采矿新技术煤炭地下气化技术研究现状

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1、煤炭地下气化技术研究现状摘要：文章简要介绍了国内外煤炭地下气化的发展概况，与传统的煤炭地下开采相比，煤炭地下气化技术具有安全、高效、污染少等优点，是我国开展节能减排、调整能源结构和发展绿色经济的重要途径，积极推进煤炭地下气化技术研究和示范应用具有战略意义。为探讨不同煤层条件下地下气化技术，深入研究了煤炭地下气化有井式和无井式气化炉结构及其工艺参数技术，最终得出有井式“长通道、大断面、两阶段”气化工艺较为成熟，在我国有很好的应用前景，无井式气化技术以其的独特的优势最终会取代有井式气化。关键字：煤炭地下气化；绿色生产；有井式；无井式中图分类号:TD841文献标志码:APresent Status

2、of Underground Coal Gasification TechnologyAbstract:This paper briefly presents the development situation of underground coal gasification (UCG)technology at home and abroad. Compared to traditional underground coal exploitation, the UCG technologyhas advantages of security, high efficiency and less

3、 pollution and is an important approach for China to con-serve energy, reduce pollution emission, adjust energy mix and develop green economy. It is of strategicsignificance to actively push the experimental study and demonstration application of UCG technology.In order to discuss the structure and

4、gasification technique of the underground coal gasifier under different seam conditions，In-depth studythe structure and the technical parameters of the shaft type and no shaft type gasifierwere studied and coming to the well type long channel，large cross section，two stage gasification technique tech

5、nology is more mature at the end，there is a good prospect in our country, no well type gasification technology will replace a well type gas technologyeventually for its unique advantages.Keywords:underground coal gasification; green production；well type; no well type前言煤炭地下气化(Undergroud Coal gasifica

6、tion，UCG简称UCG) 技术是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤层的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程，以建井、井工采煤和地面煤气化理论和技术为基础，变传统的物理采煤为化学采煤，适用于回收老矿井遗弃煤炭资源，井工开采困难或开采经济性差、安全性较低的低品位煤层（高灰、高硫、低发热量等）、深部煤层等，可提高煤炭资源利用率，是煤炭开采利用技术的重要补充，是新型的绿色采矿技术1。其主要优点表现在：煤炭地下气化后燃烧的灰渣留在地下，减少了对地面塌方、地下水的流失等对地表环境造成的破坏2；煤气可作为燃料用于民用、发电、工业锅炉燃烧，也可作为原料气生产甲烷、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等，或用于

7、提取纯氢，是开发煤基清洁能源的新技术3。鉴于UCG技术的显著优点，自20世纪初，世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和应用，并取得了丰硕的成果4。1 国内外研究现状煤炭地下气化技术研究与发展至今，形成了2种技术类型，即有井式UCG技术、无井式UCG技术。我国在实验室试验研究的基础上，完成了多次现场试验，并取得了良好效果。1.1 国外研究现状1979年联合国“世界煤炭远景会议”明确指出，“发展煤炭地下气化是世界煤炭开采的研究方向之一，是从根本上解决传统开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径”。多年来世界各国都在积极研究试验，探索发展UCG技术的有效途径。特别是前苏联，20世纪30

8、年代，已成功地发展了煤炭地下气化技术，1955年投产的“南阿宾斯克”气化站正常运行了40年，1961年投产的乌兹别克“安格林”气化站，至今还在商业化运营。1999年开始，澳大利亚的Cougar、Carbon以及Linc等3家能源公司，相继在该国的昆士兰州建立了UCG现场试验项目，生产的煤气用来发电以及合成天然气5。进入21世纪以来，许多国家意识到发展UCG对环境、能源有着非同寻常的意义，美国、英国、南非、印度等国的UCG工作进展较快，均取得工业性试验的成功，并已经运用UCG建成了几个大型发电站6。UCG分为有井式、无井式以及两者兼有的混合式3种基本气化模式。国外多采用“无井式”UCG技术，贯通

9、期长，成本高，适合用于10m以上特厚煤层或千米深处。而有井式适合用在矿井或报废煤矿中，可满足我国报废煤矿井进行再利用的需要。UCG开发运营模式主要是以英国为代表的在政府直接领导下的开发模式和以澳大利亚为代表的在州政府监控下的能源公司开发模式。国外UCG的发展趋势是:（1）UCG与燃气蒸汽联合循环发电结合（UCG-CC），如英国已装机346.2万kW,南非已装机210万kW，新西兰已装机36万kW等；（2）UCG提取廉价氢气产业、UCG制氢与燃料电池（AFC）发电产业的结合。波兰的Barbara煤矿已实现UCG制氢，并于2010年4月用于燃料电池发电；（3）UCG与碳捕捉、利用、储存产业的结合（

10、UC G-CCS）。通过对CO2的分离可以使CO2得到捕捉、利用和储存7。如美国利用UCG得到的CO2提高采油的回收率，英国利用UCG得到的CO2提高煤层气的回采率等8。1.2 国内研究现状UCG技术研究在我国始于1958年。在学习前苏联经验的基础上，中国煤炭科学研究院开展了UCG的研究和试验工作，并在鹤岗、大同等16个矿区进行了UCG试验。从1984年开始，中国矿业大学余力教授等开始了“有井式”UCG技术研究和工业试验工作，大大推进了我国的UCG事业。1990年，UCG半工业性试验被列入国家“八五”科技攻关项目。中国矿业大学“煤炭地下气化清洁能源技术研究所”、“煤炭工业地下气化工程研究中心”

11、等研究单位，承担了UCG技术的研究工作。另外，上海交大、西安交大、太原理工大学等数十个大学亦开展过有关课题研究。1992年，原国家科委颁布的我国科学技术中长期发展纲要“白皮书”中明确了UCG技术发展方向，即到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化试验研究并建立商业性煤炭地下气化站。据不完全了解，我国先后在徐州、唐山、新汶、肥城、昔阳等矿井进行了UCG的工业性试验和产业化探索。山东新汶矿至今已持续10年生产煤气供民用和发电，内蒙古乌兰察布、甘肃华亭等UCG项目目前也在生产煤气和发电9。至此，UCG技术在我国不同煤层地质条件下已完成了工业性试验及初步的商业化推广应用，所生产的低热值、中热

12、值的煤气以及水煤气已被开发用于民用及发电。在基础理论、工程设计和仪器装备各方面都进行了配套的系统研发10。应该说，我国已基本掌握了UCG技术，具备了原国家科委要求在2020完成UCG产业化的条件，需要尽快由目前的工业化试验阶段进入示范应用阶段，在我国节能减排、资源的综合利用、煤炭安全生产和矿区生态环境改善中发挥重要作用。2 有井式煤炭地下气化技术有井式地下气化技术特点是可以在井下加工煤层，并可实现在井下就近操作，以控制注气点和气流流动区域。煤层加工方法主要有2种：一是在煤层内放置炸药，爆破松动煤层，以提高煤层渗透性；二是在煤层中施工疏松巷道，以避免煤层全部松动后，气流难以控制的缺点。有井式气化

13、炉进/排气通道是钻孔、井筒、巷道或是在井筒和巷道中铺设的管道，气化通道是人工掘进的煤巷。2.1 爆破松动煤层气化工艺20世纪50年代，前苏联进行了3次爆破松动煤层气化工艺11。在莫斯科近郊煤田进行了2次气化区全爆破松动煤层气化试验，气化煤量1000t，气化剂为空气，气化盘区用坑道和砖墙包围（图21），盘区1长宽为10m10m，盘区2长宽为25m16m；试验过程产气成分为：体积分数2.5%7.5%的CO2，12.0%18.0%的O2，0.1%1.0%的CO。试验表明，煤气生产过程不稳定，煤气质量较差，煤气中氧含量较高，说明空气发生了窜流，即气化炉进口空气没有经过燃烧区，通过松动的煤层裂隙直接流动

14、到了气化炉出口。在顿涅茨克里希查煤田进行了第 3 次温控爆破松动煤层气化试验，采用炸药自动引爆，产气成分为：体积分数10%12%的CO2，1%2%的O2，12%14%的CO，1%3%的CH4，14%17%的H2，热值为3.174.52MJ/Nm3；由于燃烧时间较短，被松动的煤层很不均匀，导致难以连续获得可燃气体12。图21有井式气化炉2.2“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺在研究总结各国UCG工艺的基础上，结合我国报废煤炭资源逐年增多的国情，1990年以余力教授为首的科研团队提出了具有世界先进水平的“长通道、大断面、两阶段”的UCG新工艺，以钻孔作为气化炉的进/排气孔，以矿井已有的井巷条件

15、施工气化通道13。“长通道、大断面”气化炉结构如图22所示，由于气化通道是人工掘进的煤巷，因此通道可根据煤层条件而延长，断面相对于定向钻进等方法形成的气化通道断面要大得多。两阶段工艺则是向气化炉循环供给空气( 或富氧空气) 和水蒸气，每个循环由2个阶段组成，第1阶段鼓空气燃烧蓄热，并产生鼓风煤气；第2阶段鼓水蒸气发生还原反应产生干馏煤气和水煤气。在第2阶段，原第1阶段的高温氧化区成为水蒸气分解的还原区，水蒸气分解率提高，生产煤气中氢组分含量明显提高，煤气热值也相应提高，该工艺为煤在地下直接制氢开辟了一条新的技术途径14。图22 “长通道、大断面”气化炉结构采用“长通道、大断面、两阶段”地下气化

16、工艺，先后在江苏徐州新河二号井、河北唐山刘庄煤矿、山东新汶孙村煤矿、鄂庄煤矿、山西昔阳杏丹峪煤矿等，针对不同的煤层赋存条件进行了现场试验和生产，在此基础上，进一步完善和发展了“长通道、大断面、两阶段”气化工艺，形成了“分离控制注气点煤炭地下气化炉及其工艺方法”。刘庄煤矿现场试验第1阶段鼓风煤气和第2阶段水煤气组分、热值和产量分别见表21和表22。表21 鼓风煤气组分、热值和产量测定结果体积分数/%热值/（MJ.Nm-3）煤气流量/（Nm3.h-1）H2COCH4CO2N2102010252472540654.185.861012表22水煤气组分、热值和产量测定结果循环序号体积分数/%热值/（M

17、J.Nm-3）煤气流量/（Nm3.h-1）H2COCH4CO2N2140.6628.027.845.5117.9711.881963243.5715.6811.026.9222.8111.882287347.1413.3612.3820.486.6412.592263446.6914.4510.2723.555.0411.832345547.9416.6312.0418.175.2212.972462652.0011.248.6521.836.2711.452430由表22可知，“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺，第2阶段可生产H2组分体积分数在40%以上的煤气。欧盟的波兰等国家已开始了煤

18、炭地下气化技术制取氢能工艺的研究，特别是波兰在其研发的地下煤气化模拟系统中应用富氧水蒸气两阶段气化工艺进行了无烟煤制取氢能的研究，在水蒸气阶段氢组分体积分数平均值达53.77%。以上研究表明煤炭地下气化技术可以得到较高含量的氢气组分，是未来开发氢能的一种新方法。山东新汶鄂庄气化站已运行10余年，煤气已成功地用于工业锅炉燃烧供热、工业窑炉燃烧制陶瓷、内燃机发电和居民使用，现场试验不同氧气浓度下煤气组分含量如图23所示。河北刘庄煤矿地下气化试验实现稳定生产5年多，低热值煤气生产规模达10万12万Nm3/d，中热值煤气约2.5万Nm3/d。因此，我国有井式“长通道、大断面、两阶段”和“分离控制注气点

19、”煤炭地下气化技术已完成了工业性试验，具备了产业化示范的技术基础，该工艺特别适用于我国报废矿井和老矿井遗弃煤炭资源的回收。图23不同富氧浓度下平均煤气组分含量3无井式煤炭地下气化技术近年来内蒙古新奥集团与中国矿业大学合作，在乌兰察布建立了一套生产能力为15万Nm3/d的无井式UCG试验研究和生产系统，梁杰教授带领的中国矿业大学无井式UCG研究小组与新奥气化采煤联合开展的乌兰察布无井式UCG技术的实验获得了阶段性成功。与有井式UCG相比，无井式UCG技术不仅省去了建设煤井、采煤和运输煤炭的成本，还避免了井下安全事故的发生。按照目前该项技术的经济成本核算，无井式UCG技术适合于低品位、高硫、低变质

20、褐煤、薄煤层、深煤层、废弃煤井等，是对传统煤炭开采方式的重要补充。3.1通道贯通法根据气化通道的注气方式，无井式地下气化技术可分为2类：渗透式气化和定向孔气化。无井式地下气化的所有建炉工作都在地面进行，进/排气孔由地面打钻施工，连接进/排气孔的气化通道用定向钻进技术施工或采取火力渗透贯通、水力压裂贯通、电力贯通等。无井式气化炉建炉的关键技术是气化通道的贯通，5种贯通方法比较见表31，其优缺点比较如下。火力渗透贯通：优点为方法简单，容易掌握，设备不复杂；缺点为贯通速度慢，电耗大，方向性较差。高压火力渗透贯通：优点为贯通速度较快，电耗较低；缺点为易损坏岩层，钻孔底部容易自燃，方向性较差。电力贯通：

21、优点为贯通速度较快，电耗较低；缺点为设备较复杂，操作不够简便，方向性差。水力压裂贯通：优点为贯通速度快，电耗小；缺点为设备较复杂，操作不方便，液流不易控制。定向钻进贯通：优点为贯通速度快，电耗小，通道面规整，方向性强；缺点是成本高，但有发展前景。表31贯通方法技术经济比较贯通方法贯通速度/（m.d-1）电耗量/(kW.h).m-1鼓风耗量/（m3.m-1）火力渗透0.30.815001400高压火力渗透2.03.06009005000电力2.05.0800水力压裂4.010.0500定向钻进10.020.0833.2定向孔气化定向孔气化是采用定向钻进技术施工气化通道，直接连通进/排气孔。随着定

22、向钻进技术的发展，定向孔长度可达到150m以上，因此可形成长壁式气化。为克服长壁式气化通道易堵，温度不集中的缺点，在长壁式气化基础上，发展成为长壁式控制后退注气点气化工艺。20世纪70年代，美国Law-rence Livermore National Laboratory(LLNL)开发了控制后退供风点(Control Reverse Injection Point，CRIP)气化工艺1516，以液氧作为气化剂，生产中热值煤气，并完成了现场试验。控制后退供风点技术原理是通道及钻孔形成之后安装同心套管(图31)，以提供产气、注气、气体清洗和冷却水流动的通道。注入井中的柔性管用于对后退供风点进行控

23、制。在卷绕的柔性管末端安装1个大功率的喷嘴，用来点燃煤炭，喷嘴由卷绕的柔性管内部的2条细管分别供气化剂和可燃物形成点火系统，喷嘴及点火系统通过控制向注入孔方向移动。气化通道某一位置的煤层点燃后，煤炭燃烧气化形成燃空区，当燃空区附近的煤炭燃烧气化结束，喷嘴及点火系统将回撤，再形成新的气化区域，如图32所示。图31控制后退供风同心套管结构图32控制后退供风点气化工艺20世纪70年代，美国在怀俄明州的汉纳试验基地，采用CRIP工艺和长壁式工艺在 Rocky Moun-tain号实验站进行煤炭地下气化试验(煤层厚10m、深度130m)，应用长壁式工艺，气化57d共消耗煤4443t，生产的煤气平均热值9

24、.7MJ/Nm3。应用CRIP工艺进行气化，93d共消耗11227t煤，氧气气化时生产的煤气平均热值10.7MJ/Nm3(表4)。欧洲煤炭地下气化试验多采用CRIP工艺，并获得一定成功。20世纪90年代，由英国、西班牙、比利时等欧盟国家组成的UCG项目组在西班牙特鲁埃尔省的ElTremedal地区地下550m深的煤层进行了CRIP工艺气化，煤气平均热值为10.9MJ/Nm3。另外欧盟UCG项目组还进行了高压地下煤气化试验，发现煤气组分中甲烷含量明显升高，因此增大压力有助于甲烷产生17。表32美国Rocky Mountain 试验煤气含量及热值供风点位置气化时间/d燃烧煤量/t体积分数/%煤气热

25、值/（MJ.Nm-3）CH4H2COCO2143.8410010.533.011.637.011.1219.923308.633.010.840.010.2320.025109.539.014.335.011.049.38806.740.09.942.09.2新奥气化采煤和中国矿业大学(北京)于2007年1月共同开展了无井式煤炭地下气化技术研究。2007年10月，在内蒙古乌兰察布玫瑰营煤田设计并建设了一座定向孔地下气化炉，并于2007年10月24日点火成功，完成了空气连续气化试验和富氧气化试验，煤气成功用于锅炉燃烧和内燃机发电18。4结论煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃煤炭资源，而且还可以

26、用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层，地下气化燃烧后的灰渣留在地下，减少了地表下沉，无固体物质排放，煤气可以集中净化，大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏。以余力教授为首的科研团队提出了具有世界先进水平的“长通道、大断面、两阶段”的UCG新工艺，以矿井已有的井巷条件施工气化通道，由于气化通道是人工掘进的煤巷，因此通道可根据煤层条件而延长，断面相对于定向钻进等方法形成的气化通道断面要大得多，可以更好地生气和输气，在我国有很好的应用前景。无井式煤炭地下气化研究在我国虽起步较晚，但我国无井式煤炭地下气化试验融合了前苏联和美国的先进

27、技术，在内蒙古乌兰察布玫瑰营煤田完成了工业性试验。因此，我国煤炭地下气化技术具备了产业化示范的技术基础。参考文献1. 游敏，徐道一，朱铭，等.煤地下气化发电酝酿突破N.中国电力报：新能源导报，2011-01-15.2. 梁杰煤炭地下气化过程稳定性及控制技术M徐州：中国矿业大学出版社，2001：1103. 刘淑琴煤炭地下气化过程有害微量元素转化富集规律M北京：煤炭工业出版社，2009:5124. 范礼.实施地下煤气化好处多J.能源基地建设.1999(04)5. Evgeny S，Arvind VUnderground Coal Gasification: A Brief Re-view of C

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