“雙碳”背景下煤炭原位地下熱解采油意義研究

馬 麗， 段中會， 楊 甫， 付德亮， 王振東

(1.陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司，自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，西安 710026；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049)

我國能源結(jié)構(gòu)特征是以化石能源為主、新型可再生能源為輔，近年來清潔可再生能源占比略有提升，但煤、石油和天然氣能源占比依然達到84%以上。在化石能源基礎(chǔ)儲量中，煤占94%、石油占2.5%、天然氣占3.5%，煤是我國最為主要的化石能源。近年來我國石油和天然氣對外依存度逐年攀升，2020年，原油和天然氣對外依存度分別達到70.8%和43%，在國際形勢復(fù)雜變幻的情況下，國家能源安全主要依賴煤炭作保障，因此煤也被稱為國家能源“壓倉石”“穩(wěn)定器”[1-2]?！?050年世界與中國能源展望》數(shù)據(jù)表明，隨著中國經(jīng)濟發(fā)展趨于平穩(wěn)和可持續(xù)發(fā)展，2025年后工業(yè)用能及電煤需求將到達峰值，煤炭的消耗量在能源結(jié)構(gòu)中的比例將逐步下降，2035年和2050年將降至40.5%和30.7%，但是我國煤炭消費量將長期維持較大的基數(shù)，煤炭的主體地位短期內(nèi)不會改變。以煤為主體能源的資源特征，加上煤炭的粗放式燃燒和利用，導(dǎo)致了我國較大的碳排放，我國的碳排放占世界能源碳排放總量的28.8%[3-4]。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會上莊嚴承諾“力爭于2030年前使二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。在“雙碳”目標(biāo)前提下，在加大風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉撮_發(fā)利用的同時，煤的低碳開發(fā)與利用勢在必行。陜西省煤炭資源量居全國第四、煤炭產(chǎn)量居全國第三，陜西省的煤炭以低—中低變質(zhì)程度為主，具有揮發(fā)分高、燃點低、焦油產(chǎn)率高等特點，筆者秉持煤基油氣資源的理念，以陜西省煤炭資源為研究對象，探索煤炭資源原位地下熱解采油技術(shù)與意義研究，為全國煤炭資源低碳開發(fā)利用開拓思路。

1 煤炭原位熱解采油的意義

1.1 地面熱解的問題

不是所有的煤炭資源都適于原位地下熱解采油，本文研究的對象是富油煤。按照《礦產(chǎn)資源工業(yè)要求手冊(2014年修訂版)》中焦油產(chǎn)率分級標(biāo)準(zhǔn)，分為含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%12%)[5]。傳統(tǒng)的地面富油煤利用技術(shù)，首先要將富油煤采掘到地面，在熱解爐中對其進行熱解制油，該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，易于控制熱解制油的工藝流程。富油煤熱解一般可產(chǎn)生10%～30%的焦油與煤氣，70%左右的半焦。然而，傳統(tǒng)的地面煤制油技術(shù)導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境污染和資源利用效率差的問題：①挖掘過程中會消耗掉大量能源與采礦成本；②挖掘過程中造成了大量的地表環(huán)境的破壞以及地下水位下降[6-7]；③挖掘后在熱解爐中進行熱解產(chǎn)生的大量污染物釋放到了大氣中以及產(chǎn)生大量的廢水[8-10]；④熱解制油后的殘留物質(zhì)以半焦為主(約占70%)，其需求量遠不能滿足生產(chǎn)規(guī)模增長，長期堆放不進行處理會造成地面環(huán)境的污染，甚至有可能發(fā)生滲漏污染地下水；⑤熱解以粉煤為主，其熱解產(chǎn)物的三相分離是技術(shù)瓶頸。

1.2 原位地下熱解的意義

本文提出的富油煤原位熱解技術(shù)，是一種環(huán)境友好的可持續(xù)煤炭資源開采轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。富油煤原位熱解技術(shù)，是指將富油煤直接在地下通過外部熱載體傳遞熱量進行加熱，當(dāng)溫度達到一定程度時，大分子有機物會發(fā)生鏈節(jié)的斷裂，從而生成小分子的油氣組分，所得油氣產(chǎn)物通過采集井導(dǎo)出地面進行分離及深加工。其優(yōu)點在于：①原位熱解直接實現(xiàn)了碳地下封存。原位熱解過程無需開采煤炭至地面，煤炭經(jīng)外熱加熱裂解后將10%～30%的油氣采至地面，約70%的半焦殘留在地下，這些半焦直接封存在地下，實現(xiàn)了煤炭的低碳開發(fā)；②原位熱解極大降低了對地層的損害。原位采油相當(dāng)于提取了煤中10%～30%的烴類資源，地下殘留的70%半焦減小了傳統(tǒng)煤炭開采造成地下空洞的體積，圍巖與半焦再次耦合平衡過程中，圍巖的變形損傷小，極大降低了對地質(zhì)環(huán)境的破壞，尤其是地層的塑性變形極大地保護了地下水資源的流失。以10m厚的煤層開采為例，按照厚煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度計算公式：

H=20M1/2+10

(1)

式中：M為煤層厚度，m。

直接開采造成的上覆巖層裂隙帶高度約73.2m，原拉熱解采油造成的上覆巖層裂隙帶高度約44.6m，損傷降低39.1%；煤層加熱熱解過程緩慢，圍巖在熱作用下形成燒變巖，燒變巖質(zhì)地堅硬，提高了抗損能力，進一步減小裂隙發(fā)育。③地下原位熱解采油減少地面固體半焦的堆積，提高了能源利用效率且能夠顯著降低工藝過程碳排放。④富油煤地下原位熱解提油技術(shù)屬于煤炭地下原位流態(tài)化開采技術(shù)范疇，是該技術(shù)的先行兵；同時原位地下熱角的煤以分米-米級塊狀為主要熱解對象，熱解產(chǎn)物中焦粒量少易于分離。⑤富油煤原位地下熱解，有利于保障國家能源安全。我國富油煤資源豐富，西部地區(qū)的儲量近5 000億t，潛在油氣組分約500余億噸[11]，陜西省富油煤儲量高達1 520億t，潛在油氣組分150億t，按照現(xiàn)有煤炭產(chǎn)量38.4億t的規(guī)模，內(nèi)蘊油氣產(chǎn)量約2億t，可極大緩解我國油氣能源壓力，對我國能源戰(zhàn)略安全意義重大。

2 煤炭原位熱解采油實現(xiàn)

2.1 陜西省富油煤資源調(diào)查

資源量估算是以《煤炭礦區(qū)資源儲量核查技術(shù)要求》為準(zhǔn)則，以2012年全省煤炭礦產(chǎn)資源利用現(xiàn)狀調(diào)查中儲量核查成果為基礎(chǔ)，更新近年來地質(zhì)勘查報告經(jīng)評審備案的儲量估算成果。根據(jù)各礦區(qū)分煤層焦油產(chǎn)率等值線(焦油產(chǎn)率為7%和12%的等值線)圈定的富(高)油煤范圍對原有資源量塊段進行切割分區(qū)，區(qū)塊富油煤資源量資源計算方法如下：

Qfn=QSfn/S

(2)

式中：Q為塊段煤炭資源儲量，103t；Qfn為第n塊富油煤的塊段資源儲量，103t；Sfn為資源量計算塊段內(nèi)富油煤的面積，km2；S為資源量計算塊段內(nèi)含煤面積，km2。各區(qū)塊富油煤資源量之和即為全省富油煤資源量。計算得到全省預(yù)測富油煤資源量為1 550.33億t[12]，其中92%分布在陜北。

富油煤資源量與其焦油產(chǎn)率的乘積即為內(nèi)蘊焦油資源量，計算可得全省富油煤中內(nèi)蘊焦油資源量合計144.52億t，焦油資源量94.6%分布在陜北。

2.2 富油煤原位地下熱解采油技術(shù)思路

富油煤原位地下熱解采煤不同于地下氣化的自熱式燃燒加熱，加熱溫度不易控制；也不同于油頁巖的物理加熱采油；煤炭地下原位熱解技術(shù)(Underground Coal Thermal Treatment，簡稱“UCTT”)，是指煤不采出地面，而是在地下通過原位緩慢加熱，將煤轉(zhuǎn)變?yōu)楹瑲?、含液產(chǎn)物和煤焦的合成氣流，把煤氣、液產(chǎn)物抽采出地面，把大約70%的碳以焦炭的形式留在地下，熱解過程中煤的有機質(zhì)和礦物質(zhì)發(fā)生系列物理和化學(xué)變化，地下原位熱解采用低溫?zé)峤?加熱溫度在500～600℃范圍)，煤從近300℃開始熱解，生成CO2、CO、H2S、放出熱解水及微量焦油；300～450℃時煤激烈分解、解聚，析出大量的焦油和氣體，同時生成CH4及其同系物、H2、CO2、CO及不飽和烴；在450℃時析出的焦油量最大[13-14]。

原位地下熱解采油原理圖見圖1。

圖1 UCTT技術(shù)原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of UCTT technology

原位地下熱解采油實現(xiàn)的技術(shù)路線：①通過鉆孔施工和地下壓裂技術(shù)，在地下建造加熱爐；②通過地面加熱、增壓裝置，將加熱介質(zhì)加熱增壓，送到煤層加熱爐中；③開始加熱煤層實現(xiàn)地下熱解；④負壓抽出熱解的煤氣及焦油；⑤通過三相分離技術(shù)，使煤氣、焦油、焦粒分離，帶有熱量的煤氣進入地下加熱解循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)三相分離，存儲焦油和煤氣資源；⑥余熱和氣體可適當(dāng)進入再循環(huán)。

3 結(jié)論

1)富油煤原位地下熱解采油是基于煤基油氣資源的理念，重視煤中揮發(fā)分開發(fā)利用的新思路，減少煤炭開發(fā)環(huán)節(jié)，有降碳、降損、 降滯及能源保障等多方面的優(yōu)勢，同時有地面建筑少、占地少，降低回填成本等優(yōu)勢。與地下氣化技術(shù)相比，原位地下熱解采油還有溫度相對較低(<600℃)、硫排放量低、不需要氧化劑、較好的靈活性和可控性等優(yōu)點，值得投入更多研究打通該技術(shù)的各個環(huán)節(jié)，推動這一新思路產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2)在“雙碳”背景下，煤炭原位熱解是一個可期的煤炭低碳開發(fā)的新思路。但是目前關(guān)于煤炭地下原位熱解實驗研究的科研機構(gòu)及企業(yè)還很少，僅有殼牌石油公司、美國猶他大學(xué)、太原理工大學(xué)、陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司等。地下原位熱解尚缺乏系統(tǒng)研究，尤其是承壓條件下煤的熱解機理、熱動力學(xué)、熱解提油產(chǎn)物多相分離等技術(shù)還有待深入研究，期待更多的研究機構(gòu)加入研究中來。