、分析與預測，以確定氣化爐的工作狀態(tài)，并提供優(yōu)化的操作參數(shù)，其中系統(tǒng)預測是關鍵。系統(tǒng)預測是指多個因素組成的系統(tǒng)發(fā)展變化的預測，或者說是指系統(tǒng)中各因素相互影響，協(xié)調(diào)發(fā)展變化的預測。目前，煤炭地下氣化控制技術的相關參數(shù)除現(xiàn)場收集外，數(shù)學模擬等理論推導和模擬試驗也是重要的手段。

4) 煤氣處理技術：煤氣中含有大量灰塵、焦油、水分、二氧化碳及氮氣等。這種煤氣稱為熱煤氣或粗煤氣，溫度可達到200℃。因此，必須對粗煤氣進行凈化回收處理，以減少對設備、管道的堵塞和腐蝕，提高輸送系統(tǒng)的效率，回收利用寶貴的化工產(chǎn)品，同時滿足后續(xù)工序?qū)υ蠚獾囊蟆Ｃ簹獾臍鈨艋南到y(tǒng)任務就是清除煤氣中有害雜質(zhì)，降溫并獲得有用的副產(chǎn)品。故煤氣凈化不但關系到煤氣本身的質(zhì)量，同時關系到整個氣化過程的經(jīng)濟效益。煤氣凈化一般有四重目的：降溫、脫水、回收有價值副產(chǎn)品以及除去不需要的有害雜質(zhì)。

4 煤炭地下氣化技術的經(jīng)濟價值

煤炭地下氣化煤氣主要有以下用途：用于發(fā)電；用于工業(yè)燃氣；提取純氫，進一步用作還原氣和精細化工產(chǎn)品；用于城市的民用煤氣；用于合成甲烷，進入天然氣管網(wǎng)；用于化工合成原料氣，通過煤氣可合成甲醇、氨氣、二甲醚、石油等。目前我國地下氣化煤氣主要用于城市燃氣、發(fā)電和合成氨、合成二甲醚、提取純氫等。

美國專家指出，煤炭地下氣化與地面氣化生產(chǎn)同下游產(chǎn)品相比，生產(chǎn)合成氣成本可下降43%、生產(chǎn)天然氣代用品成本可下降10%～18%、發(fā)電成本可下降27%。前蘇聯(lián)列寧格勒火車發(fā)電設計院公布的資料表明，地下氣化熱力電廠與燃煤電廠相比，廠房空間可減少50%，鍋爐金屬耗量可降低30%，運行人數(shù)可減少37%。通過對國內(nèi)外煤炭地下氣化經(jīng)濟調(diào)研可以看出煤炭地下氣化，比起傳統(tǒng)的采煤業(yè)來具有投資少、見效快和成本低的優(yōu)點。

俄羅斯、美國和我國煤巖地下氣化效益的統(tǒng)計顯示，雖然煤炭地下氣化具有一定的經(jīng)濟效益，但一般而言，相同熱值條件煤炭氣化生產(chǎn)成本比常規(guī)天然氣高，隨著氣化工藝技術的不斷改進而使成本降低，大規(guī)模的煤炭氣化將具有更大的經(jīng)濟效益。此外，隨著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤層氣與煤炭地下氣化的綜合開發(fā)和利用也將進一步降低成本、提高煤炭地下氣化的經(jīng)濟效益。

5 煤炭地下開采的環(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，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地面環(huán)境的破壞，這是其它潔凈技術無法比擬的。地下氣化煤氣中H2含量在40%以上，分離后得到各種純度的H2。它轉(zhuǎn)變靈活、使用方便、清潔衛(wèi)生在自然界中形成水—氫—水自然循環(huán)。所以氫能是一種可再生的能源，符合人類可持續(xù)發(fā)展的需要。

6 煤炭地下氣化的未來

煤炭地下氣化技術是正在發(fā)展中的一項新興采煤方法，它能有效提高煤炭的采出率，減少礦區(qū)環(huán)境的破壞，增強了煤礦生產(chǎn)的安全性。但仍存在許多技術上的難題。例如對煤層氣的分離技術、地下氣化設備的布置等，仍需進一步的研究，以獲得更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，實現(xiàn)煤炭資源的合理利用。

[1] 辛萬香.有機化學[M].長春：東北師范大學出版社,2003：8-10.

[2] 杜計平，孟憲銳.采礦學[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009：10-13.

ProspectsforDevelopmentofUndergroundCoalGasification

ZhuJie，KanShi-kai

Introduces the principle and development of the UCG technology. Puts forward the economic and environmental benefits based on the UCG technology, forecasts the wide development of this technology.

Underground Coal Gasification; Development stauts;Environmental benefit; Prospect

朱 劼 男 1988年出生 2007年中國礦業(yè)大學在讀本科生 徐州 221116

TD841

A

1672-0652(2010)07-0054-03

2010-05-19