基于化學(xué)計(jì)量理論的煤炭地下氣化過(guò)程能量回收評(píng)價(jià)方法

蘇發(fā)強(qiáng)，范偉濤，浦 海，高喜才，荊士杰，辛 林，張 濤，武俊博，鄧啟超

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.西安科技大學(xué) 西部煤炭綠色開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4. 山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤炭是已探明世界儲(chǔ)量最豐富的化石燃料，從安全和高效利用資源的角度來(lái)看，煤炭也是滿(mǎn)足能源快速增長(zhǎng)需求的主體。但是大量煤炭燃燒所產(chǎn)生的廢氣污染對(duì)環(huán)境造成的危害阻礙了其在工業(yè)生產(chǎn)及能源轉(zhuǎn)化上的應(yīng)用。為應(yīng)對(duì)解決煤炭燃燒帶來(lái)的污染問(wèn)題，潔凈煤開(kāi)采技術(shù)開(kāi)始得到越來(lái)越多的重視和發(fā)展。煤炭地下氣化(UCG)作為潔凈煤開(kāi)采技術(shù)之一，是一種新型高效綠色的煤炭開(kāi)采技術(shù)。典型UCG系統(tǒng)包括1個(gè)目標(biāo)煤層和2個(gè)從地面向煤層鉆入的垂直或具有一定角度的鉆孔，一個(gè)鉆孔用于注入氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)使煤層進(jìn)行有控制的原位燃燒，在氣化通道發(fā)生類(lèi)似于地表氣化爐氣化的一系列氣化反應(yīng)，生成氣化煤氣從另一個(gè)鉆孔排出，在地面進(jìn)行回收和凈化利用。煤炭地下氣化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)燃燒過(guò)程，氣化區(qū)域在氣化后會(huì)產(chǎn)生氣化空腔并發(fā)育演化形成燃空區(qū)。當(dāng)燃空區(qū)發(fā)育到一定規(guī)模時(shí)，氣化區(qū)圍巖及上覆巖層產(chǎn)生大量裂隙，甚至導(dǎo)致頂板垮落，可能會(huì)引起地表沉陷和地下水污染等一系列問(wèn)題并影響地下氣化的正常進(jìn)行。

氣化空腔的發(fā)育很大程度上取決于煤在氣化爐中的氣化反應(yīng)程度和反應(yīng)速率，而氣化空腔體積和耗煤量作為評(píng)價(jià)氣化效果的重要參數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)。另外，利用基礎(chǔ)的科學(xué)分析試驗(yàn)很難精確模擬出煤炭的實(shí)際氣化過(guò)程，與煤炭地下氣化產(chǎn)氣能量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究也相對(duì)缺乏。并且，地下氣化系統(tǒng)類(lèi)型及試驗(yàn)參數(shù)選擇的差異也會(huì)導(dǎo)致不同的氣化結(jié)果。因此，研究不同氣化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)操作參數(shù)條件下煤制氣成效評(píng)價(jià)所需的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)整個(gè)氣化過(guò)程的能量回收評(píng)估及實(shí)現(xiàn)高效的煤炭地下氣化具有十分重要的意義。

煤炭地下氣化過(guò)程復(fù)雜，工藝流程獨(dú)特，目前對(duì)于氣化過(guò)程中的氣化空腔發(fā)育、氣化效率及其影響因素、以及基于化學(xué)方法對(duì)氣化過(guò)程的分析等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多研究。詹俊懷等在物料與能量守恒的基礎(chǔ)上，通過(guò)有效能平衡方程確定的煤炭氣化有效能效率，提出了一種評(píng)估煤氣化過(guò)程氣化效率的評(píng)價(jià)方法；段天宏通過(guò)進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)和利用Matlab建立了不同氣化劑氣化條件下的氣化指標(biāo)計(jì)算模型并進(jìn)行了模擬計(jì)算，并與不同氣化工藝的氣化效率計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)UCG過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化效率評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了其有效性。單佩金等基于煤炭地下氣化小模型試驗(yàn)，結(jié)合熱力學(xué)定律和熱化學(xué)理論分析了不同氣化劑對(duì)氣化效率的影響；YANG Lanhe等通過(guò)UCG現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)考察了富氧-水蒸氣氣化工藝對(duì)提高H產(chǎn)量的促進(jìn)作用，并優(yōu)化了相關(guān)氣化劑注入?yún)?shù)。 PRABU V等通過(guò)使用特殊木材和煤制作氣化裝置模擬煤炭地下氣化過(guò)程，并研究了氣化腔體的擴(kuò)展和空腔發(fā)育速率；王喆等通過(guò)大型相似模擬試驗(yàn)研究了煤炭地下氣化反應(yīng)過(guò)程中氣化區(qū)上覆巖層溫度場(chǎng)的變化情況；WANG Zuotang等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)考察了不同氣化工藝對(duì)煤炭地下氣化效率的影響；唐芙蓉、趙東明對(duì)熱-力耦合作用下燃空區(qū)覆巖溫度場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的衍化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；ZAGORSCAK R等通過(guò)試驗(yàn)考察了不同氣化劑配比和速率對(duì)氣化過(guò)程的影響；ADAM Smoliński等用化學(xué)方法對(duì)褐煤及硬煤煤層在煤炭地下氣化過(guò)程中產(chǎn)生的廢水有害無(wú)機(jī)物進(jìn)行了分析研究。但是基于化學(xué)計(jì)量學(xué)理論來(lái)評(píng)估整個(gè)煤炭地下氣化過(guò)程中能量回收情況的理論及試驗(yàn)研究相對(duì)較少，同時(shí)也缺乏普遍適用于評(píng)價(jià)煤炭地下氣化效率的精確方法。

筆者針對(duì)目標(biāo)煤層不同的礦床埋藏條件和水文地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了不同的鏈接孔模型和同軸孔模型UCG試驗(yàn)，考察了不同氣化通道類(lèi)型以及氣化劑流量對(duì)生成氣成分和氣化效率的影響。采用全程溫度監(jiān)測(cè)方法對(duì)氣化區(qū)溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)氣化空腔石膏填充后的切割斷面直接觀測(cè)來(lái)考察氣化空腔變化情況，同時(shí)使用氣相色譜儀對(duì)氣化煤氣成分及熱值進(jìn)行解析。為了精確評(píng)估整個(gè)氣化過(guò)程，本研究還提出了一種基于化學(xué)計(jì)量法，利用解析的氣化煤氣組分及熱值結(jié)果結(jié)合煤樣的工業(yè)及元素分析結(jié)果等評(píng)估各項(xiàng)能量回收參數(shù)的計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)比不同UCG模擬試驗(yàn)，考察了氣化通道類(lèi)型以及氣化劑對(duì)氣化效率的影響并初步驗(yàn)證了所提出的氣化過(guò)程能量回收評(píng)價(jià)方法的有效性。

1 試 驗(yàn)

1.1 煤樣及試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室使用的煤塊形狀為矩形棱柱，表1給出了模擬試驗(yàn)所用煤樣的工業(yè)分析與元素分析(C，H，N，O組成)結(jié)果。試驗(yàn)用煤樣含有較高的揮發(fā)分(42.90%)與灰分(14.50%)，而固定碳(36.50%)相對(duì)較低，含硫量小于1%，屬于低硫煤。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種氣化通道類(lèi)型，即V字型、L字型鏈接孔模型以及同軸孔模型，共計(jì)4組試驗(yàn)，分別命名為A1(V型)，A2(L型)，A3(同軸型)，A4(同軸型)。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal sample %

本研究考察了V型和L型鏈接孔模型以及同軸孔模型UCG模擬試驗(yàn)結(jié)果。V型模型試驗(yàn)在工藝上類(lèi)似于Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的“長(zhǎng)壁”可伸縮注入點(diǎn)(CRIP)氣化工藝。在L型模型試驗(yàn)中，注氣井和生產(chǎn)井可以根據(jù)煤層的不同埋藏條件和傾角，設(shè)計(jì)成不同的夾角，點(diǎn)火處可以設(shè)置在特定的位置。同軸UCG模型成本要低于鏈接孔模型，適合小規(guī)模、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的目標(biāo)煤層。圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的同軸垂直單孔，只需從地面向煤層打入單個(gè)鉆孔并安裝同軸套管，其中，內(nèi)管可以自由滑動(dòng)并調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的位置，以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精確點(diǎn)火和控制氣化區(qū)的移動(dòng)。表2列出了各試驗(yàn)的系統(tǒng)類(lèi)型及相關(guān)操作參數(shù)信息。UCG模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括小型氣化爐主體、氣化劑注入系統(tǒng)、實(shí)時(shí)稱(chēng)重器、過(guò)濾凈化罐、溫度及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣相色譜分析儀等設(shè)備。

圖1 同軸孔型UCG原理示意Fig.1 Schematic diagram of coaxial UCG

表2 UCG試驗(yàn)系統(tǒng)類(lèi)型及相關(guān)操作參數(shù)Table 2 UCG test system type and related operating parameters

各UCG試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕孛婧统叽缛鐖D3所示。氣化爐壁由一定厚度的耐熱混凝土澆灌而成。將煤樣整形為長(zhǎng)方體形狀，并用耐高溫混凝土澆灌固定在爐罐內(nèi)(27.5 cm×36 cm)。根據(jù)設(shè)計(jì)的氣化通道類(lèi)型在氣化區(qū)鉆取孔洞并連通用作氣化通道，并在桶壁上鉆孔布置溫度傳感器(CH1～CH9)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化區(qū)溫度，傳感器位置如圖4所示。電子稱(chēng)重器用于監(jiān)測(cè)UCG模型在氣化試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量變化。過(guò)濾凈化罐安裝在產(chǎn)氣孔，用于冷凝過(guò)濾氣體產(chǎn)物氣中的水和焦油等雜質(zhì)。在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，將過(guò)濾后的干燥產(chǎn)物氣取樣到氣相色譜儀中進(jìn)行在線(xiàn)分析。

1.2 試驗(yàn)流程

在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，用點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃煤塊，并在著火點(diǎn)放置木炭碎片等易燃物助燃。點(diǎn)火裝置為(長(zhǎng)管)氣噴槍?zhuān)瑖娧鏈囟容^高，從而快速點(diǎn)燃煤塊和助燃材料以產(chǎn)生足夠的高溫環(huán)境。然后，將氣化劑供應(yīng)系統(tǒng)連接到氣化爐注氣孔位置，向氣化通道內(nèi)以5 L/min的流速通入純氧，以確保成功點(diǎn)火。點(diǎn)火過(guò)程通常持續(xù)約10 min，通過(guò)實(shí)時(shí)溫度與氣體監(jiān)測(cè)進(jìn)行調(diào)控。點(diǎn)火階段，在系統(tǒng)末端氣體放流位置進(jìn)行氣體點(diǎn)火測(cè)試，氣化區(qū)點(diǎn)火位置附近熱電偶監(jiān)測(cè)溫度快速上升，生成氣中H,CO,CH等主要可燃?xì)怏w成分含量持續(xù)升高，當(dāng)生成氣體被順利點(diǎn)燃，標(biāo)志著試驗(yàn)點(diǎn)火成功。在點(diǎn)火成功后，以不同流速鼓入氣化劑，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐模型內(nèi)部溫度變化，監(jiān)測(cè)生成氣氣體濃度和模型整體質(zhì)量。本研究中試驗(yàn)A3,A4的同軸內(nèi)管分別為耐熱鋼管與耐熱陶瓷管。溫度較高的生成氣通過(guò)含有水和其他冷卻液體的過(guò)濾罐進(jìn)行冷卻凈化。每隔30 min將干燥和清潔的產(chǎn)品氣體取樣并泵入氣相色譜儀，對(duì)煤氣成分進(jìn)行在線(xiàn)定量分析。另外，在操作參數(shù)調(diào)整的特殊時(shí)間點(diǎn)也進(jìn)行了煤氣的取樣和分析。

圖2 UCG模擬試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 UCG Simulation test system

圖3 實(shí)驗(yàn)室氣化爐模型結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of laboratory gasifier model structure

圖4 煤炭地下氣化反應(yīng)過(guò)程示意Fig.4 Schematic diagram of coal underground gasification reaction process

筆者考察了不同氣化劑流量對(duì)各模型氣化試驗(yàn)過(guò)程中生成氣成分、比例、熱值及氣化效率的影響。

1.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)手段為溫度與生成氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在UCG過(guò)程中，氣化區(qū)的溫度分布能夠準(zhǔn)確反映氣化試驗(yàn)進(jìn)程，并有助于考察氣化區(qū)推移及燃空區(qū)的發(fā)育演化規(guī)律等。對(duì)生成氣體組分及濃度的實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析可以精確掌握氣化區(qū)氣化燃燒的狀況，并為各項(xiàng)操作參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)，確保氣化過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本文中各試驗(yàn)均配備了熱電偶對(duì)氣化區(qū)煤層溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各試驗(yàn)系統(tǒng)均采用氣相色譜儀對(duì)生成氣氣體成分濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，每隔30 min(必要時(shí)偶爾1 h)對(duì)生成氣進(jìn)行采樣和分析。通過(guò)對(duì)比生成氣組分及濃度變化，及時(shí)對(duì)氣化反應(yīng)異常情況作出相應(yīng)調(diào)整。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究共進(jìn)行了4組不同設(shè)計(jì)操作參數(shù)的UCG模擬試驗(yàn)。采用分層位溫度監(jiān)測(cè)法對(duì)試驗(yàn)氣化區(qū)域溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)比各試驗(yàn)溫度與生成氣組分及濃度變化，研究不同氣化通道類(lèi)型以及氣化劑流量對(duì)生成氣成分和氣化效率的影響。

2.1 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

煤炭地下氣化過(guò)程涉及傳熱傳質(zhì)、流體流動(dòng)、氣固兩相化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。在UCG過(guò)程中，煤炭燃燒產(chǎn)生的熱量不斷傳遞給周?chē)簩?，生成的高溫氣體沿著氣化通道向前散流。隨著氣化時(shí)間推移，從點(diǎn)火位置區(qū)域開(kāi)始逐漸形成向前擴(kuò)展發(fā)育的氣化反應(yīng)區(qū)。根據(jù)溫度不同可將氣化反應(yīng)區(qū)分為氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)。圖4給出了煤炭地下氣化過(guò)程中各反應(yīng)區(qū)溫度區(qū)間范圍及發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)，圖4中Δ為化學(xué)反應(yīng)焓變。

(1)氧化區(qū)。煤炭與氣化劑中氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)釋放大量熱，傳至附近煤層使溫度迅速升高(>900 ℃)。直至氣流中氧氣基本消耗完畢時(shí)，燃燒反應(yīng)停止，氧化區(qū)結(jié)束。

(2)還原區(qū)。氧化區(qū)生成的氣流沿氣化通道到達(dá)還原區(qū)，產(chǎn)生的熱量使還原區(qū)煤層處于熾熱狀態(tài)，溫度在550～900 ℃。在此高溫環(huán)境下，空氣中含有的水蒸氣和煤中固有水與煤發(fā)生水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，CO與碳發(fā)生還原反應(yīng)生成CO，CO與水發(fā)生水煤氣變換反應(yīng)。當(dāng)還原反應(yīng)吸熱致使煤層與氣流溫度下降到一定程度時(shí)，此時(shí)溫度不能滿(mǎn)足還原反應(yīng)需要的高溫環(huán)境而導(dǎo)致還原反應(yīng)停止。

(3)干餾干燥區(qū)。無(wú)氧的高溫氣流在干餾干燥區(qū)對(duì)煤產(chǎn)生熱解作用促使煤中的水與揮發(fā)分析出。干餾干燥區(qū)溫度在200～550 ℃。

在經(jīng)過(guò)3個(gè)反應(yīng)區(qū)一系列反應(yīng)后,生成了可燃成分主要為H，CH，CO的混合煤氣。隨著煤層的不斷燃燒，3個(gè)反應(yīng)區(qū)逐漸向生產(chǎn)孔移動(dòng)，氣化區(qū)域連續(xù)向前徑向和軸向推進(jìn)，進(jìn)而維持了氣化反應(yīng)進(jìn)程的不斷進(jìn)行。從化學(xué)反應(yīng)角度上，3個(gè)區(qū)域并沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的界限劃分，而是在闡述氧化還原及干餾干燥反應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱程度。

2.1.1 試驗(yàn)A1(V型)

在點(diǎn)火成功后，將氣化劑供應(yīng)系統(tǒng)與氣化爐模型連接，在接下來(lái)8 h的氣化過(guò)程中，以約5 L/min的平均流速將純氧持續(xù)注入到反應(yīng)區(qū)。圖5(a)給出了A1試驗(yàn)過(guò)程中不同熱電偶溫度變化曲線(xiàn)。在排氣管道中，安裝了CH8和CH9熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)生成氣氣流的溫度。在試驗(yàn)初期，點(diǎn)火區(qū)域(CH1)周?chē)臏囟瓤焖偕?，之后，高溫區(qū)域沿著上部的鏈接孔(CH2，CH7)位置逐漸移動(dòng)。在試驗(yàn)后期，下鏈接孔(CH3，CH6)周?chē)臏囟燃眲∩摺＜s2.8 h后，各熱電偶記錄的溫度緩慢上升，生成氣可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)和熱值下降。圖5(a)中4 h左右的位置顯示，在提高供氧速率后，溫度急劇上升，生成氣熱值不斷增加，氣體中H與和CO組分成所占的可燃?xì)怏w比例較高(圖6(a))。試驗(yàn)結(jié)果表明氣化進(jìn)程和氣化面積得到擴(kuò)展。

圖5 溫度相對(duì)時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Temperature curves with respect to time

2.1.2 試驗(yàn)A2(L型)

圖5(b)顯示了L型鏈接孔模型試驗(yàn)中位于不同位置的熱電偶CH1～CH9(圖3)的溫度變化。CH10熱電偶安裝在產(chǎn)氣孔中用來(lái)監(jiān)測(cè)生成氣溫度。氣化過(guò)程開(kāi)始后，CH2記錄的溫度保持快速增長(zhǎng)，直至達(dá)到最高(893 ℃)，燃燒區(qū)在早期形成于點(diǎn)火區(qū)域(CH2附近)附近。對(duì)應(yīng)圖6(b)氣體成分變化中0～2 h的相同時(shí)間段，生成氣可燃?xì)怏w成分也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨后，CH1，CH3，CH5，CH8熱電偶記錄的溫度顯著升高。在2.5 h之后，熱電偶CH1，CH3，CH5，CH8記錄溫度逐漸升高，分別達(dá)到407，524，670，679 ℃。CH5和CH8記錄的溫度在4～6 h內(nèi)迅速升高。從上述數(shù)據(jù)可以推斷出燃燒區(qū)前端移動(dòng)到了出氣口側(cè)的煤層邊界，約繼續(xù)供氧2 h后試驗(yàn)結(jié)束。

2.1.3 試驗(yàn)A3(同軸型)

在同軸孔模型試驗(yàn)A3中，沿垂直方向設(shè)置同軸管道(內(nèi)管直徑15 mm)，將氧氣注入氣化區(qū)，圖3給出了同軸管的尺寸以及通道中熱電偶CH1～CH8排列的位置。

圖5(c)給出了A3模型試驗(yàn)過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。如圖5(c)所示，在點(diǎn)火成功后，高溫區(qū)主要分布在煤塊上部(CH5，CH6)。CH5的溫度在約4 h時(shí)出現(xiàn)局部高溫現(xiàn)象，同時(shí)生成氣熱值也達(dá)到了8.45 MJ/m(圖6(c))。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，CH5，CH6，CH7和CH8的溫度(CH6>CH5>CH8>CH7)持續(xù)升高，但其余熱電偶持續(xù)處于低溫狀態(tài)，該溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明氣化區(qū)域僅集中在煤塊的中上部。試驗(yàn)結(jié)束后，從模型上拆下同軸管，發(fā)現(xiàn)在同軸內(nèi)管在高溫下已經(jīng)熔斷。純氧作為氣化劑是為了給氣化區(qū)提供足夠高的溫度場(chǎng)，但也導(dǎo)致內(nèi)管在氣化區(qū)內(nèi)部的高溫環(huán)境下熔化，也是氣化區(qū)沒(méi)有向下擴(kuò)展的主要原因。

2.1.4 試驗(yàn)A4(同軸型)

在A4模型試驗(yàn)中，為避免同軸內(nèi)管在高溫下熔斷，將內(nèi)管更換為陶瓷內(nèi)管。氣化劑注入流量調(diào)整為3 L/min，整個(gè)氣化過(guò)程持續(xù)14 h。

圖6 氣化過(guò)程中生成氣體熱值及組分變化Fig.6 Changes in calorific value and composition of gas generated during gasification

圖5(d)為A4試驗(yàn)中熱電偶CH2～CH8在整個(gè)氣化過(guò)程中的溫度變化曲線(xiàn)。試驗(yàn)開(kāi)始后，熱電偶在CH2和CH3位置記錄的溫度保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，并達(dá)到約400 ℃，說(shuō)明在初始階段，燃燒區(qū)域形成于靠近點(diǎn)火位置(CH3)附近。在試驗(yàn)開(kāi)始3.25 h后，停止氣化劑注入約30 min，導(dǎo)致氣化區(qū)溫度和生成氣氣體體積分?jǐn)?shù)略有下降。在大約5 h和7 h后，熱電偶CH2,CH3，CH5，CH6記錄的溫度分別逐漸升高并達(dá)到較高水平(約500 ℃)。位于上部的熱電偶CH8在試驗(yàn)進(jìn)行8.9 h后監(jiān)測(cè)到最高溫度681 ℃。

在隨后的氣化過(guò)程中，氣化區(qū)溫度逐漸下降，推測(cè)反應(yīng)區(qū)域已擴(kuò)展至煤層的上部邊界，但在本試驗(yàn)條件下氣化腔體在水平方向的擴(kuò)展不理想。

2.2 生成氣監(jiān)測(cè)結(jié)果

從化學(xué)角度分析，煤炭地下氣化是將高分子煤在地下不完全燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿恿靠扇細(xì)怏w，輸送到地面后加以?xún)艋玫幕瘜W(xué)采煤方法。在試驗(yàn)中，將氣化煤氣經(jīng)冷卻過(guò)濾罐凈化處理后進(jìn)行干燥，再取樣泵入氣相色譜儀中進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 試驗(yàn)A1(V型)

圖6(a)給出了A1模型試驗(yàn)氣化劑注入流量、生成氣各氣體組分體積分?jǐn)?shù)和氣體熱值的變化曲線(xiàn)。

在試驗(yàn)開(kāi)始約25 min后，氣化生成煤氣被成功點(diǎn)燃，隨后約3 h內(nèi)，氣化區(qū)發(fā)生連續(xù)穩(wěn)定氣化。在3～4 h階段中獲得的生成氣質(zhì)量變差，CO成分占比較大，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到57.1%，CO和H體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，此時(shí)生成氣熱值為8.03 MJ/m。當(dāng)供氧速率提高到7 L/min后，CO，H占比明顯增加。生成氣熱值在4 h時(shí)達(dá)到峰值(13.19 MJ/m)。在試驗(yàn)后期，盡管供氧速率增加，但生成氣可燃?xì)怏w成分下降，CO比例持續(xù)上升。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生CO，H和CH，生成氣體的平均熱值為10.26 MJ/m。

2.2.2 試驗(yàn)A2(L型)

圖6(b)給出了試驗(yàn)A2的生成氣各組分濃度和總熱值在氣化過(guò)程中隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。在A2模型試驗(yàn)過(guò)程中，供氧速率為3.8～5.0 L/min。生成氣中CO，CH在0.5 h后呈顯著增加趨勢(shì)，CO體積分?jǐn)?shù)大于65%。生成氣熱值在0.9 h時(shí)也達(dá)到峰值(17.04 MJ/m)。在1.4 h左右，生成氣被成功點(diǎn)燃，將供氧速率提高至5 L/min直到試驗(yàn)結(jié)束。在接下來(lái)約5 h的時(shí)間內(nèi)，燃燒區(qū)呈現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的氣化狀態(tài),生成氣平均熱值約為11.11 MJ/m。

2.2.3 試驗(yàn)A3(同軸型)

在A3試驗(yàn)中，向氣化爐以3～5 L/min的流量提供純氧以維持整個(gè)氣化過(guò)程。生成氣各氣體組分體積分?jǐn)?shù)和熱值如圖6(c)所示。

在0.5 h左右，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，可燃?xì)怏w成分逐漸減少，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到第2個(gè)峰值(82.4%)后，CO體積分?jǐn)?shù)下降，熱值也持續(xù)下降至3.86 MJ/m。如圖6(c)所示，在2.3 h左右,氧氣出口位置通過(guò)內(nèi)管向上滑動(dòng)約50 mm后，部分氧氣(氣化劑)也從注入口溢出至產(chǎn)氣孔，導(dǎo)致空腔擴(kuò)展速度減小。隨后，將供氧速率增至5 L/min以增強(qiáng)氣化過(guò)程。在2.8～4.2 h時(shí)間段，供氧速率在提高到5 L/min一段時(shí)間后，CO體積分?jǐn)?shù)迅速增長(zhǎng)。該結(jié)果表明此條件下，5 L/min的供氧速率對(duì)于穩(wěn)定的氣化來(lái)說(shuō)速率過(guò)高。試驗(yàn)過(guò)程中生成氣各組分氣體量波動(dòng)較大，除二氧化碳外，大部分氣體都逐漸減少。由這些氣體估算出的平均熱值約為7.38 MJ/m，與鏈接孔模型試驗(yàn)值相差較大。由此推斷在該試驗(yàn)中未發(fā)生穩(wěn)定的氣化。

2.2.4 試驗(yàn)A4(同軸型)

A4模型試驗(yàn)中各氣體組分及熱值變化如圖6(d)所示。在該試驗(yàn)中，氣化過(guò)程進(jìn)行了約14 h，平均供氧速率為3 L/min。在2 h左右，H和CO體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始上升，且CO體積分?jǐn)?shù)上升速率增加。H體積分?jǐn)?shù)在4.2 h左右上升至最高水平，約為10%。在4.5 h后，生成氣可燃成分整體略微上升，在5 h左右熱值達(dá)到8.24 MJ/m，在7 h為7.32 MJ/m。A3試驗(yàn)和A4試驗(yàn)結(jié)果表明在試驗(yàn)條件下，同軸UCG模型試驗(yàn)的氣化效果不好，生成氣質(zhì)量較差。生成氣主要由CO，N以及溢出的氣化劑O等非可燃成分組成，且可燃?xì)怏w成分在試驗(yàn)過(guò)程中波動(dòng)較大?？扇汲煞煮w積分?jǐn)?shù)較小導(dǎo)致了生成氣的平均熱值(7.38和4.70 MJ/m)相對(duì)較低。

3 能量回收評(píng)價(jià)及氣化煤耗量

在煤炭地下氣化過(guò)程中，由于煤的性質(zhì)和操作參數(shù)的不同，各類(lèi)型UCG系統(tǒng)均表現(xiàn)出不同的氣化過(guò)程和空腔擴(kuò)展現(xiàn)象。氣化過(guò)程中空腔的形成和氣化效率取決于煤炭消耗量、消耗速率以及煤層地質(zhì)條件，但是在地下現(xiàn)場(chǎng)獲取這些信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，煤炭地下氣化會(huì)存在各種形式的能量損失，如產(chǎn)物氣地表泄漏、對(duì)周?chē)h(huán)境的熱傳導(dǎo)、固有水分轉(zhuǎn)化為水蒸氣等?；谏鲜鲈囼?yàn)中的4個(gè)煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)(A1～A4)得到了溫度分布、生成氣氣體成分變化、平均熱值和氣化爐質(zhì)量損失的結(jié)果，用以評(píng)估煤的氣化效率。從氣體成分濃度變化曲線(xiàn)和溫度變化曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，鏈接孔UCG試驗(yàn)的氣化反應(yīng)穩(wěn)定且產(chǎn)物氣熱值高。為了進(jìn)一步考察上述實(shí)驗(yàn)整個(gè)氣化過(guò)程的不同氣化效果，對(duì)氣體能量回收進(jìn)行了評(píng)估。

3.1 評(píng)價(jià)方法及結(jié)果

目前對(duì)根據(jù)生成氣成分建立氣化過(guò)程平衡反應(yīng)式的研究相對(duì)較少。本研究考察了3種UCG類(lèi)型試驗(yàn)的氣化化學(xué)過(guò)程并進(jìn)行了比較。在地下氣化過(guò)程中，根據(jù)生成氣的氣體成分和已知的氣化劑O的氣化反應(yīng)量可以評(píng)估煤的氣化反應(yīng)過(guò)程，并估算煤的氣化消耗量。由于下述計(jì)算公式方法中沒(méi)有作任何理論假設(shè)或近似值替代，因此適用于估算有足夠基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的UCG氣化反應(yīng)過(guò)程。

本研究對(duì)利用O作為氣化劑的UCG氣化過(guò)程進(jìn)行估算并提出了用該化學(xué)計(jì)量方法來(lái)分析煤的氣化反應(yīng)過(guò)程。該方法對(duì)煤耗、產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣熱值等能量回收結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，也對(duì)不同類(lèi)型鏈接孔和相關(guān)操作參數(shù)的氣化效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

煤炭地下氣化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可用元素平衡方程來(lái)表示，如式(1)所示。根據(jù)煤的元素分析結(jié)果，不論煤分子的具體結(jié)構(gòu)如何，都可以用CHO對(duì)其化學(xué)過(guò)程進(jìn)行充分討論。UCG工藝生產(chǎn)的干燥煤氣組分主要包含H，CO，CO和CH(不含N)，在式(1)中其體積分?jǐn)?shù)分別由，，和表示，代表上述氣化試驗(yàn)過(guò)程中得到的各氣體成分平均體積分?jǐn)?shù)(表3)。

(1)

式中，和為O和HO的平衡系數(shù)；和可以通過(guò)對(duì)煤樣的元素分析結(jié)果得到；，，和分別為H,CO,CO和CH的物質(zhì)的量。

設(shè)式(1)生成氣氣體的總物質(zhì)的量∑為

∑=+++

(2)

則每種氣體成分的物質(zhì)的量描述為

=∑，=∑，=∑，=∑

(3)

+++=1

(4)

將式(3)，(4)代入到碳平衡方程：++=1，可以得到總物質(zhì)的量∑為

∑=1(++)

(5)

根據(jù)各氣體的平均體積分?jǐn)?shù)，得出

(6)

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素守恒，在式(1)中，反應(yīng)前、后H元素的數(shù)量分別為(+2)，(2+4)，可以通過(guò)將式(6)代入式(1)中的氫平衡方程(+2=2+4)得到

(7)

在式(1)中，反應(yīng)前、后O元素的數(shù)量分別為(+2+)，(+2)，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)元素守恒將式(6)和式(7)代入式(1)的氧平衡方程(+2+=+2)，得到O的平衡系數(shù):

(8)

煤耗量由O供給量(m/h)和式(8)中的平衡系數(shù)確定：

(9)

其中，為O的摩爾分?jǐn)?shù)(當(dāng)使用純氧作為氣化劑時(shí)，=1)；為工業(yè)分析得出的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。干燥氣體流量的計(jì)算如下：

=0022 4×∑

(10)

=1 200

其中，為氣化過(guò)程煤耗的物質(zhì)的量。對(duì)利用氣象色譜分析得到的各氣體成分體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行水分去除校正計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 各試驗(yàn)生成氣不同組分氣體體積分?jǐn)?shù)平均值Fig.7 Average gas volume fraction of different components of test generated gas

在試驗(yàn)中，煤樣的產(chǎn)氫率為4.4%～17.8%，氣化爐內(nèi)溫度場(chǎng)較高，出現(xiàn)了900 ℃以上高溫。因?yàn)镃O的還原和水煤氣反應(yīng)溫度在600～1 000 ℃，且由于不同煤中C，H，N，O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，決定著，，的取值，從而直接影響氣化能量回收結(jié)果。

利用式(11)，根據(jù)干態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下各種可燃?xì)怏w組分計(jì)算發(fā)熱量。

=(H)+12.8+39.9(CH)+63(CH)+ 69.7(CH)+12.6(CO)

(11)

其中，為生成混合煤氣的熱值。(H)，(CH)，(CH)，(CH)，(CO)分別為生成氣中H，CH，CH，CH，CO的摩爾分?jǐn)?shù)。各組分氣體的熱值如圖8所示。

氣體能量回收評(píng)估的詳細(xì)結(jié)果和相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。在鏈接孔UCG模型和同軸孔UCG模型試驗(yàn)中，煤的總消耗量分別為3.800 kg(V型)、3.012 kg(L型)和0.971 kg(同軸A3)、1.977 kg(同軸A4)。同軸孔型UCG試驗(yàn)的產(chǎn)氣速率為0.990 m/h，遠(yuǎn)低于鏈接孔試驗(yàn)的2.276 m/h。根據(jù)耗煤量計(jì)算的生成氣體量和生成氣熱值如圖9所示。由圖9可以看出，鏈接孔UCG模型試驗(yàn)生成氣化煤氣熱值較高，而同軸孔UCG模型試驗(yàn)結(jié)果較低。

圖8 生成氣各組分氣體熱值Fig.8 Calorific values of each component of the generated gas

表3 各試驗(yàn)操作參數(shù)與生成氣估算結(jié)果Table 3 Operating parameters of each test and estimation results of generated gas

圖9 各UCG模型試驗(yàn)生成氣熱值Fig.9 Heat value of generated gas in each UCG model test

由于試驗(yàn)所用煤樣的熱值和目標(biāo)煤層煤的熱值存在差異，所以為了化學(xué)計(jì)量結(jié)果能更好地評(píng)估試驗(yàn)中的氣化效率，本研究提出了能量回收率的定義，計(jì)算公式為

(12)

式中，為單位質(zhì)量煤產(chǎn)生氣化煤氣的體積，m/kg；為試驗(yàn)用煤?jiǎn)挝话l(fā)熱量，取26.15 MJ/kg；為試驗(yàn)過(guò)程中氣化煤氣的單位平均熱值，MJ/m。

各試驗(yàn)?zāi)芰炕厥章式Y(jié)果見(jiàn)表4。

3.2 煤耗量計(jì)算

為了評(píng)估氣化效果，還研究了L型和2個(gè)同軸孔型模型試驗(yàn)的空腔體積和煤耗量。試驗(yàn)結(jié)束，拆下連接管道后，將石膏倒入氣化燃空區(qū)中，待石膏凝固后

表4 不同UCG模型試驗(yàn)?zāi)芰炕厥章蔜able 4 Different UCG model test energy recovery rate

將模型切割，直接觀察燃空區(qū)斷面并考察空腔形狀和裂隙。圖10給出了各試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓懈顢嗝娴恼掌Ｆ渲?，L型模型斷面沿著圖10中所示方向進(jìn)行切割，A3，A4為同軸模型平行于氣化通道的方向進(jìn)行切割的斷面。白色區(qū)域?yàn)槭嗄z結(jié)的空腔和裂縫，結(jié)果顯示，試驗(yàn)A2中氣化空腔集中在氣化通道附近，裂隙覆蓋廣泛且分布較為均勻，表明氣化區(qū)域貫穿整個(gè)氣化區(qū)，氣化過(guò)程較為穩(wěn)定。試驗(yàn)A3氣化空腔在煤塊上部，裂隙呈現(xiàn)向下擴(kuò)展趨勢(shì)，證明氣化區(qū)域集中在煤塊中上部，氣化進(jìn)程提前終止。試驗(yàn)A4氣化空腔體積較小，主要分布在氣化通道附近且氣化區(qū)域狹長(zhǎng)，說(shuō)明氣化區(qū)域未充分?jǐn)U展，氣化效果較差，與溫度監(jiān)測(cè)和氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖10 L型(A2)與同軸型(A3/A4)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿嗝鍲ig.10 L-type (A2) and coaxial type (A3/A4) test model sections

通過(guò)軟件計(jì)算得到了空腔部分的不規(guī)則斷面的面積，通過(guò)旋轉(zhuǎn)空腔截面的不規(guī)則斷面得到的三維空腔，并計(jì)算出空腔體積()的近似值。另一種方法是利用模型的實(shí)際質(zhì)量損失來(lái)計(jì)算空腔體積()，該計(jì)算方法可能受煤內(nèi)部微裂紋的影響?？涨惑w積結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同UCG模型空腔體積Table 5 Cavity volume of different UCG models

表6給出了各UCG模型試驗(yàn)氣化爐質(zhì)量損失的實(shí)際值及評(píng)估值，對(duì)理論計(jì)算的耗煤量與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并列出了誤差。該數(shù)據(jù)表明，對(duì)于上述模型試驗(yàn)，實(shí)測(cè)值與估算值之間的最大誤差不超過(guò)10%。誤差可能是由于煤中的水分蒸發(fā)(裂隙游離水)、不完全干燥混凝土的水分、過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾的焦油以及揮發(fā)性物質(zhì)的存在等因素引起的。

表6 模型質(zhì)量損失的實(shí)際值與評(píng)估值Table 6 Actual values of model weight loss with estimated values

在前文中，基于對(duì)溫度曲線(xiàn)、氣化空腔和生成氣氣體各組分體積分?jǐn)?shù)的考察，分析了得到的鏈接孔和同軸孔UCG模型試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，鏈接孔UCG模型試驗(yàn)氣化效率高、空腔擴(kuò)展快、生成氣有效成分體積分?jǐn)?shù)高。而同軸孔UCG試驗(yàn)的氣化區(qū)限制在氣化通道附近區(qū)域，生成氣熱值較低，氣化效果較差。并可通過(guò)能量回收評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

由于同軸孔UCG系統(tǒng)的試驗(yàn)操作特性，鉆孔的前端容易被堵塞，空腔底部的灰燼形成了阻擋熱量和氣體傳遞的屏障，會(huì)阻礙進(jìn)一步的氣化反應(yīng)。此外，由于同軸孔UCG試驗(yàn)中使用的鋼質(zhì)同軸內(nèi)管熔斷(A3中的鋼管)或高溫下破裂(A4中的陶瓷管)等情況也會(huì)導(dǎo)致孔道堵塞。同軸模型試驗(yàn)后，內(nèi)管大部分已被損壞或燒斷，導(dǎo)致氣化反應(yīng)的終止。另外，由于同軸孔UCG試驗(yàn)氣化爐內(nèi)恒定的高溫和空腔擴(kuò)展緩慢形成了較硬的焦化和半焦化區(qū)，從而提高了氣化爐周?chē)后w的物理和機(jī)械強(qiáng)度，這也阻礙了進(jìn)一步的氣化。試驗(yàn)結(jié)束后，考察了從氣化爐截面圖像獲得的各實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)氣化通道周?chē)牧严堵剩磫挝幻娣e上的破裂面積比例，見(jiàn)表7。

煤炭地下氣化過(guò)程中氣化通道周?chē)后w的裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展與集聚導(dǎo)致氣化區(qū)空間膨脹及氧化表面擴(kuò)大，可以進(jìn)一步有效促進(jìn)地下氣化進(jìn)程。因此，氣化區(qū)裂隙率的考察進(jìn)一步驗(yàn)證并補(bǔ)充了氣化過(guò)程能量回收評(píng)價(jià)結(jié)果。

表7 各試驗(yàn)氣化通道周?chē)严堵蔜able 7 Laboratory UCG model test of crack rate around gasification channel

4 結(jié) 論

(1)鏈接孔型UCG試驗(yàn)氣化過(guò)程穩(wěn)定，得到的生成氣平均熱值較高，平均約為11 MJ/m，其中CO占比超過(guò)30%，CH占比高達(dá)17%。雖然試驗(yàn)的研究規(guī)模相對(duì)工業(yè)試驗(yàn)較小，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，可供現(xiàn)場(chǎng)UCG參考。

(2)同軸孔型試驗(yàn)與鏈接孔型試驗(yàn)相比，氣化過(guò)程波動(dòng)較大，可燃?xì)怏w組分體積分?jǐn)?shù)及氣化煤氣熱值較低，氣化效果較差。雖然在特定的煤層埋藏條件下同軸孔UCG系統(tǒng)相對(duì)于鏈接孔UCG有一定優(yōu)勢(shì)，但該系統(tǒng)對(duì)氣化通道內(nèi)管材料要求較高，在本試驗(yàn)條件下并未取得理想的結(jié)果。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明在氣化過(guò)程中，注入流量對(duì)氣化過(guò)程影響很大。氧氣為氣化過(guò)程的有效燃燒和氣化空腔擴(kuò)展提供了必需的溫度場(chǎng)。因此，為了保證氣化過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，應(yīng)優(yōu)化不同氣化階段的注氧參數(shù)設(shè)計(jì)。

(4)結(jié)合試驗(yàn)中空腔體積及空腔周?chē)旱牧严斗植紝?duì)氣化空腔的擴(kuò)展趨勢(shì)進(jìn)行了考察。證實(shí)溫度與氣體監(jiān)測(cè)的可靠性。另外，本研究試驗(yàn)條件下，計(jì)算結(jié)果顯示同軸孔UCG模型試驗(yàn)空腔體積僅約為鏈接孔UCG模型的一半。

(5)氣體能量回收評(píng)價(jià)是基于化學(xué)計(jì)量學(xué)方法從化學(xué)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行反向推演，從而對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。此方法簡(jiǎn)單、有效，能較好地估算整個(gè)氣化過(guò)程的煤耗量，結(jié)果證明了該方法的可靠性。