通道式煤炭地下氣化過程特征場演化規(guī)律

梁 杰，李玉龍，陳世琳，楊彥群，趙 澤，原 航，李 哲

(1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京 100083；2.山西焦煤集團有限責任公司，山西 太原 030024)

煤炭地下氣化是將煤炭在原位進行有控制的燃燒，通過煤的熱解以及煤與氧氣、水蒸氣發(fā)生的一系列化學反應，產(chǎn)生H，CO和CH等可燃氣體的過程。該過程是在煤炭地下氣化爐里實現(xiàn)的，組成地下氣化爐的最基本要素是進氣井(孔)、出氣井(孔)和連接進氣井(孔)、出氣井(孔)的氣化通道，在氣化通道里煤和氣化劑進行氧化反應、還原反應和干餾干燥反應而產(chǎn)生煤氣。

根據(jù)氣化通道施工方式和通道擴展方式的不同，可將氣化反應區(qū)簡化為2種類型的氣化反應通道：無固相的自由通道和滲透性多孔疏散的通道。在自由通道里以壁面反應為主稱為通道式氣化，在滲流通道里氣化稱為滲流氣化。

我國廢棄礦井中遺留煤炭資源量約420億t，廢棄礦井煤炭資源井工復采技術難度大，安全性差，在經(jīng)濟上也不合理，因此必須探索新的回收技術，煤炭地下氣化技術則是一條可行的技術路線。煤炭地下氣化可以依托老礦井原有的井筒和巷道建設地下氣化爐，利用人工掘進的煤巷作為氣化通道，形成通道式氣化。

通道式氣化在煤層里圍繞通道形成溫度場和體積分數(shù)場，溫度向頂板巖層傳播和煤層燃空區(qū)變化形成了頂板溫度場和應力場，煤炭地下氣化過程實質上就是這些特征場的演化過程。龐旭林等通過模型試驗研究了涌水條件下富氧煤炭地下氣化溫度場擴展規(guī)律；趙明東等研究了煤炭地下氣化溫度場和裂隙場的演化規(guī)律，采用COMSOL模擬了研究區(qū)地下氣化的溫度場分布；席建奮研究認為煤層溫度場擴展主方向受裂隙與氣化劑的雙重影響；王張卿在煤炭地下氣化模型試驗的基礎上，研究了空氣、富氧-CO、富氧-水和富氧連續(xù)氣化工藝中的“三區(qū)”擴展過程；楊蘭和等對煤炭地下氣化動態(tài)溫度場及體積分數(shù)場進行了數(shù)值分析；唐芙蓉、趙明東等對熱-力耦合作用下燃空區(qū)覆巖溫度場和裂隙場的衍化規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究。但上述研究主要集中在溫度場的擴展上，且以數(shù)值模擬為主。

筆者通過通道式煤炭地下氣化過程模型試驗，研究煤層溫度場、體積分數(shù)場、巖層溫度場及應力場的演化過程。

1 試驗材料及試驗系統(tǒng)

1.1 試驗煤樣煤質分析

試驗煤樣為內蒙古烏蘭察布的褐煤，表1為煤樣煤質分析結果，表2為試驗煤樣對CO的反應活性。

表1 模型試驗煤樣煤質分析結果

表2 試驗煤樣對CO2反應活性

烏蘭察布褐煤基本煤質特征：全水較高，內在水分中等，揮發(fā)分高，灰分高，發(fā)熱量較低，無黏結性，CO反應活性較高，適合地下氣化。

1.2 煤層模擬及測點布置

模型試驗臺可模擬氣化區(qū)長度為4.45 m，寬度為1.17 m，鋪設煤層厚度為0.4 m。模擬煤層由體積約為550 mm×350 mm×250 mm大塊煤鋪設，塊煤之間的縫隙采用黏煤混合物拌著碎小煤塊進行填充。

為模擬通道式氣化，在煤層底部中間預留斷面為10 cm×10 cm的氣化通道，氣化通道高度占煤層高度的1/4,寬度占煤層寬度的1/10。模擬煤層、巖層與氣化通道的關系及試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 氣化通道與煤層模擬剖面

煤層溫度測點呈網(wǎng)格布置，共布置19×5=95個溫度測點，深度距煤層底部200 mm，在煤層的中部。利用6 mm不銹鋼管布置3×5=15個壓力及組分測點，氣化通道中5個，煤層內10個，15個測點主要用來監(jiān)測氣化通道和煤層內的體積分數(shù)場和壓力場。氣體用氣袋采集，用島津氣相色譜儀進行分析。煤層溫度測點及取樣點布置如圖2所示。

圖2 煤層溫度、壓力、組分測點布置

利用各測點測得的數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件將原始數(shù)據(jù)按測點平面布置網(wǎng)格化，在數(shù)據(jù)點之間進行均勻插值，把數(shù)值相同的點連接起來，定義不同數(shù)值范圍的顏色，繪制煤層的二維場。

1.3 巖層及地壓模擬

在煤系地層中，多為沉積巖，一般利用骨料和膠結物組成的相似材料即可基本滿足沉積巖的力學特性。試驗用黏土與沙調整比例，進行2種材料的配比試驗，得到強度等力學性能隨溫度的變化規(guī)律，選擇滿足試驗需求的配比材料。黏土與沙按照比例混合均勻后，自煤層起填充55 cm高度，裝填過程中布置頂板中的應力傳感器和熱電偶。

應力傳感器共11個，模擬頂板自煤層起30 cm處8個，布置點如圖3所示，模擬頂板上方布置3個，沿長度方向均勻布置，用于測量表土的實際應力。

圖3 模擬頂板中應力傳感器布置

熱電偶在煤層與頂板交界面、自煤層向上20 cm和40 cm處布置3層，每層3列6排18個測點，共54個測點，用于監(jiān)測氣化過程頂板溫度在平面以及高度方向的變化。

煤層、頂板、表土、測溫熱電偶等布置好后，運用液壓裝置加上垂直向下的0.24～0.38 MPa的壓力，將氣化爐密封，則可進行點火試驗。

1.4 通道式氣化模型試驗過程

(1)點火。先向氣化爐里鼓入空氣，置換爐內積存的可燃氣體，然后啟動點火器。待氣化爐溫度升高后(高溫大于1 000 ℃)，調整進氧量，進入正常的富氧-CO氣化試驗。

(2)連續(xù)氣化試驗：試驗從生產(chǎn)岀合格的煤氣開始，到停爐結束，氣化時間為66 h，經(jīng)歷了富氧(75%)-CO正向氣化、富氧(60%)-CO氣化、富氧(80%)-HO氣化等試驗過程，獲得不同氣化時段氣化煤層溫度場、體積分數(shù)場的變化規(guī)律，以及巖層溫度場、應力場的變化規(guī)律。

2 結果與討論

2.1 煤層溫度場演化

富氧(75%)-CO氣化共進行20 h，進口氣化工藝參數(shù)及出口煤氣組成見表3。氣化5 h期間溫度場擴展如圖4所示。其中左側中部設置進氣孔，右側中部設置出氣孔(下同)。點火器設置在左側中央位置，氣化爐點火后，氣化煤層溫度急劇升高，影響范圍急劇擴大,高溫區(qū)集中在進氣孔附近，點火處熱電偶最先達到1 000 ℃。點火5 h后，溫度場沿點火點兩側方向急劇擴展，氣化通道溫度迅速升高，高溫區(qū)延伸到氣化通道1/3處，煤氣有效組分(H+CO+CH)體積分數(shù)達65.42%。說明自由通道以壁面燃燒氣化為主，沿氣化通道擴展較快，而氣化初期氣化通道壁面都為新鮮煤壁，氣化活性高，反應條件好，煤氣有效組分高。

表3 通道式富氧-CO2連續(xù)氣化參數(shù)

圖4 通道式富氧(75%)-CO2連續(xù)氣化過程溫度場演化

從圖4可計算出，在5 h內溫度場(氣化工作面)沿氣化通道(橫向)擴展1.5 m，擴展速度為0.3 m/h。為降低橫向擴展速度，將O體積分數(shù)降低至60%，總流量由9.81降至6.35 m/h，共氣化14.62 h，氣化過程溫度場擴展如圖5所示。

圖5 通道式富氧(60%)-CO2連續(xù)氣化過程溫度場演化

從圖5可計算出，60%富氧氣化時，在14.5 h內溫度場沿氣化通道(橫向)擴展1.5 m，擴展速度為0.103 m/h,沿煤層(縱向一側)平均擴展0.13 m，擴展速度為0.009 m/h。橫向擴展速度為縱向擴展速度的11.4倍。此階段煤氣有效組分也由開始56.45%降至34.87%，說明反應條件變差。

自由通道氣化以壁面燃燒氣化為主，橫向擴展速度大于縱向擴展速度的11.4倍以上時，反應過程將失去穩(wěn)定性。同時自由通道在富氧氣化時，壁面易焦化或結焦，也是導致反應區(qū)條件惡化、煤氣有效組分下降的原因之一。通道式氣化過程失穩(wěn)后，需要暴露新鮮的煤面才能維持氣化過程的連續(xù)。隨著氣化過程的進行，燃空區(qū)增加，在地壓作用下，煤層冒落，形成新鮮煤面，或采用溫控爆破等技術措施，暴露新鮮的煤面，維持氣化過程的連續(xù)。

2個不同時刻最高溫度點的間距除以這一段時間內的凈注氣時間，就可以算出溫度場平均擴展速度。沿通道方向為火焰移動速率，移動的火焰工作面即被認為是加載到上覆煤巖的移動熱源。圖6給出了試驗過程火焰工作面沿氣化通道方向(橫向)和垂直通道方向(縱向)移動平均速度的變化情況。

圖6 通道式氣化橫向與縱向氣化工作面擴展速度

由圖6可知，沿通道(橫向)和垂直通道(縱向)平均擴展速度分別為0.089 和0.012 m/h,橫向速度遠大于縱向速度，橫縱平均速度比為7.42倍。在供風點附近，橫向和縱向燃燒速度均達到最大值，分別為0.116 和0.118 m/h，在供風點處煤層與氣化劑接觸面積大，O與煤壁的接觸狀態(tài)好，燃燒反應劇烈，氣化速度最快。因此，通道式氣化一般都設置輔助進氣孔，或采用控制后退注氣點氣化工藝，使注氣點隨著氣化工作面的移動而移動，能夠有效地提高氣化反應速度，維持氣化過程的連續(xù)。

2.2 煤層中氣體體積分數(shù)場演化

利用布置的3×15個取氣點，對H，CO和CH在煤層里分布進行了測定。

(1)不同時刻的H體積分數(shù)場。圖7為通道式氣化不同時間H體積分數(shù)場分布。從高體積分數(shù)所占的面積和位置來分析，H體積分數(shù)分布的總體趨勢是：隨著氣化的進行，高體積分數(shù)逐漸向氣化通道(中部)中轉移，可以理解為氣化初期隨煤層溫度的升高，煤層產(chǎn)生熱解煤氣，使煤層中H體積分數(shù)高于氣化通道中，但隨著熱解煤氣擴散滲透到氣化通道，煤層中相對H體積分數(shù)降低，而氣化通道壁面還原反應所產(chǎn)生的H體積分數(shù)相對升高，從而中部(通道)附近的H體積分數(shù)高于煤層中。

圖7 通道式氣化煤層中H2體積分數(shù)場演化

(2)不同時刻的CO體積分數(shù)場。通道式氣化煤層CO體積分數(shù)分布如圖8所示。同樣從高體積分數(shù)所占的面積和位置來分析，CO體積分數(shù)分布的總體趨勢是：開始時氣化通道附近的CO體積分數(shù)高于煤層中，可以理解為通道壁面的氣化還原反應是CO的主要來源，熱解煤氣在氣化過程中對CO的貢獻相對較小。隨著氣化的進行，煤層溫度升高，煤層中熱解煤氣貢獻增加，使煤層中CO體積分數(shù)升高。

圖8 通道氣化煤層中CO體積分數(shù)場演化

(3)不同時刻的CH體積分數(shù)場。圖9為通道式氣化煤層不同時間CH體積分數(shù)分布。

圖9 通道式氣化煤層中CH4體積分數(shù)場演化

高體積分數(shù)CH在氣化初期出現(xiàn)在氣化爐的中部，而非高溫區(qū)，且距反應區(qū)約為1.5 m?？梢耘袛嗝簹庵械腃H是由于高溫氣體對氣化通道煤層加熱熱解得到的。由其他時刻的CH體積分數(shù)場也可知，CH的產(chǎn)生均不在反應高溫核心處，CH的高體積分數(shù)區(qū)與反應區(qū)存在一定距離，反應強度不同，距離不一樣。同樣從高體積分數(shù)所占的面積和位置來分析，CH體積分數(shù)分布的總體趨勢是煤層中CH體積分數(shù)高于中部(氣化通道)附近，說明CH來源于煤層熱解，而非通道中的CH氣化反應。

氣化前期(如氣化3 h)，高體積分數(shù)CH區(qū)域范圍比較大，說明熱解氣所占比例較大；隨著氣化過程的進行，高體積分數(shù)CH區(qū)域范圍逐漸縮小，大部分區(qū)域CH體積分數(shù)小于2%，說明熱解氣所占比例減小。

H和CH體積分數(shù)隨時間的下降速率明顯小于CO，說明地下氣化過程中煤層熱解對有效氣的貢獻可以提高生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，同時CO體積分數(shù)是判別氣化爐反應狀況的重要指標。

2.3 巖層溫度場演化

熱彌散是多孔介質一種特有的換熱現(xiàn)象，由于多孔介質孔隙內速度脈動引起熱量的平均化，從而導致?lián)Q熱的增強。這與溶質運移的彌散效應類似，稱為熱彌散。在氣化過程中溫度在頂板巖層傳導時，在垂直方向上發(fā)生熱彌散作用。以氣化20 h時熱彌散情況為例，溫度擴展如圖10所示。隨高度增加，溫度影響范圍逐漸增加，但溫度降低。煤層和頂板交界面到20 cm高頂板處產(chǎn)生熱彌散作用，距煤層20～40 cm熱彌散作用明顯，彌散角約為45°。

圖10 通道式氣化20 h煤層與頂板各層溫度場演化

圖11為氣化不同時刻煤層與頂板交界面溫度場和距交界面20 cm處溫度場變化趨勢。

圖11 頂板與煤層交界面及距交界面20 cm處巖層溫度場演化

煤層點火點在中部左側，所以頂板溫度場在中部左側開始產(chǎn)生和擴展，初始時溫度上升緩慢。氣化一段時間后(高溫區(qū)距進氣孔1 m)，火焰沿正中心鋪設的氣化通道推進，頂板溫度場也逐漸趨于對稱，且有規(guī)律的沿通道方向和垂直通道方向擴展，與煤層溫度場變化一致，且延遲時間約為2 h。在距煤層20 cm處頂板溫度上升緩慢，擴展與交界面溫度場相似，最高溫度在400～500 ℃。

2.4 頂板應力變化

圖12為4個測點的應力隨時間變化關系。各測點均發(fā)生應力集中現(xiàn)象，最大集中應力各點不同，但差別不大，約為0.6 MPa，應力集中系數(shù)為2.0～2.5。沿通道方向上依次發(fā)生應力集中，時間延后，與煤層溫度場推進方向一致。

應力集中區(qū)是巖層易冒落區(qū)域，從圖12應力測點的位置和應力集中的時間可看出，巖層冒落隨著氣化工作面的推移而逐步發(fā)生。3個特征場之間的關聯(lián)是溫度，溫度場決定了體積分數(shù)場和應力場。煤層溫度場決定了煤層的氣化程度，溫度越高的區(qū)域氣化程度越高，該區(qū)域氣樣中H，CO體積分數(shù)越高。頂板溫度場隨著煤層溫度場的擴展而擴展，頂板應力也隨著煤層溫度場的推進沿通道方向依次發(fā)生集中，但與煤層溫度場相比都有一定的時間延后。

圖12 上覆巖層應力場演化

3 結 論

(1)模型試驗條件下，通道式氣化溫度場沿通道(橫向)和垂直通道(縱向)平均擴展速度分別為0.089和0.012 m/h,橫向速度遠大于縱向速度，平均速度比為7.42倍。在供風點附近，橫向和縱向擴展速度均達到最大值，分別為0.116和0.118 m/h。通道式氣化以壁面燃燒氣化為主，橫向擴展速度大于縱向擴展速度的11.4倍以上時，反應過程將失去穩(wěn)定性。

(2)通道式氣化體積分數(shù)場，煤層氣化通道附近的氣樣中H和CO體積分數(shù)高于煤層氣樣中，可以理解為通道壁面的還原反應是H和CO的主要來源，CH體積分數(shù)分布的總體趨勢是煤層氣樣中的CH體積分數(shù)高于氣化通道附近氣樣中，說明CH來源于煤層熱解，而非通道中的CH化反應。

(3)從煤層和巖層交界面到20 cm高頂板處產(chǎn)生熱彌散作用，距煤層20～40 cm內熱彌散作用明顯，彌散角為45°；頂板巖層中各應力測點均發(fā)生應力集中現(xiàn)象，最大集中應力各點不同，但差別不大，約為0.6 MPa，應力集中系數(shù)為2.0～2.5。沿通道方向上依次發(fā)生應力集中，時間延后，但與煤層溫度場推進方向一致。