煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)展與啟示

張金華，張夢(mèng)媛，陳艷鵬，陳振宏，陳 浩，東 振，陳姍姍，薛俊杰

（中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引 言

煤炭地下氣化是指將地層中的煤炭通過(guò)適當(dāng)工程工藝技術(shù)，在地下原位進(jìn)行有控制的不完全燃燒，通過(guò)煤的熱解以及煤與氧氣、水蒸氣發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生CH4、H2、CO 等可燃合成氣的過(guò)程［1-2］。 作為一種煤原位清潔轉(zhuǎn)化技術(shù)，煤炭地下氣化變物理采煤為化學(xué)采煤，具有安全性高、環(huán)境友好、高效等特點(diǎn)［2-3］，符合綠色低碳能源發(fā)展方向。中國(guó)含油氣盆地煤系發(fā)育，超出煤炭企業(yè)井工開(kāi)采深度、埋深1 000 ～3 000 m 的煤炭資源量就達(dá)到3.77×1012t，初步預(yù)計(jì)可氣化煤炭折合天然氣資源量為（272 ～332）×1012m3，是常規(guī)天然氣資源量的3 倍［1］。

近年來(lái)，為了探索煤炭地下氣化理論與工藝技術(shù)，相繼實(shí)施了一系列現(xiàn)場(chǎng)氣化試驗(yàn)，如前蘇聯(lián)的Angren 氣化試驗(yàn)［4］；美國(guó)的Hanna、Hoe Creek、Raw?lins、Rocky Mountain、Centralia 氣化試驗(yàn)［5-7］；加拿大的Swan Hills 氣化試驗(yàn)［4］；比利時(shí)的Thulin 氣化試驗(yàn)［4，8］；波蘭的Wieczorek 氣化試驗(yàn)［4］；西班牙的El Tremedal 氣化試驗(yàn)［4，7，9］；澳大利亞的Chinchilla、Bloodwood Creek 氣化試驗(yàn)［6，10］；南非的Majuba 氣化試驗(yàn)［4，11］；中國(guó)的烏蘭察布、新疆鄯善、內(nèi)蒙古唐家會(huì)氣化試驗(yàn)等［1，12-13］。

煤炭地下氣化試驗(yàn)的實(shí)施，不僅證實(shí)了煤炭地下氣化技術(shù)的可行性，還為研究煤炭地下氣化的選址、氣化工藝、運(yùn)行控制等提供了大量的第一手資料，使得煤炭地下氣化的勘探評(píng)價(jià)、氣化理論與工藝、鉆完井工藝、運(yùn)行控制等都得到了快速發(fā)展［2，14，23-25，15-22］，從而能更好地回答“煤炭地下氣化有利區(qū)如何評(píng)價(jià)”“煤炭地下氣化高效氣化工藝影響因素”“煤炭地下氣化穩(wěn)定運(yùn)行控制因素”這3 個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 系統(tǒng)回顧這些煤炭地下氣化試驗(yàn)研究的結(jié)果，總結(jié)了氣化選址考慮的要素以及不同埋深條件下粗煤氣的組分特征，分析了煤炭地下氣化發(fā)展方向，希望為我國(guó)煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供借鑒。

1 前蘇聯(lián)煤炭地下氣化試驗(yàn)

前蘇聯(lián)早在19 世紀(jì)30 年代就著手開(kāi)展礦井式煤炭地下氣化試驗(yàn)，到1941 年，在Lisichanskaya 等地采用流氣化法先后開(kāi)展了9 次氣化試驗(yàn)，并取得了一定的效果。 二戰(zhàn)后，在Podmoskovnaya、Angren等地開(kāi)展了商業(yè)化規(guī)模的氣化部署和試驗(yàn)［6］。 Pod?moskovnaya 煤炭地下氣化項(xiàng)目到19 世紀(jì)70 年代關(guān)停，歷經(jīng)超20 a 連續(xù)商業(yè)化生產(chǎn)，共氣化粗煤氣約100×108m3。 Angren 地下氣化項(xiàng)目位于前蘇聯(lián)（現(xiàn)烏茲別克斯坦）境內(nèi)，該氣化項(xiàng)目主要目的是把該地區(qū)的地下褐煤氣化成為動(dòng)力煤氣，供給Angren 熱力發(fā)電站發(fā)電使用。 氣化區(qū)域煤層厚2～28 m，埋深約220 m，煤質(zhì)為褐煤，煤樣收到基工業(yè)分析顯示灰分、固定碳、揮發(fā)分、水分分別為9.2%、39.8%、21.0%和40.0%，元素分析顯示C、H、O、N、S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為44.9%、2.8%、9.5%、0.9%和2.8%。 該氣化項(xiàng)目始建于1953 年，1961 年完成初始建設(shè)，并向Angren 電廠供氣，不同氣化爐產(chǎn)出氣氣體組分稍有差異，但可燃組分中以H2占主導(dǎo)，約為20%（表1）。到2000 年實(shí)現(xiàn)間斷生產(chǎn)超過(guò)20 a，累計(jì)產(chǎn)氣超120×108m3（圖1）。 由于氣化效率相對(duì)較低，同時(shí)地區(qū)油氣資源豐富，煤炭地下氣化沒(méi)有得到規(guī)模化發(fā)展。

表1 Angren 氣化站合成氣氣體組分Table 1 Syngas gas components in Angren gasification plant

圖1 Angren 氣化站歷年產(chǎn)氣情況Fig.1 Gas production over the years in Angren gasification plant

2 美國(guó)煤炭地下氣化系列試驗(yàn)

美國(guó)煤炭地下氣化試驗(yàn)在20 世紀(jì)70 至90 年代出現(xiàn)過(guò)熱潮，先后在懷俄明州的Hanna 盆地、Powder River 盆地、Pittsburg seam 盆地、Tono 盆地等開(kāi)展了一系列的煤炭地下氣化試驗(yàn)（表2）［5］，由于常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)、頁(yè)巖革命等，煤炭地下氣化更多作為一種戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)。 通過(guò)煤炭地下氣化系列試驗(yàn)，首創(chuàng)了可控式后退注入點(diǎn)法（Controlled Retracting In?jection Point，CRIP）氣化工藝，增進(jìn)了對(duì)煤炭地下氣化工藝及其與環(huán)境相互作用的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也關(guān)注到氣化過(guò)程中地下水污染等問(wèn)題，開(kāi)展了地下水等污染控制研究，并在Rocky Mountain 1 氣化項(xiàng)目中成功進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示埋深較大的煤炭地下氣化項(xiàng)目能夠較好地將污染風(fēng)險(xiǎn)與地面相隔離，這也表明埋深較大的煤炭地下氣化項(xiàng)目將在未來(lái)更加受到青睞。

1） Hanna 系列氣化試驗(yàn)。 1973—1979 年，Laramie 能源研究中心（后更名為L(zhǎng)aramie 能源技術(shù)中心，LERC／LETC）在Hanna 盆地開(kāi)展氣化試驗(yàn)，針對(duì)前蘇聯(lián)的氣化工藝進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化，以測(cè)試反向燃燒連通直井工藝（LVW，Linked Vertical Well），目的是在工藝井間建立高滲透通道。 Hanna 煤炭地下氣化試驗(yàn)區(qū)位于懷俄明州東南部Hanna 盆地的Hanna 向斜構(gòu)造，盆地發(fā)育上白堊統(tǒng)Medicine Bow組、古新統(tǒng)Ferris 組、古新統(tǒng)-始新統(tǒng)Hanna 組三套地層單元。 區(qū)域內(nèi)煤層發(fā)育廣泛，在古新統(tǒng)-始新統(tǒng)Hanna 組，砂巖、頁(yè)巖、礫巖與煤互層，其中發(fā)育30 多層厚度大于1.5 m 的煤層，部分單層煤厚達(dá)到6～8.5 m，Hanna 氣化項(xiàng)目的目標(biāo)煤層位于Hanna組，單層煤厚1.2 ～9.8 m，埋深0 ～138 m［5］，煤質(zhì)為非膨脹高揮發(fā)性C 類煙煤。 期間共開(kāi)展了HannaⅠ、Hanna Ⅱ（階段1、2、3）、Hanna Ⅲ和HannaⅣ（階段A 和B）等多個(gè)試驗(yàn)（表2）［5-6，26］。

表2 美國(guó)主要煤炭地下氣化項(xiàng)目情況（修改自文獻(xiàn)［6］）Table 2 Major underground coal gasification projects in US （Modified from ［6］）

續(xù)表

通過(guò)HannaⅠ氣化試驗(yàn)，取得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：當(dāng)注入井和燃燒區(qū)到生產(chǎn)井之間不存在高滲透通道時(shí)，正向燃燒不起作用；加砂水力壓裂不能建立有效的連通通道；井間反向燃燒能夠?yàn)檎驓饣⒆銐虻臐B透通道；生產(chǎn)井應(yīng)當(dāng)進(jìn)行完固井，以避免泄漏；產(chǎn)出氣的品質(zhì)隨著氣化時(shí)間呈下降趨勢(shì)； UCG技術(shù)具有可行性，并為美國(guó)長(zhǎng)達(dá)15 a 的大型、多場(chǎng)址的氣化項(xiàng)目鋪平了道路。 Hanna 系列試驗(yàn)在各主要方面都基本相似，HannaⅡ、Ⅲ、Ⅳ試驗(yàn)的總體目標(biāo)是進(jìn)行氣化放大試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其潛力，并開(kāi)展井與連通模式的試驗(yàn)，確定最大的產(chǎn)氣速率和有效的波及面積。 與此同時(shí)，Hanna 系列氣化試驗(yàn)遇到涌水、頂板坍塌及密閉性等問(wèn)題，制約其長(zhǎng)期規(guī)?；囼?yàn)及商業(yè)開(kāi)發(fā)。

2）Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)。 Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)項(xiàng)目位于Hanna 系列試驗(yàn)項(xiàng)目東南方向幾百米處，與Hanna 系列試驗(yàn)的目標(biāo)煤層相同，為低傾角的非膨脹性煙煤，煤層埋深約110 m。 Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)項(xiàng)目是美國(guó)UCG 項(xiàng)目中規(guī)模最大、最為成功的項(xiàng)目。

氣化試驗(yàn)分為線性CRIP、 ELW （Extended Linked Well）兩個(gè)相鄰但獨(dú)立的模塊，均采用水平井進(jìn)行連通（圖2 中ELW 模塊包含生產(chǎn)井-3、注入井-3 和注入井-2；CRIP 模塊包含注入井-1、生產(chǎn)井-1和生產(chǎn)井-2）。 點(diǎn)火方式采用往直井中注入自燃性硅烷，氣化劑為氧氣-水蒸氣。 ELW、CRIP 兩個(gè)模塊同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)，效果顯著（表3）。 試驗(yàn)結(jié)果也顯示出ELW 不適合深層開(kāi)發(fā)，且淺層也需大量鉆井、經(jīng)濟(jì)性差；并在試驗(yàn)過(guò)程中，遇到產(chǎn)出氣中氧氣體積濃度過(guò)高、氣化爐完整性破壞等問(wèn)題，導(dǎo)致試驗(yàn)關(guān)停。

表3 CRIP 和ELW 模塊試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 3 Test statistics of CRIP and ELW module

圖2 Rocky Mountain 1 氣化概念Fig.2 Gasification conceptual map of Rocky Mountain 1

3 歐盟煤炭地下氣化試驗(yàn)

歐盟煤炭地下氣化研發(fā)大致經(jīng)歷了3 個(gè)階段：①1940—1960 年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 該階段主要是針對(duì)淺層薄煤層，主要利用空氣作為氣化劑，包括1947 年法國(guó)主導(dǎo)的Morocco 氣化試驗(yàn)、1948—1950 年比利時(shí)的Bois-la-Dame 氣化試驗(yàn)、1949—1959 年英國(guó)的Newman Spinney 與Bayton 氣化試驗(yàn)，但各項(xiàng)目均存在環(huán)境影響大、氣化工藝低效、產(chǎn)出氣品質(zhì)較低等問(wèn)題。 ②1980—2000 年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和基于試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室研究階段。 在此階段主要開(kāi)展了Thulin 氣化試驗(yàn)、El Tremedal 氣化試驗(yàn)等。 ③2010 年以來(lái)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和基于試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室研究階段。 該階段主要在波蘭開(kāi)展了煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)圍繞以產(chǎn)氫為目標(biāo)進(jìn)行研究，同時(shí)考慮CO2的捕捉與封存［6］。

3.1 比利時(shí)Thulin 氣化試驗(yàn)

1979 年4 月至1988 年3 月，比利時(shí)和德國(guó)在比利時(shí)南部煤構(gòu)造帶的Hainaut 煤田西部的Thulin 地區(qū)開(kāi)展了煤炭地下氣化試驗(yàn)，目標(biāo)煤層為L(zhǎng)éopold-Charles，煤質(zhì)為半無(wú)煙煤（表4），埋深約860 m，煤層累積最大厚度約6.9 m，最大凈煤層厚度達(dá)4.2 m［6，8，27］。

表4 Léopold-Charles 系列煤干燥基分析結(jié)果Table 4 Analysis results of series of coal samples from Léopold-Charles

Thulin 氣化試驗(yàn)的目標(biāo)主要包括：驗(yàn)證以空氣／水蒸氣為氣化劑在800 m 以深地層進(jìn)行煤炭地下氣化可行性；鉆探四口垂直工藝井（圖3a），驗(yàn)證LVW工藝在埋深800 m 以深的可行性；掌握地面工程所需的工程、采購(gòu)、建造等全流程。

1982—1984 年，分別采用電點(diǎn)火技術(shù)和火炬點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行反向燃燒技術(shù)連通工藝井試驗(yàn)，但均沒(méi)有在Thulin 1 井和Thulin 2 井之間建立可觀的流動(dòng)通道，這與在淺層低壓條件下開(kāi)展反向燃燒的連通結(jié)果相反（圖3b）。 在高壓條件下，在產(chǎn)出井一側(cè)由于熱解和相對(duì)的低氣壓將導(dǎo)致形成擴(kuò)展的蠕變區(qū)域，認(rèn)為反向燃燒技術(shù)不適用于深層井的連通。1986—1987 年，以Thulin 1 井作為注入井、Thulin 2井為生產(chǎn)井開(kāi)展了氣化試驗(yàn)，不同氧化劑體積濃度及注入速率等條件下的氣化試驗(yàn)顯示可燃?xì)怏w組分體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯變化（表5）。

表5 氣化條件下粗煤氣組分及熱值情況Table 5 Composition and calorific value of crude gas under gasification condition

圖3 Thulin 氣化試驗(yàn)井分布及不同深度條件下連通形態(tài)Fig.3 Thulin gasification test wells distribution and connectivity patterns at different depths

質(zhì)量平衡顯示共有157×103kg 煤炭轉(zhuǎn)化為粗煤氣。 盡管氣化過(guò)程中，存在粗煤氣中含大量氧氣等氣化爐建造技術(shù)問(wèn)題，但Thulin 氣化試驗(yàn)驗(yàn)證了深層煤炭地下氣化具有技術(shù)可行性，這也進(jìn)一步促進(jìn)了歐洲煤炭地下氣化研發(fā)，如西班牙啟動(dòng)了El Tremedal 氣化試驗(yàn)等［6］。

3.2 西班牙El Tremedal 氣化試驗(yàn)

El Tremedal 氣化試驗(yàn)基地位于西班牙薩拉戈薩以東約100 km 的Teruel 煤盆地，Teruel 盆地的煤為低階下白堊統(tǒng)煤，具有高-很高硫體積濃度。 El Tremedal 氣化試驗(yàn)選區(qū)主要考慮了以下5 個(gè)方面的因素：①鄰近沒(méi)有采礦作業(yè)；②鄰近沒(méi)有地下水抽采；③煤層良好特征，其屬性適合煤炭地下氣化；④斷層出現(xiàn)率低；⑤地形適合作業(yè)設(shè)備進(jìn)入和場(chǎng)地準(zhǔn)備等。 氣化區(qū)發(fā)育的煤層屬于Val de la piedra組，在區(qū)域內(nèi)發(fā)育上下2 層，氣化目標(biāo)層為上部煤層，煤層頂板為黏土質(zhì)砂巖。 目標(biāo)煤層埋深約560 m，煤層厚度2～3 m，煤層傾角29°，煤階為次煙煤。上部煤層巖樣收到基工業(yè)分析顯示，水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳分別為22.2%、14.3%、27.5%和36.0%。1997 年7 月和9 月先后進(jìn)行了兩階段氣化試驗(yàn)，氣化采用線性CRIP 工藝，有效氣化周期12.1 d，注入井壓力5.69 MPa，注入氧氣約90×103kg 、氮?dú)饧s81×103kg ，消耗煤炭237.2×103kg ，生產(chǎn)井壓力5.41 MPa，產(chǎn)出氣449×103kg ，可燃組分CO、H2、CH4體積分?jǐn)?shù)分別為10.8%、24.9%和13.8%（圖4），熱值約為11 MJ／Nm3［6-7］。

圖4 El Tremedal 氣化試驗(yàn)過(guò)程變化Fig.4 Variation diagram of El Tremedal gasification test process

El Tremedal 氣化試驗(yàn)證實(shí)了深部高壓低煤階的煤炭地下氣化技術(shù)的可行性，同時(shí)也證實(shí)了對(duì)于高水分低煤階，不注入蒸氣實(shí)現(xiàn)氣化的可行性。 試驗(yàn)成功通過(guò)固定在連續(xù)油管末端的井下燃燒器實(shí)現(xiàn)了CRIP 方案。 但氣化過(guò)程中出現(xiàn)氣化腔坍塌、涌水等密閉性和水文地質(zhì)問(wèn)題，制約著氣化項(xiàng)目的持續(xù)運(yùn)行。

4 中國(guó)煤炭地下氣化試驗(yàn)

中國(guó)在1958 年就開(kāi)啟了已開(kāi)采煤炭礦區(qū)的地下氣化試驗(yàn)探索，在學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)煤炭地下氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，在山西、安徽、江蘇、山東等地也開(kāi)展了多次礦井式地下氣化試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了煤炭地下氣化的從試驗(yàn)到應(yīng)用。 21 世紀(jì)以來(lái)，全國(guó)開(kāi)展了多次鉆井式煤炭地下氣化試驗(yàn)。 2009—2015 年，在內(nèi)蒙古烏蘭察布完成了“L”型爐、“V”型爐、“單元面采爐”等鉆井式氣化爐試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了富氧氣連續(xù)生產(chǎn)。 2018—2019 年，又先后在新疆鄯善、內(nèi)蒙古唐家會(huì)開(kāi)展了鉆井式煤炭地下氣化試驗(yàn)，取得了較好的效果［1，12］。

烏蘭察布地下氣化項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市，目標(biāo)煤層為褐煤，厚度約6 m，埋深約283 m，是國(guó)內(nèi)首口井深超過(guò)200 m 的鉆井式煤炭地下氣化試驗(yàn)。 2007 年10 月成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)單爐日產(chǎn)空氣煤氣15×104Nm3。 2009 年3 號(hào)氣化爐點(diǎn)火運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行超30 個(gè)月，粗煤氣產(chǎn)量從最初的每天6×104Nm3上升到平均每天35×104Nm3，其中CH4、CO、H2體積分?jǐn)?shù)分別約為10.37%、9.33%和31.32%。 2012 年10 月工業(yè)性氣化爐點(diǎn)火運(yùn)行了16 個(gè)月，產(chǎn)能達(dá)到每天80 ×104Nm3。

2018 年7 月，新疆哈密鄯善淺煤層（煤層埋深450 m）小井距直井UCG 礦場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目成功點(diǎn)火。2019 年10 月，在內(nèi)蒙古唐家會(huì)針對(duì)煤層埋深522 m的褐煤-長(zhǎng)焰煤開(kāi)展氣化試驗(yàn)，成功改進(jìn)并實(shí)施了CRIP 地下氣化單元，首次應(yīng)用了3.5 英寸（1 英寸＝25.4 mm）大口徑同心連續(xù)油管，并進(jìn)行了3 MPa 純氧氣化［12-13］試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明，中淺層鉆井式煤炭地下氣化技術(shù)路線是可行的，但在規(guī)?；P(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈延伸方面還有待深入研究，以克服煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)存在的技術(shù)、產(chǎn)品定位、管理和運(yùn)作等方面問(wèn)題。 中深層鉆井式煤炭地下氣化由于高投資、技術(shù)密集、工藝不成熟，國(guó)內(nèi)中深層煤炭地下氣化發(fā)展緩慢，尚處于探索和起步階段。 對(duì)于中深層煤炭地下氣化，石油石化企業(yè)在地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)、鉆完井、氣化監(jiān)測(cè)與控制、地面處理、裝備制造、天然氣管網(wǎng)、市場(chǎng)及融合發(fā)展方面具有整體優(yōu)勢(shì)，有望成為產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)主體。

5 其他國(guó)家煤炭地下氣化試驗(yàn)

5.1 加拿大煤炭地下氣化試驗(yàn)

Swan Hills 煤炭地下氣化項(xiàng)目位于加拿大阿爾伯特地區(qū)，目標(biāo)煤層為Mannville 組煤層，主力目標(biāo)煤層厚度4.0～5.2 m，埋深1 400～1 450 m。 煤層發(fā)育穩(wěn)定，煤質(zhì)為高揮發(fā)分C 類煙煤，收到基灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%～10%，收到基揮發(fā)分達(dá)36.28%、收到基水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)6% ～8%［28］。 氣化工藝采用線性CRIP 技術(shù)，氧氣-水蒸氣為氣化劑，重點(diǎn)圍繞粗煤氣組分、鉆探工藝、點(diǎn)火方法、連通方法和注入點(diǎn)控制等方面開(kāi)展試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果顯示日產(chǎn)粗煤氣約16×104m3，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到37%（表6），揭示了高壓（10～12 MPa）環(huán)境下甲烷產(chǎn)率約為淺層低壓氣化的3 倍。

表6 Swan Hills 氣化項(xiàng)目合成氣組分Table 6 Syngas gas components in Swan Hills gasification project

5.2 澳大利亞煤炭地下氣化試驗(yàn)

Chinchilla 氣化項(xiàng)目位于澳大利亞布里斯班Surat 盆地，目標(biāo)煤層為Juandah 煤系Macalister 煤層，可分為上下A、B 兩層，平均厚度為6 m 和4 m，累計(jì)厚度約10 m，埋深位于125 ～136 m。 煤質(zhì)為次煙煤，熱值位于15～21 MJ／kg，平均19 MJ／kg。 工業(yè)分析顯示，樣品空氣干燥基的水分、揮發(fā)分、灰分和固定碳分布為9.3%、31.4%、32.7%和26.7%。 該氣化項(xiàng)目通過(guò)實(shí)施多個(gè)氣化爐，試驗(yàn)了LVW、平行CRIP、線性CRIP 等多井型方案以及不同氣化劑對(duì)氣化效果的影響［10］（表7）。

表7 Chinchilla 氣化項(xiàng)目概況Table 7 Chinchilla gasification project overview

1 號(hào)、2 號(hào)氣化爐應(yīng)用LVW 井型，采用反向燃燒方法連通注入井和生產(chǎn)井。 3 號(hào)氣化爐首次采用水平定向井鉆探連通注入井和生產(chǎn)井，產(chǎn)出的粗煤氣首次用于工廠進(jìn)行天然氣合成油。 4 號(hào)氣化爐采用與Rocky Mountain 1 氣化項(xiàng)目相似的平行CRIP 設(shè)計(jì)，氣化周期長(zhǎng)達(dá)2a，預(yù)計(jì)氣化煤量為14 000×103kg 。 5 號(hào)氣化爐采用線性CRIP 設(shè)計(jì)，注入井和生產(chǎn)井間距900 m，同時(shí)鉆探三口觀測(cè)井（圖5），氣化煤量超過(guò)19 000×103kg 。 富氧和純氧條件下，粗煤氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)提高明顯（表8），粗煤氣熱值可達(dá)10～11 MJ／Nm3。

圖5 Chinchilla 5 號(hào)氣化爐線性CRIP 布局Fig.5 Linear CRIP layout for Chinchilla 5 gasifier

表8 Chinchilla 5 號(hào)氣化爐不同氣化劑下粗煤氣組分Table 8 Crude gas composition in Chinchilla 5 gasifier with different agent

5.3 南非煤炭地下氣化試驗(yàn)

Majuba 氣化項(xiàng)目位于南非姆普馬蘭加省，目標(biāo)煤層為Gus 煤層，位于Ecca 組Vryheid 層，厚度1.8～4.5 m，埋深約280 m，煤質(zhì)為次煙煤。 氣化區(qū)未燃燒煤樣收到基工業(yè)分析顯示水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳和含硫量平均值分別為5.1%、46.0%、4.0%、44.9%和0.55%［11］。 該項(xiàng)目于2001 年啟動(dòng)，采用Ergo Exergy 公司的εUCG 工藝，先后開(kāi)展了煤炭地下氣化先導(dǎo)工程建設(shè)、示范工程研究等（圖6）。

圖6 Majuba 氣化項(xiàng)目歷程Fig.6 Majuba gasification project history

2007 年煤炭地下氣化先導(dǎo)工程啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定，粗煤氣供100 kW 電站運(yùn)行了兩周，顯示了粗煤氣用于發(fā)電的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)有效性。 到2011年啟動(dòng)關(guān)停，共運(yùn)行4 年半，取得了預(yù)期效果，成功連通了10 口生產(chǎn)井，累計(jì)消耗煤炭約50 000×103kg ，噸煤平均產(chǎn)氣量約為4 200 Nm3，平均熱值4.2 MJ／Nm3，產(chǎn)氣量維持在11 000 Nm3／h 左右，最大達(dá)到15 000 Nm3／h，初步證實(shí)了粗煤氣混燃的可行性。

6 氣化試驗(yàn)結(jié)果分析與啟示

通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化試驗(yàn)結(jié)果的系統(tǒng)總結(jié)和分析，可以發(fā)現(xiàn)存在以下4 點(diǎn)特征：①氣化選址需要綜合考慮降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、較好的地質(zhì)條件和煤炭品位、較好的地質(zhì)力學(xué)-水文地質(zhì)條件等因素。 優(yōu)選揮發(fā)分高的褐煤、煙煤，如Hanna 系列氣化試驗(yàn)、Swan Hill 氣化試驗(yàn)等；對(duì)于煤層厚度，褐煤大于6 m、次煙煤大于4.5 m 為宜，如Hanna 系列氣化試驗(yàn)、Hoe Creek 系列試驗(yàn)、Rawlins 氣化試驗(yàn)、Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)、Thulin 氣化試驗(yàn)、Chin?chilla 氣化試驗(yàn)等；煤層儲(chǔ)層特征以封閉或半封閉為宜，并與最大斷層距離保持在200 m 以上，如El Tremedal 氣化試驗(yàn)等；盡量遠(yuǎn)離含水層，尤其是飲用水層，距離應(yīng)不小于100 m，如El Tremedal 氣化試驗(yàn)等。 ②鉆井式煤炭地下氣化已成為主流。 如Pod?moskovnaya、Angren 氣化站等已逐步關(guān)停，隨著鉆井工藝技術(shù)的提升，20 世紀(jì)60 年代起，煤炭地下氣化以鉆井式為主， 并從直井發(fā)展到水平井， 如Chinchilla 氣化試驗(yàn)。 ③中深層富氧氣化成為重要的突破方向。 試驗(yàn)顯示，富氧氣化／富氧-水蒸氣氣化的粗煤氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)和熱值顯著提高，如Thulin 氣化試驗(yàn)、El Tremedal 氣化試驗(yàn)、Swan Hills氣化試驗(yàn)等。 同時(shí)，中深層氣化能更好地控制環(huán)境污染等問(wèn)題，如Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)。 ④氣化工藝以CRIP 為主流，包括線性CRIP、平行CRIP等。 CRIP 工藝解決了氣化通道貫通、連續(xù)造腔、穩(wěn)定產(chǎn)氣等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，技術(shù)可行性得到證實(shí)。 如Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)、El Tremedal 氣化試驗(yàn)、Swan Hills 氣化試驗(yàn)、Chinchilla 氣化試驗(yàn)等。

從埋藏深度及地層壓力、可燃?xì)怏w組分來(lái)看，可以將煤炭地下氣化分為淺層（地層壓力小于4 MPa）、中深層（地層壓力介于4 ～18 MPa）、深層-超深層（地層壓力大于18 MPa）三大類。 淺層煤炭地下氣化在氣化爐建造時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注密閉性、地層水涌入氣化腔、氣化腔與地面及外部環(huán)境間相互影響等問(wèn)題。 淺層煤炭地下氣化主要發(fā)生水煤氣反應(yīng)，粗煤氣中可燃?xì)怏w以H2為主。 如埋深220 m 的An?gren 氣化站粗煤氣中的H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)20%以上，CH4體積分?jǐn)?shù)約為2.8%；埋深約110 m 的Rocky Mountain 1 氣化試驗(yàn)粗煤氣中的H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)38%，而CH4體積分?jǐn)?shù)為9.4%。 中深層煤炭地下氣化在氣化爐建造時(shí)，由于地層壓力增大和地層情況更為復(fù)雜，導(dǎo)致施工和監(jiān)測(cè)控制技術(shù)難度增大，地下反應(yīng)過(guò)程也更為復(fù)雜，對(duì)工程工藝技術(shù)要求也更高。中深層煤炭地下氣化主要發(fā)生甲烷化反應(yīng)，可燃?xì)怏w以CH4為主。 如埋深860 m 的Thulin 富氧+水蒸氣氣化試驗(yàn)結(jié)果顯示CH4體積分?jǐn)?shù)為16.73%，而H2體積分?jǐn)?shù)為4.62%；埋深1 400 ～1 450 m 的Swan Hills 氣化試驗(yàn)結(jié)果顯示CH4體積分?jǐn)?shù)為37%，而H2體積分?jǐn)?shù)為15%。 深層-超深層煤炭地下氣化對(duì)技術(shù)、氣化工藝和控制技術(shù)要求更高，深層-超深層煤炭地下氣化主要發(fā)生超臨界反應(yīng)，可燃?xì)怏w以H2為主，目前尚無(wú)該深度范圍的煤炭地下氣化試驗(yàn)。

有利區(qū)的選擇、氣化長(zhǎng)期安全運(yùn)行、粗煤氣組分及熱值的合理波動(dòng)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境友好等方面還制約著煤炭地下氣化商業(yè)化發(fā)展，這也就涉及到“煤炭地下氣化有利區(qū)如何評(píng)價(jià)”“煤炭地下氣化高效氣化工藝影響因素”“煤炭地下氣化穩(wěn)定運(yùn)行控制因素”等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 將有利區(qū)評(píng)價(jià)、高效氣化工藝、穩(wěn)定運(yùn)行控制、碳封存等四者有機(jī)結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)下的煤炭地下氣化商業(yè)化目標(biāo)，這將是今后煤炭地下氣化技術(shù)攻關(guān)的主要發(fā)展方向。