煤炭地下氣化:安全、高效、綠色的煤炭開(kāi)采技術(shù)
——訪中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心主任、新奧智能能源集團(tuán)氣化采煤首席科學(xué)家梁杰

本刊記者 康淑云 梁子榮

煤炭地下氣化:安全、高效、綠色的煤炭開(kāi)采技術(shù)
——訪中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心主任、新奧智能能源集團(tuán)氣化采煤首席科學(xué)家梁杰

本刊記者 康淑云 梁子榮

梁杰,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)教授,博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心主任,兼任國(guó)家自然科學(xué)基金委基金評(píng)審專(zhuān)家、山東省“泰山學(xué)者”、寧夏回族自治區(qū)人民政府特聘專(zhuān)家、多家企業(yè)技術(shù)中心技術(shù)委員會(huì)委員。作為中國(guó)煤炭地下氣化領(lǐng)域承上啟下的關(guān)鍵領(lǐng)軍人,到2010年,他已在煤炭地下氣化領(lǐng)域整整求索開(kāi)拓了25年。2009年,他負(fù)責(zé)的內(nèi)蒙烏蘭察布“無(wú)井式煤炭地下氣化技術(shù)研究”項(xiàng)目已成功通過(guò)權(quán)威鑒定,正在進(jìn)行工業(yè)化示范。國(guó)家能源局相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此項(xiàng)目給予高度評(píng)價(jià)和肯定。為了讓更多的人了解煤炭地下氣化技術(shù)及其項(xiàng)目進(jìn)展情況,本刊記者對(duì)梁杰教授進(jìn)行了專(zhuān)訪。

1 早期開(kāi)展的西方煤炭地下氣化

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,UCG)就是將埋藏在地下深處的煤炭進(jìn)行有控制地燃燒,通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。該過(guò)程集建井、采煤、地面氣化三大工藝于一體,變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤,由采煤變?yōu)椴蓺?因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)代煤炭開(kāi)采和利用技術(shù)的重要補(bǔ)充,深受世界各國(guó)的重視。聯(lián)合國(guó)在1979年“世界煤炭遠(yuǎn)景會(huì)議”上明確指出,發(fā)展UCG技術(shù)是世界煤炭開(kāi)采的研究方向之一,是從根本上解決傳統(tǒng)開(kāi)采方法存在的一系列技術(shù)和環(huán)境問(wèn)題的重要途徑。

煤炭地下氣化技術(shù)是前蘇聯(lián)偉大的化學(xué)家門(mén)捷列夫在1888年首次提出的。1940年,前蘇聯(lián)在頓巴斯和莫斯科近郊有兩個(gè)煤炭地下氣化站投入生產(chǎn),從而成為世界上進(jìn)行地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最早的國(guó)家和工業(yè)應(yīng)用成功的國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì),到1965年,前蘇聯(lián)共利用1500萬(wàn)t煤生產(chǎn)500億m3低熱值煤氣,所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電或工業(yè)鍋爐燃燒。

以美國(guó)為代表的西方國(guó)家在第一次能源危機(jī)時(shí)期,曾用十幾年的時(shí)間專(zhuān)注深部煤炭資源的無(wú)井式地下氣化,取得了豐碩成果。美國(guó)在1987-1988年完成的洛基山-1號(hào)試驗(yàn),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,為煤炭地下氣化技術(shù)走向商業(yè)化道路創(chuàng)造了條件。政府資助項(xiàng)目集中于兩種工藝類(lèi)型——控制后退進(jìn)氣點(diǎn)法(CRIP)及急傾斜煤層法(SDB)。私營(yíng)企業(yè)參與了這些項(xiàng)目的研究,并繼續(xù)參與開(kāi)發(fā)和商業(yè)化活動(dòng),利用地下煤氣化的產(chǎn)品來(lái)發(fā)電、生產(chǎn)化學(xué)品和液體燃料。

英國(guó)于1949年恢復(fù)中斷了30多年的煤炭地下氣化試驗(yàn),曾進(jìn)行了U型爐火力、電力和定向鉆進(jìn)等貫通試驗(yàn),還進(jìn)行了單爐、盲孔爐等試驗(yàn),積累了豐富的資料。英國(guó)在有井式盲孔爐研究上取得了較大的成功,曾用有井式盲孔爐組成的復(fù)合爐,一次氣化20萬(wàn)t煤,煤氣直接用于一個(gè)5000 kW的電廠發(fā)電。英國(guó)計(jì)劃用地下氣化技術(shù)開(kāi)采千米以下的深部煤炭和海下煤炭資源,并與我國(guó)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心建立了合作交流關(guān)系。

2 中國(guó)煤炭地下氣化技術(shù)的進(jìn)展

2.1 中國(guó)發(fā)展煤炭地下氣化的重要意義

中國(guó)是以煤為主要能源的國(guó)家,在一次能源中煤占70%以上。煤炭地下氣化不僅可以回收老礦井遺棄的煤炭資源,而且可以用于開(kāi)采井工難以開(kāi)采的或開(kāi)采經(jīng)濟(jì)性、安全性差的薄煤層、深部煤層和“三下”壓煤,以及高硫、高灰、高瓦斯煤層等,大大提高了我國(guó)煤炭資源的利用率。煤炭地下氣化過(guò)程燃燒的灰渣留在地下,大大減少了地表塌陷量,無(wú)固體物質(zhì)排放,因此,煤炭地下氣化減少了對(duì)地表的環(huán)境破壞。地下氣化出口煤氣可以集中凈化,脫除其中的焦油、硫和粉塵等有害物,從而得到潔凈的煤氣。該煤氣不僅可以作為燃料用于民用、發(fā)電(包括聯(lián)合循環(huán)發(fā)電)、工業(yè)鍋爐燃燒,而且還可以作為原料氣生產(chǎn)合成氨、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等或用于提取純氫。因此,煤炭地下氣化技術(shù)將環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)放在源頭,而非末端治理,是一項(xiàng)符合可持續(xù)發(fā)展需要的環(huán)境友好的綠色技術(shù),并且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 中國(guó)煤炭地下氣化富有成效的實(shí)踐

我國(guó)在20世紀(jì)五六十年代學(xué)習(xí)前蘇聯(lián),由煤科總院牽頭,于1958-1962年先后在大同、皖南、沈北等許多礦區(qū)進(jìn)行過(guò)自然條件下煤炭地下氣化的試驗(yàn),取得了一定成就,但文革期間中斷了。進(jìn)入20世紀(jì)80年代,我國(guó)煤炭回采率還普遍很低,大量煤礦的邊角煤和眾多遺留煤柱白白遺棄在地下。同時(shí),受全球能源危機(jī)影響,我國(guó)能源緊缺,煤炭供應(yīng)嚴(yán)重不足。梁教授介紹說(shuō),在這種情形之下,為回收老礦井遺棄的煤炭資源,提高我國(guó)煤炭資源的利用率,在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)余力教授倡導(dǎo)和帶領(lǐng)下,成立了煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心,重新開(kāi)始了我國(guó)煤炭地下氣化技術(shù)的研究。余力教授畢業(yè)于莫斯科礦業(yè)學(xué)院,是我國(guó)煤炭地下氣化技術(shù)的開(kāi)拓者。

1985年,梁杰教授從華中科技大學(xué)畢業(yè)來(lái)到中國(guó)礦業(yè)大學(xué),加入了余力教授領(lǐng)導(dǎo)的煤炭地下氣化科研團(tuán)隊(duì),開(kāi)啟了煤炭地下氣化技術(shù)研究的征程。憑借其在燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等方面良好的專(zhuān)業(yè)知識(shí),梁杰成為余力教授的得力助手,并在余力教授的指導(dǎo)下,完成了有關(guān)地下氣化研究的碩士論文、博士論文和博士后出站報(bào)告。

煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心于1987年完成了江蘇省“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目——徐州馬莊礦煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)月,產(chǎn)氣16萬(wàn)m3,煤氣平均熱值為4.2 MJ/m3。試驗(yàn)表明,在礦井遺棄煤層中進(jìn)行地下氣化是可行的,安全是有保障的。這次成功的、并很有現(xiàn)實(shí)意義的煤炭地下氣化的具體實(shí)踐,讓人們重新認(rèn)識(shí)了地下氣化,說(shuō)明井下的燃燒安全完全可以控制。

煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心于1994年完成了國(guó)家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目——徐州新河二號(hào)井煤炭地下氣化半工業(yè)性試驗(yàn)。連續(xù)氣化時(shí)間約10個(gè)月,先進(jìn)行空氣連續(xù)氣化試驗(yàn),鼓風(fēng)煤氣的平均熱值為5.02 MJ/m3,煤氣供工業(yè)鍋爐燃燒;又進(jìn)行了多次兩階段氣化試驗(yàn),其地下水煤氣氫含量在40%以上,熱值在10.47 MJ/m3左右,生產(chǎn)的地下水煤氣送往徐州市煤氣公司供居民使用。經(jīng)科研成果查新表明,余力教授發(fā)明的“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”地下氣化工藝構(gòu)思新穎,屬?lài)?guó)內(nèi)外首創(chuàng),半工業(yè)性試驗(yàn)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

長(zhǎng)通道、大斷面是針對(duì)氣化爐結(jié)構(gòu)而言,它是有井式氣化爐和無(wú)井式氣化爐合為一體的混合氣化爐形式。進(jìn)氣通道、排氣通道、輔助進(jìn)排氣通道可由地面打鉆施工,也可以借助于礦井已有的井筒和巷道輔設(shè)進(jìn)、排氣管。氣化通道、氣流通道則利用人工在井下施工,因此一般礦井都可以利用自己的技術(shù)和物質(zhì)條件建設(shè)該氣化爐,建爐大部分工作為煤巷掘進(jìn)。由于通道斷面大、氣流流動(dòng)阻力小,降低了供風(fēng)壓力和電耗,從而降低了煤氣生產(chǎn)成本,且有利于礦井安全。兩階段煤炭地下氣化工藝,是一種循環(huán)供給空氣(或純氧、富氧空氣)和水蒸汽的地下氣化方法。每個(gè)循環(huán)由兩個(gè)階段組成,第一階段為鼓空氣(氧氣)燃燒蓄熱,生產(chǎn)鼓風(fēng)(鼓氧)煤氣的階段;第二階段為鼓水蒸汽、生產(chǎn)熱解煤氣和水煤氣的階段,從而能生產(chǎn)中熱值煤氣。

20世紀(jì)90年代末,煤炭供過(guò)于求,各地煤炭企業(yè)都在為煤炭找出路,有的企業(yè)認(rèn)為煤炭地下氣化也許可以幫上忙。此時(shí)梁杰教授及其團(tuán)隊(duì)在唐山市的劉莊礦(緊挨開(kāi)灤集團(tuán)唐山礦)進(jìn)行了工業(yè)化示范性地下氣化的生產(chǎn),這次持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),共5年時(shí)間連續(xù)產(chǎn)氣,供給當(dāng)?shù)氐奶沾蓮S。最后由于唐山市擴(kuò)建不得已關(guān)閉了。

梁杰教授說(shuō),山東新汶礦業(yè)集團(tuán)在20世紀(jì)五六十年代進(jìn)行了煤炭地下氣化的嘗試,進(jìn)入90年代末,為了解決礦區(qū)居民的用氣問(wèn)題,同時(shí)回收邊角煤柱,當(dāng)時(shí)的董事長(zhǎng)郎慶田很有魄力,決定采用煤炭地下氣化技術(shù)解決上述問(wèn)題。自2000年以來(lái),新汶礦業(yè)集團(tuán)先后在孫村、協(xié)莊、鄂莊和張莊煤礦建立了4座地下氣化站,開(kāi)展了長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段煤炭地下氣化工藝工業(yè)示范,氣化的全是邊角煤和薄煤層。生產(chǎn)的煤氣通過(guò)礦區(qū)局部管網(wǎng)供居民直接使用,或用于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、工業(yè)窯爐燃燒。完成了國(guó)家“863計(jì)劃”課題——煤炭地下氣化穩(wěn)定控制技術(shù)研究和國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目——煤炭地下氣化技術(shù)工業(yè)性試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)任務(wù)。項(xiàng)目進(jìn)行期間,梁杰教授好幾個(gè)月幾乎吃住在現(xiàn)場(chǎng),解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程遇到的一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題,積累了豐富經(jīng)驗(yàn),取得了珍貴的第一手資料和數(shù)據(jù),形成了許多創(chuàng)新性成果。

據(jù)梁杰教授介紹,我國(guó)相繼在黑龍江伊蘭煤礦、河南鶴壁三礦、新密煤田下莊河煤礦進(jìn)行了礦井式氣化方法的試驗(yàn)研究,也取得了可喜的成果。

3 中國(guó)煤炭地下氣化的創(chuàng)新成果

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著人們對(duì)提高資源利用率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)日漸增強(qiáng),許多知名學(xué)者呼吁加大煤炭地下氣化研發(fā)的投入和開(kāi)發(fā)力度。面對(duì)新形勢(shì),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心與河北新奧集團(tuán)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手,開(kāi)發(fā)面向新煤田的無(wú)井式煤炭地下氣化技術(shù)。新奧集團(tuán)是專(zhuān)門(mén)從事新能源開(kāi)發(fā)與利用的新型民營(yíng)企業(yè),集團(tuán)主席王玉鎖不僅有魄力,做事效率高,還對(duì)新技術(shù)有很高的判斷力,并有著很強(qiáng)的社會(huì)責(zé)任感。通過(guò)和余力教授、梁杰教授的交流,王主席非常認(rèn)同地下氣化技術(shù)的先進(jìn)性,對(duì)其產(chǎn)業(yè)化前景及其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益深信不疑。

2006年10月,新奧集團(tuán)專(zhuān)門(mén)成立了新奧氣化采煤有限公司,并與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)簽定了戰(zhàn)略合作協(xié)議,共同開(kāi)展煤炭地下氣化技術(shù)的研究與應(yīng)用,并在內(nèi)蒙古烏蘭察布市選點(diǎn)進(jìn)行“無(wú)井式煤炭地下氣化技術(shù)”的試驗(yàn)研究。該項(xiàng)目于2007年1月開(kāi)始實(shí)施,4月開(kāi)始在烏蘭察布弓溝煤田進(jìn)行氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè),10月24日氣化爐點(diǎn)火成功,2009年1月13日通過(guò)內(nèi)蒙古科學(xué)技術(shù)廳主持的技術(shù)鑒定。當(dāng)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已運(yùn)行400余天,已形成了一批有價(jià)值的創(chuàng)新性研究成果,申請(qǐng)了9項(xiàng)專(zhuān)利。鑒定組專(zhuān)家們一致認(rèn)為,該項(xiàng)目首次在我國(guó)建立了無(wú)井式煤炭地下氣化試驗(yàn)研究和生產(chǎn)系統(tǒng),為我國(guó)開(kāi)展無(wú)井式煤炭地下氣化技術(shù)研究提供了良好平臺(tái);創(chuàng)新地構(gòu)建了全新結(jié)構(gòu)的地下氣化爐型,實(shí)現(xiàn)了由“線(xiàn)”氣化向“面”氣化的過(guò)渡,使地下氣化爐結(jié)構(gòu)更為先進(jìn)、合理和可靠;創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了“氣化通道貫通技術(shù)”、“氣流通道疏通技術(shù)”、“無(wú)井式地下氣化爐點(diǎn)火技術(shù)”和“無(wú)井式地下氣化過(guò)程穩(wěn)定控制技術(shù)”等,解決了氣化爐構(gòu)建和運(yùn)行的核心技術(shù)問(wèn)題;建立了無(wú)井式氣化過(guò)程參數(shù)測(cè)量與控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了氣化工藝參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量、遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)分析處理等功能;成功地連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)出合格的空氣煤氣和富氧煤氣,并用于蒸汽鍋爐燃燒和內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電,在工業(yè)應(yīng)用上取得了較好成果。上述成果在煤炭地下氣化技術(shù)研究領(lǐng)域取得了歷史性的重大突破。

聽(tīng)了梁杰教授的介紹,我們不禁感嘆,烏蘭察布項(xiàng)目是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)與新奧集團(tuán)產(chǎn)學(xué)研的完美結(jié)合,在不到兩年時(shí)間內(nèi)取得了如此非凡的業(yè)績(jī)。在我們?cè)儐?wèn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中心自成立以來(lái)都取得哪些重要成果時(shí),梁杰教授說(shuō),該中心除了進(jìn)行上述工業(yè)性試驗(yàn)外,在國(guó)家“863計(jì)劃”課題和“211”工程項(xiàng)目的支持下,還建成了具有世界先進(jìn)水平的煤炭地下氣化綜合試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)控系統(tǒng),可以開(kāi)展多種相關(guān)理論研究、模型試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。在該試驗(yàn)臺(tái)上,他們已完成褐煤、煙煤及無(wú)煙煤地下氣化模型試驗(yàn)。研究了煤層傾角、煤層厚度、氣化通道長(zhǎng)度等對(duì)氣化過(guò)程的影響,同時(shí)研究了空氣氣化、不同富氧濃度氣化、富氧—水蒸汽連續(xù)氣化工藝及正反向供風(fēng)、推進(jìn)式供風(fēng)、分離供風(fēng)(排氣)等氣化工藝;完善了長(zhǎng)通道、大斷面地下氣化爐結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù),提出并研究了“變截面流道煤層地下氣化爐”和“分離控制注氣點(diǎn)煤炭氣化爐”。他們還以出口煤氣的組分及產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù),研究了煤層地下氣化時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律及穩(wěn)定控制技術(shù),得到了褐煤、煙煤及無(wú)煙煤地下氣化工藝參數(shù),特別是在富氧—水蒸汽連續(xù)氣化條件下的汽氧比、噸煤產(chǎn)氣率、比消耗量、氣化效率、煤層氣化率等。在煤炭地下氣化過(guò)程溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣化反應(yīng)速率、燃空區(qū)擴(kuò)展規(guī)律、氣化過(guò)程穩(wěn)定性、測(cè)控技術(shù)及CO2減排技術(shù)等方面做了大量的理論研究工作。

4 煤炭地下氣化技術(shù)的廣闊前景

梁杰教授說(shuō),當(dāng)前,加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,加大節(jié)能環(huán)保力度和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為下一階段我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要任務(wù),這給煤炭地下氣化技術(shù)帶來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。據(jù)統(tǒng)計(jì),到2020年我國(guó)將有500多處報(bào)廢礦井,遺棄資源儲(chǔ)量目前在300億t以上,煤炭地下氣化技術(shù)可以部分回收這些資源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)褐煤資源約3700億t,主要分布在內(nèi)蒙古和新疆地區(qū);已探明埋深在1000 m以下的煤炭資源 約2.9萬(wàn)億t,僅寧夏自治區(qū)就有3000億t。沿西氣東輸管線(xiàn)適合于無(wú)井式氣化的深部煤炭資源約4776.4億t,地下氣化煤氣可用于合成天然氣。同時(shí),地下氣化是一種相對(duì)安全系數(shù)較高的采煤方式,實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的安全開(kāi)采,對(duì)改變我國(guó)煤炭企業(yè)高事故率的現(xiàn)狀有積極的效應(yīng),具有很好的社會(huì)效益。

因此,梁杰教授認(rèn)為煤炭地下氣化技術(shù)具有很好的前景。但他也告誡說(shuō),“煤炭地下氣化技術(shù)絕不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的技術(shù),更不是一蹴而就的技術(shù),其困難程度非一般采煤技術(shù)所能及,它融合了煤炭地下開(kāi)采與地面氣化等多個(gè)學(xué)科,在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中還有許多問(wèn)題要解決。但任何一項(xiàng)偉大的事業(yè)都不是一代人就能夠完成的,從19世紀(jì)的門(mén)捷列夫到21世紀(jì)的我們,都是抱著這種信念克服各種艱難險(xiǎn)阻一直前行的?，F(xiàn)在雖然取得了一些階段性成績(jī),受到了一些關(guān)注,但更應(yīng)該保持清醒的頭腦,繼續(xù)扎實(shí)前行。希望通過(guò)《中國(guó)煤炭》雜志這個(gè)平臺(tái),能讓更多的人了解煤炭地下氣化技術(shù),能有更多有志于投身到煤炭地下氣化技術(shù)研究的人士加入我們,共同創(chuàng)造新的輝煌。”

采訪結(jié)束了,但梁杰教授說(shuō)的話(huà)仍在耳邊回響。是啊,任何一項(xiàng)偉大的事業(yè)都不是一代人就能夠完成的,地下氣化事業(yè)就像實(shí)現(xiàn)我們偉大祖國(guó)復(fù)興的事業(yè)一樣,需經(jīng)歷幾代人的不懈努力。但只要努力,就會(huì)看到希望。我們相信煤炭地下氣化技術(shù)定會(huì)為我國(guó)煤炭的安全綠色開(kāi)采開(kāi)辟更加廣闊的新天地。

(責(zé)任編輯 宋瀟瀟)