國內外煤炭地下氣化技術現狀及新奧攻關進展

張 明,王世鵬

(1.煤基低碳能源國家重點實驗室,河北廊坊 065001;2.新奧氣化采煤有限公司,河北廊坊 065001）

國內外煤炭地下氣化技術現狀及新奧攻關進展

張 明1,2,王世鵬1,2

(1.煤基低碳能源國家重點實驗室,河北廊坊 065001;2.新奧氣化采煤有限公司,河北廊坊 065001）

介紹了國內外煤層地下氣化的發(fā)展狀況及最新進展,闡明了煤炭地下氣化的優(yōu)越性及技術發(fā)展過程中的坎坷歷程,指出煤炭地下氣化(UCG）是解決傳統煤炭開采方法存在的一系列技術和環(huán)境問題的重要途徑。介紹了新奧無井式煤炭地下氣化技術攻關成果,展望了地下氣化采煤的前景。

煤炭開采;煤炭地下氣化;無井式煤炭地下氣化;新奧集團

0 前言

1888年,偉大的俄國科學家門捷列夫說:“我有一個夢想,那就是讓煤直接在地下燃燒而變成可燃氣體”。為實現科學家的夢想,全世界的科學家進行了幾十年的探索和努力。前蘇聯、美國、英國等許多國家相繼投入了大量的人力和物力進行研究和試驗,取得了豐碩的成果。我國也由實驗室試驗、現場試驗,逐步向產業(yè)化生產邁進,初步形成了具有我國自主知識產權的煤炭地下氣化技術。

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification, UCG）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而產生可燃氣體,集建井、采煤、氣化工藝為一體的多學科開發(fā)潔凈能源與化工原料的新技術,其實質是只提取煤中含能成分,變物理采煤為化學采煤,被譽為第二代采煤法。

UCG技術不僅可以回收老礦井遺棄煤炭資源,而且還可以用于開采井工難以開采或開采經濟性、安全性較差的薄煤層、深部煤層、“三下”壓煤和低品位(褐煤、高硫、高灰、高瓦斯）煤層;UCG煤氣不僅可作為燃氣直接民用和發(fā)電,而且還可用于提取純氫或作為合成甲烷、二甲醚、甲醇、油品等的原料氣。地下氣化過程燃燒的灰渣留在地下,大大減少了地表塌陷,煤氣可以集中凈化,是清潔能源的主要研究方向和符合可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境友好綠色技術。

早在1979年的聯合國“世界煤炭遠景會議”上就明確指出,UCG是解決傳統煤炭開采方法存在的一系列技術和環(huán)境問題的重要途徑。

1 國外煤炭地下氣化發(fā)展狀況

蘇聯于20世紀30年代在莫斯科近郊、頓巴斯和庫茲巴斯建立了5個試驗區(qū)。據統計,到1965年,共建了27座氣化站,到1994年,共燒掉1500萬t煤,生產500億m3低熱值煤氣。其中,南阿賓斯克站連續(xù)工作40年,所生產的煤氣主要用于發(fā)電或工業(yè)鍋爐燃燒。但隨著蘇聯的解體及發(fā)現并使用大量的石油天然氣,使煤炭地下氣化技術的研究與應用日漸萎縮。目前在獨聯體國家只有烏茲別克斯坦安格林氣化站仍在運行(該站已運行40多年）,日產100萬m3低熱值煤氣,煤氣與重油摻燒發(fā)電。

美國地下氣化試驗始于1946年,首先在亞拉馬州的淺部煤層進行試驗,利用有井式施工,采用空氣、水蒸氣、富氧空氣等不同氣化劑進行試驗,煤氣熱值為0.9～5.4 MJ/m3,后因煤氣漏失嚴重告終。20世紀70年代能源危機,美國組織29所大學和研究機構在懷俄明州進行大規(guī)模有計劃的現場試驗。政府資助的項目集中于兩種工藝類型,控制后退進氣點法(CR IP）及急傾斜煤層法(SDB）。美國能源部曾宣稱,一旦再發(fā)生能源危機,美國將廣泛使用該技術生產中熱值煤氣。

德國擁有大量的煤炭儲量,但其特點是埋藏深,且處于海底。其深層煤的儲量高達1萬億t,延伸至北海的廣大煤田深度>5000 m,用現行的采煤方法無法開采。因此,德國特別重視煤炭地下氣化技術的研究,成立了第二代采煤技術研究學會。1979年,德國與比利時在圖林聯合搞了一次試驗,試驗深度達860 m,煤層厚6 m,試驗獲得了良好效果。

英國、法國、捷克和西班牙等國也先后結合本國煤層賦存特點,對煤炭地下氣化技術進行了研究。1988年,6個歐盟成員國就煤炭地下氣化組織了一個工作小組,并于1991年10月～1998年12月,持續(xù)7年多在西班牙Terul地區(qū)的Ohiete Arino煤礦搞了一次野外試驗,耗資1200萬英鎊,試驗在中等深度(500～700 m）煤層中進行。該試驗成功地采用了鉆孔后退式供風調控方案,氣化總時間達301 h。該試驗解決了許多技術問題,同時證實了歐洲中等深度煤層實施地下氣化技術的可行性。

UCG技術對未來煤炭高技術開發(fā)意義重大,因此世界各國都十分重視,目前美國、澳大利亞、英國、南非、加拿大、印度、越南、朝鮮等國重新啟動了煤炭地下氣化技術研究。澳大利亞已有3家上市能源公司(Carbon Energy;Linc Energy;Cougar Energy）以煤炭地下氣化名義取得了國內外多處煤田資源(Blood Creek;ChinchilaEmeraldArckringa;KingaroySurat BalVictoria）,并相應建立了煤層地下氣化基地。生產的煤氣用于發(fā)電、民用燃氣、制油、化工原料。

南非Eskom能源公司一份2008年4月的報告稱:2007年1月20日點著火后,開始3000～5000 Nm3/h煤氣試驗生產,5月31日煤氣發(fā)電開始運行,正在建設7×104Nm3/h的中試生產線,年報稱2009年底將產能推進到12.5×104Nm3/h,而2010年底將擴展到62.5×104Nm3/h,目標是運行2100 MW的電站。從2007年1月20日～2008年1月20日氣化消耗煤炭約3400 t,產煤氣1314×104Nm3,達到80%的能源回收率(energy recovery）。

2 我國煤炭地下氣化發(fā)展狀況

我國于20世紀50年代曾在大同胡家灣礦、蛟河煤礦、鶴崗興山礦等10余處開展過煤層地下氣化技術的試驗。1958～1962年,我國先后在大同、皖南、沈北等許多礦區(qū)進行過自然條件下有井式煤炭地下氣化的試驗,取得了一定的成就。1984年,中國礦業(yè)大學(北京）煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心開始進行了煤炭地下氣化技術的研究,在國家“863”計劃課題的支持下,建成了具有世界先進水平的煤炭地下氣化綜合模型試驗臺和測控系統,并開展了相關的理論研究、模型試驗研究,得到了褐煤、煙煤及無煙煤地下氣化工藝參數。先后在江蘇徐州新河二號井、河北唐山劉莊煤礦、山東新汶孫村煤礦、鄂莊煤礦、山西昔陽杏丹峪煤礦等,針對不同的煤層賦存條件進行了有井式地下氣化現場試驗和生產。形成了具有我國自主知識產權的“長通道、大斷面、兩階段”煤炭地下氣化新工藝,經科研成果查新表明,該工藝構思新穎,屬國內外首創(chuàng)。

國內外氣化采煤發(fā)展情況見表1。

3 新奧煤炭地下氣化技術攻關進展

2006年10月,新奧氣化采煤有限公司和中國礦業(yè)大學(北京）簽訂了戰(zhàn)略合作協議,共同進行UCG技術的開發(fā)和推廣利用。2009年1月完成了烏蘭察布“無井式煤炭地下氣化技術”現場試驗,試驗首次建立一套煤氣生產能力為15萬Nm3/d的無井式UCG試驗研究和生產系統,通過內蒙古科技廳組織的專家鑒定。為我國開展無井式UCG技術研究提供了良好的平臺。

新奧氣化采煤烏蘭察布試驗基地自2007年4月開始動工修建,至今已經完成了“L”型、“V”型爐、“單元面采爐”的無井式地下氣化爐試驗,實現了煤氣熱值800～1200 kcal/Nm3穩(wěn)定運行500天,生產的煤氣用于燃氣鍋爐和燃氣發(fā)電,穩(wěn)步向氣化采煤產業(yè)化邁進。取得的主要成果如下。

3.1 地質準備與水文處置

根據烏蘭察布試驗現場的水文地質條件,完成了新爐型的規(guī)劃與爐型結構設計,頂板垮落及底板底鼓規(guī)律研究。形成了降壓排水技術,氣化區(qū)域水文條件終合評價。

3.2 無井式地下氣化爐的構建技術

本著地下氣化爐有控制燃燒的原則,烏蘭察布試驗基地構建了“L”型、“V”型爐、“單元面采爐”的無井式地下氣化爐并進行了氣化試驗。在建設中形成了以下技術:淺煤層爐井定向對接技術、燃空區(qū)定向貫通技術;熱作用下的固井材料與工藝;多隙煤層鉆井堵漏技術;不同功能爐井井身結構設計。

3.3 無井式地下氣化爐點火技術

針對烏蘭察布地區(qū)煤層含水的具體情況,研發(fā)了焦炭點火、燃燒彈點火、帶壓控水電點火等多種點火裝置與工藝方式并獲得專利。

表1 各國煤炭地下氣化技術實施情況

3.4 測控技術

完成氡探測和數據解釋,實現半定量分析;井下測溫試驗對燃燒區(qū)進行井下測溫;建成數據平臺與專業(yè)數據庫;實現氣化爐狀態(tài)三維動畫反演。

3.5 環(huán)境保護技術

完成建設項目環(huán)境影響評價,形成燃空區(qū)污染監(jiān)測體系與污染物防控處理處置技術。

3.6 工藝運行與穩(wěn)定技術

實現單元爐規(guī)模氣化,空氣煤氣產量25萬m3/d;完成富氧氣化試驗,富氧煤氣熱值達到1800 kcal/Nm3。3.7 煤氣應用

(1）地下氣化爐生產的煤氣通過地面初凈化,一部分供現場蒸汽鍋爐燃燒,用于取暖和水蒸氣供應。

(2）初凈化后的煤氣一部分直接供3臺500 kW燃氣發(fā)電機發(fā)電。至今已發(fā)電1770881 kW/h。

4 前景與展望

UCG技術在世界上已有幾十年的研究經驗,由工業(yè)性試驗進入到實現產業(yè)化還需要一段時間,但隨著科學技術的迅猛發(fā)展一定會縮短這段進程,特別是可供開采的石油天然氣資源在今后將逐漸減少,作為一次性能源煤炭的合理利用,在環(huán)境保護要求潔凈煤技術高度發(fā)展的今天,煤炭的地下氣化與綜合利用更具有現實意義。

UCG技術可大大提高煤炭資源的利用率和利用水平,對充分發(fā)揮我國煤炭資源的優(yōu)勢、生產清潔能源、調整我國能源結構與保障能源安全供應具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

新奧集團作為一個負責任的民營企業(yè)敢“啃”這塊骨頭,具有深遠的前瞻性、民族自信心和為人類做貢獻的勇氣。新奧煤炭地下氣化工作得到了黨和國家的大力支持,前國家主席江澤民題詞:“中國礦業(yè)大學煤炭地下氣化實驗對煤炭資源的定位利用以及經濟效益來講值得進一步研究”?？萍疾繃H合作項目、“863”重點攻關等項目已將給予重點支持。新奧氣化采煤有限公司與中國科學院、華東理工大學煤氣化教育部重點實驗室、華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室、中國礦業(yè)大學(北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室建立了戰(zhàn)略合作關系,并以技術輸出的形式同波蘭、巴基斯坦等國建立了合作開發(fā)聯系;與國內襄礦集團已實施合作開發(fā)合同,與太原、雞西、新疆、河南、云南等省、市煤礦集團簽訂了合作開發(fā)意向書。氣化采煤的春天已經來臨,相信不久的將來,一座座氣化采煤的新城將雨后春筍般的拔地而起,我們再也聽不到因煤礦瓦斯爆炸、透水事故而引起的哭聲……。

[1] 張祖培.煤炭地下氣化技術[J].探礦工程,2001,(1）:6-9.

[2] 趙守國,等.我國煤炭地下氣化試驗的進展與反應過程[J].煤氣與熱力,2000,(3）:212-213.

[3] 國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃）重點項目立項可行性論證報告[Z].新奧氣化采煤有限公司,2010.

Techn ical Situation of Underground Coal Gasification in China and Abroad and the Study Progress of ENN

ZHANGM ing1,2,WANG Shi-peng1,2(1.State Key Laboratory of Coal-based Low Carbon Energy,ENN Group Co.,Ltd., Langfang Hebei 065001,China;2.ENN Coal Gasification Mining Co.,Ltd,Langfang Hebei 065001,China）

The paper introduced the development situation and the newest progress of coal bed underground gasification in China and abroad,illustrated the advantages of underground coal gasification and the tough course of technology develop-ment.Underground coal gasification(UCG）is an importantway to issue a series of technical and environmental problems in the traditionalmethod of coal mining.The introduction was made on the improvement results of non-well type under-ground coal gasification in ENN Group and the prospect of underground gasification coalminingwas forecasted.

coalmining;underground coal gasification;non-well type underground coal gasification;ENN

TD84

:A

:1672-7428(2010）10-0014-03

2010-09-10

國際合作項目(2009DFR60180）

張明(1962-）,男(漢族）,河北人,新奧氣化采煤有限公司副總機械師、教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),博士后,從事氣化采煤技術研究工作,河北省廊坊開發(fā)區(qū)。