煤地下氣化技術的研究進展

郭 華

(中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院工藝系統(tǒng)室，吉林 吉林 132002)

煤地下氣化技術的研究進展

郭 華

(中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院工藝系統(tǒng)室，吉林 吉林 132002)

在世界能源消費結構上，煤炭占有重要的地位。但傳統(tǒng)的煤炭開采利用方式不但嚴重污染環(huán)境，效率較低，僅能采出煤炭儲量的 15%左右，且伴隨著地表沉降、工作環(huán)境危險、機械耗能高等不利因素。煤地下氣化技術是將處于地下的煤炭進行氣化產生煤氣的一種清潔的能源利用技術。本文對煤地下技術的基本原理、發(fā)展背景以及關鍵技術的進展進行了分析和討論，以期為煤地下氣化早日實現(xiàn)產業(yè)化提供一定參考。

地下煤氣化;有井法;無井法;煤清潔利用技術

人類所利用的能源主要來源于煤炭、石油、天然氣、核能、風能、太陽能以及生物質能等。其中，全球 80%以上的能源來源于煤炭、石油和天然氣等化石能源。對于我國而言，煤炭的儲量相對豐富，石油和天然氣的儲量相對貧乏。有資料顯示，目前，在我國的能源消費結構中，煤炭一直占消費總量的60%以上[1]。 一直以來，我國都是采用傳統(tǒng)的煤炭利用方式，即將煤炭由地下開采出來，然后通過直接燃燒的方式獲取能量，這種方法不僅效率低，還造成了嚴重的污染。盡管近年來，我國大力發(fā)展了煤化工產業(yè)，極大的提高了煤炭利用效率，但環(huán)境污染問題一直無法得到有效的解決。同時，傳統(tǒng)的開采方式僅能采出煤炭儲量的 15%左右，且伴隨著地表沉降、工作環(huán)境危險、機械耗能高、透水、瓦斯氣等不利因素[2]。煤地下氣化技術是一種新興的煤炭利用技術，將埋藏在地下的煤炭就地進行有控制的燃燒，使煤炭通過化學反應與熱作用產生可燃氣體輸送出來，具有井下無人、無設備，集建井、采煤、氣化三大工藝合為一體的三合一工藝特點，有望能有效的避免上述傳統(tǒng)利用方式產生的問題[3]。本文對近年來地下煤氣化技術的進展進行了分析和討論

1 地下煤氣化的發(fā)展背景

100 多年前，英國科學家威廉·西蒙斯首先提出了煤地下氣化的概念并進行了相關的實驗研究，但隨著第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，煤地下氣化的研究中斷[4]。上世紀 30 年代，前蘇聯(lián)開始進行煤地下氣化現(xiàn)場試驗，并在 1940～1961 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[5]。上世紀 50年代，美國和西歐也都進行了煤地下氣化的科學研究，但由于一些技術上的瓶頸，到上世紀 50 年代末都停止了試驗。上世紀 60～90 年代，盡管地下煤氣化的相關研究步入低谷，但世界各國仍有一些機構進行研究，除前蘇聯(lián)外，還有美國、德國、比利時、英國、法國、波蘭、捷克、日本等國家。其中美國對煤地下氣化研究試驗投入了大量經費，其中桑迪亞國家實驗等研究機構應用新技術進行了煤地下氣化的實驗室研究和現(xiàn)場試驗，到 20 世紀 80 年代中期，共進行了 29 次現(xiàn)場試驗，累計氣化煤炭近 4 萬噸[6]。近十年來，由于環(huán)保意識的增強，地下煤氣化研究重新引起了世界各國的關注。截止到 2012年，前蘇聯(lián)地區(qū)有超過 250 套地下煤氣化中試裝置，而美國的數(shù)量為 50 套左右，此外，在南非、中國、澳大利亞、加拿大、新西蘭和西歐等地區(qū)也分布著50 多套地下煤氣化中試裝置[7]。

我國也對煤地下氣化技術進行了大量的科學研究。 自上世紀 50 年代以來， 我國先后在大同、 皖南、沈北、黑龍江伊蘭煤礦、新密煤田下莊河煤礦等許多礦區(qū)進行了自然條件下煤炭地下氣化的試驗，并取得了可喜的成果[8]。

2 煤地下氣化技術

2.1 煤地下氣化技術的基本原理

煤地下氣化的基本原理與目前地表煤氣化裝置的基本原理類似，唯一的區(qū)別是地表煤氣化是在氣化爐中進行，而煤地下氣化在地下進行[9]。圖 1 為煤地下氣化工藝的示意圖，氧氣或空氣通過注入井打入到煤層內部與煤層發(fā)生反應，產生的粗煤氣則由產品出口井采出，氣化后的灰渣留在地下，一定程度上也緩解了傳統(tǒng)開采方式造成的采空區(qū)地面沉降或塌陷等問題[10]。

圖1 煤地下氣化工藝流程示意圖

2.2 煤地下氣化的技術類型

目前，成功應用于產業(yè)化的煤地下氣化工藝的基本技術主要有兩大類型：有井式煤地下氣化工藝和無井式煤地下氣化工藝， 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。在具體的工程應用中，需綜合考察煤層的地質特征，煤礦的位置和采煤量等因素，合理的選擇地下煤氣化工藝。

2.2.1 有井式煤地下氣化工藝

有井式煤地下氣化工藝，又稱巷道式地下氣化爐技術。就是在開采或廢棄的煤礦井中建地下氣化爐，以人工掘進的方式在煤層中建立氣化巷道。此種方式中氣化系統(tǒng)主要由進氣通道、輔助通道和出氣通道組成，氣化區(qū)在同一煤層內連通各孔，但由于受煤層地應力和溫度制約，因此人工豎井部分深度有限。這種方法是最初開發(fā)的地下煤氣化方法，但此法須進行井下施工，作業(yè)環(huán)境和安全性差，限制了其工程化應用[11]。依據(jù)氣化井的不同類型，有井式煤地下氣化工藝又可詳細分為以下幾種：

(a) 密閉氣化區(qū)煤地下氣化工藝

這種方法是在開采或廢棄的煤礦井中以人工掘進的方式在煤層中建立氣化巷道，并在進氣孔底部巷道筑一道墻，使坑道與墻之間形成一個密閉氣化區(qū)，然后便可將密閉墻前面的煤炭點燃氣化，粗合成氣由巷道的另一側輸送至地面。但該方法的氣化效率嚴重依賴煤層的通風性，同時粗合成氣的成分隨操作條件的變化而變化[12]。

(b) 鉆孔煤地下氣化工藝

這種方法需在煤層中掘出兩條平行的巷道，且這兩條巷道之間的距離要足夠大，由一系列鉆孔相連，在每個鉆孔上設置遠程控制點火系統(tǒng)。這種方法適用于平伏礦層[11]。

(c) 流動煤地下氣化工藝

這種方法適用于傾斜的煤地層。兩條平行的巷道沿著煤層傾斜的方向，在煤層底部由一條水平的巷道連接，煤氣化過程在水平巷道發(fā)生，并沿著該巷道的壁面向地面延伸。在兩條傾斜的巷道中，一條用于輸送空氣或氧氣，一條用于采出粗合成氣。這種方法的最大優(yōu)點是反應產生的煤灰不斷的由水平巷道頂落下，填補采空區(qū)，一定程度上避免了其他方法中煤灰覆蓋于氣化表面造成氣化過程的熄滅。

(d) 長通道、大斷面兩階段煤地下氣化工藝

兩階段煤地下氣化工藝是中國礦業(yè)大學提出的是一種分階段供給空氣和水蒸汽的地下氣化方法。第一階段鼓入空氣或氧氣，煤層發(fā)生燃燒，放出大量的熱，并積蓄在煤層中，溫度逐步上升，產生理想的溫度場。然后鼓入水蒸汽，水蒸汽與熾熱的煤層發(fā)生反應，產生高熱值的粗合成氣。兩階段地下煤氣化工藝與氣化區(qū)的規(guī)模密切相關。如果氣化區(qū)小，第一階段積蓄的熱量不夠，鼓入水蒸汽時，熱量會被迅速消耗掉，致使爐內溫度下降，第二階段無法持續(xù)較長的時間。因此，建造長通道、大斷面氣化區(qū)有利于兩階段地下氣化。2000 年以后"長通道、大斷面"兩階段煤地下氣化工藝在山東新汶孫村 、協(xié)莊、張莊、鄂莊和肥城曹莊，山西昔陽， 遼寧鐵法和阜新，四川、江蘇、河北等地取得了較好的應用效果[13]。該工藝特別適用于報廢礦井和老礦井遺棄煤炭資源的回收。

2.2.2 無井式地下煤氣化工藝

近年來，隨著定向鉆孔技術的發(fā)展，無井式地下煤氣化方法日益成為研究熱點。無井式地下煤氣化工藝的過程為：在地表上按照一定的網絡布置向煤層鉆出一些鉆孔，這些鉆孔包括輸送空氣的進氣孔和采出煤氣的出氣孔。對鉆孔在煤層中進行孔底火力貫通，形成氣化通道。在氣化通道中進行遠程點火，使煤層發(fā)生氣化產生煤氣并由出氣口采出。

根據(jù)氣化通道的注氣方式，無井式地下氣化技術可分為兩類：通道貫通法(linked vertical well)和控制后退注氣點法(controlled retractable injectionpoint)[14]。

(a) 通道貫通法

通道貫通法是傳統(tǒng)的煤地下氣化的方法之一。該方法包括兩條由地表到煤層的垂直孔，一條作為空氣進氣孔，一條作為煤氣采出孔。在煤層中，通過一系列氣化通道貫通兩條垂直孔，氣化通道采用定向鉆進技術施工或采取火力滲透貫通、水力壓裂貫通、電力貫通等。其中火力滲透貫通容易掌握，設備簡單，但貫通速度慢，能耗大，貫通方向不準確；高壓火力滲透貫通速度較快，能耗較低，但易損壞巖層，鉆孔底部易自燃，貫通方向也不準確；電力貫通速度較快，能耗低，但具有設備較復雜，操作不夠簡便等缺點；水力壓裂貫通速度快，電耗小，但設備復雜，操作不方便，液流不易控制；定向鉆進貫通；速度快，能耗低，通道面規(guī)整，方向性強，最具發(fā)展前景，但成本較高[15]。

(b) 控制后退供風點法

由于地下煤層的地理結構非常復雜，造成地下煤氣化系統(tǒng)的操作條件及性能發(fā)生變化，過去為解決這個問題，常采用多個空氣注入孔和產氣孔的方法，大大增加的生產成本。為此，20世紀70年代，美國開發(fā)了控制后退供風點法[16-17]，該方法只分別需要一個空氣注入孔和產氣孔，通過供風點移動完成煤氣化過程?？刂坪笸斯╋L點技術原理是把定向鉆進和反向燃燒結合在一起，定向鉆孔先打出垂直空氣注入孔和產氣孔，到達煤層后，從注入孔沿煤層底板繼續(xù)打水平孔，直到與產氣孔底部相交，然后在鉆孔中下套管；開始氣化時，用移動點火器在靠近產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，一直燒到煤層頂板，待頂板開始塌落時，注入點后退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，如此逐段向垂直注入孔移動[18]，該過程如圖2所示。

圖2 控制后退供風點法示意圖[15]

3 結論

煤地下氣化技術作為一種新興的煤炭利用技術，與地面氣化煤氣相比，不但具有成本低、質量優(yōu)等優(yōu)點，氣化后的灰渣留在地下，減少了固廢的排放，一定程度上也緩解了煤炭開采后造成的地面沉降等問題，大大減少了煤炭開采和使用過程中對環(huán)境的破壞。但是煤地下氣化技術不能替代常規(guī)采煤方法，只適用于常規(guī)方法不可采或開采不經濟的煤層，如深度煤層、高灰高硫劣質煤、急傾斜煤層和薄煤層，是提供潔凈能源的一種新的開發(fā)途徑。此外，煤地下氣化對環(huán)境的損害也是尚待解決的一個重大問題，如氣化殘留物中的有害有機物和金屬對地下水的污染，氣化區(qū)的地面塌陷以及粗煤氣凈化系統(tǒng)排放物對環(huán)境的影響等問題也必須加以考慮。

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(本文文獻格式：郭 華.煤地下氣化技術的研究進展[J].山東化工，2016，45(08)：39-41.)

Progress and Prospects on Underground Coal Gasification Technology

Guo Hua

(CNPC Northeast Refining & Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,JiLin Design Institute, Jilin 132002,China)

Currently, the coal is very important in the world's energy structure. The coal traditional utilizing way not only pollutes circumstance severely, but also has other issues including low efficiency (only 15%to 20% of the total coal resources can be recovered in this manner), land subsidence, high machinery costs, hazardous work environments, coal transport requirements, and so on. Underground coal gasification is a newer type of coal utilizing method that is being investigated and implemented around the world and that avoids most of the problems of coal traditional utilizing way. This paper reviews key concepts, development background and technologies of underground coal gasification, which can provide insights into this developing coal conversion method.

underground coal gasification;shaft underground coal gasification methods;shaftless underground coal gasification methods;clean coal utilization technology

2016-03-10

郭 華(1965—)，女，吉林省吉林市人，高級工程師，大學本科，任職于中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院工藝系統(tǒng)室，從事石油化工相關領域的工程工藝設計及開發(fā)。

TQ021.4

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1008-021X(2016)08-0039-03