朱 劼，闞士凱

(中國礦業(yè)大學(xué))

·專題綜述·

煤炭地下氣化的發(fā)展前景

朱 劼，闞士凱

(中國礦業(yè)大學(xué))

介紹了煤炭地下氣化的原理及其發(fā)展?fàn)顩r。從技術(shù)角度，論述了煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，闡述了煤炭地下氣化具有廣闊的發(fā)展前景。

煤炭地下氣化；發(fā)展?fàn)顩r；環(huán)境效益；前景

煤炭地下氣化技術(shù)是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，綜合開發(fā)清潔能源與生產(chǎn)化工原料的新技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是僅僅提取煤中的含能組分，而將灰渣等污染物留在井下。煤炭地下氣化技術(shù)集建井、采煤、轉(zhuǎn)化等多種工藝為一體，大大提高了煤炭資源的利用效率和利用水平，深受世界各國重視，被譽(yù)為新一代采煤方法。我國蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，目前不僅利用率低，而且井工開采對環(huán)境和安全都有很大影響。通過煤炭地下氣化，將地下煤炭資源轉(zhuǎn)變成可利用的煤炭及其它產(chǎn)品是解決能源問題的重要途徑之一。

1 煤炭地下氣化的原理

煤炭地下氣化與地面氣化原理相同，煤氣成分也基本相同，但其工藝型態(tài)不同，地面氣化過程在氣化爐內(nèi)的煤塊中進(jìn)行，而地下氣則在煤層中的氣化通道中進(jìn)行。將氣化通道的進(jìn)氣孔一端煤層點(diǎn)燃，從氣孔鼓入氣化劑(空氣、氧氣、水蒸氣等)。煤層燃燒后，則按溫度和化學(xué)反應(yīng)的不同，在氣化通道形成3個(gè)帶，即氧化帶、還原帶、干餾干燥帶。經(jīng)過3個(gè)反應(yīng)帶后，就形成了主要含有可燃組分CO、H2、CH4的煤氣。這3個(gè)反應(yīng)帶沿氣流方向逐漸向出氣口移動，因而保持氣化反應(yīng)的不斷進(jìn)行。地下氣化爐的主要建設(shè)是進(jìn)、排氣孔的施工和氣化通道的貫通，根據(jù)氣化通道的建設(shè)方式，把煤炭地下氣化分為有井式和無井式，前者以人工開采的巷道為氣化通道，后者以鉆孔作為氣化通道。

2 目前煤炭地下氣化的研究狀況

前蘇聯(lián)是世界上進(jìn)行地下氣化現(xiàn)場試驗(yàn)最早的國家，也是地下氣化工業(yè)應(yīng)用成功的國家之一。1940年在頓巴斯和莫斯科近郊?xì)饣緩募夹g(shù)上第一次解決了無井式地下氣化問題，并第一個(gè)變成煤炭地下氣化工業(yè)企業(yè)。到20世紀(jì)60年代末，前蘇聯(lián)已建站12座，所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電或作為工業(yè)燃料氣。二次大戰(zhàn)后，煤炭地下氣化在美國引起了很大興趣。1946年，美國首先在亞拉巴馬州的淺部煤層進(jìn)行試驗(yàn)。1987-1988年完成了洛基山—1號試驗(yàn)，獲得了加大爐型，提高生產(chǎn)能力，降低成本，提高煤氣熱值等方面的成果。英國自1949-1956年，先后共進(jìn)行6次試驗(yàn)。1988年6個(gè)歐共體成員國組成了1個(gè)歐洲煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,簡稱UCG)小組，于1998年12月在西班牙Alcorisa完成了深煤層地下煤氣化試驗(yàn)。

我國煤炭地下氣化試驗(yàn)起步也較早，但技術(shù)發(fā)展主要在20世紀(jì)80年代后。1958-1962年，我國先后在大同、皖南、淮北等許多礦區(qū)進(jìn)行過自然條件下煤炭地下氣化的試驗(yàn)，取得了一定的成果。1985年，中國礦業(yè)大學(xué)在徐州馬莊礦遺棄煤柱中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，此后中國礦業(yè)大學(xué)研究并提出了適用于我國礦井煤炭資源地下氣化的“長通道，大斷面，兩階段”煤炭地下氣化新工藝，先后完成了徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業(yè)性試驗(yàn)和河北唐山劉莊煤礦煤炭地下氣化工業(yè)性試驗(yàn)。2000年以后“長通道，大通道”煤炭地下氣化新工藝在山東新汶孫村、協(xié)莊、張莊、鄂莊，山西昔陽，遼寧鐵法和阜新等地取得了較好的應(yīng)用效果，氣化煤氣用于居民燃?xì)?、發(fā)電、合成氨和甲醇等。其中，孫村氣化站目前日產(chǎn)氣量6×104m3,除供1萬多戶居民用外，還建成400 kW發(fā)電機(jī)2座，平均月發(fā)電量18×104 kW·h;協(xié)莊氣化站日產(chǎn)氣量4×104m3供6 000多戶居民民用；張莊氣化站，設(shè)計(jì)日產(chǎn)量15×104m3，規(guī)劃采用一步法合成二甲醚新技術(shù)，建設(shè)年產(chǎn)2 000 t二甲醚項(xiàng)目；鄂莊氣化站一期工程日產(chǎn)氣量10×104m3，供礦區(qū)1 000多戶居民民用及建成的1臺400 kW發(fā)電機(jī)組使用。

3 煤炭地下氣化相關(guān)技術(shù)

煤炭地下氣化相關(guān)技術(shù)據(jù)生產(chǎn)階段及技術(shù)類型可分為煤層勘探、煤炭地下氣化爐建設(shè)、煤炭地下氣化控制、氣化煤氣的處理等技術(shù)。

1) 煤層勘探技術(shù)：與其它勘探技術(shù)相同，主要利用地質(zhì)、二維和三維地震及鉆井研究煤層在地下的分布狀態(tài)、厚度等。我國目前發(fā)展的主要是有井式氣化(即通過人工巷道進(jìn)行氣化)，利用廢氣煤礦進(jìn)行地下氣化，氣化煤的分布狀態(tài)在煤礦開采過程中多已清楚，所以這一環(huán)節(jié)在我國目前的煤炭地下氣化中也不重要，但隨著無井式氣化(即通過鉆孔進(jìn)行氣化)的發(fā)展，配合無井地下氣化的獨(dú)立的煤層勘探技術(shù)將被提到重要位置，目前的勘探技術(shù)完全能適應(yīng)煤層勘探的需要。

2) 建爐技術(shù)：地下氣化爐分為“有井式”和“無井式”兩種?！盁o井式”氣化是指氣化通道通過鉆孔來實(shí)現(xiàn)，建爐工藝簡單，建設(shè)周期短，可用于深部及水下煤層氣化，國外大都采用無井式爐型，但由于氣化通道窄小，影響出氣量，鉆探成本高。國內(nèi)目前所建氣化爐都采用有井式，氣化爐建在運(yùn)行中的礦井煤田上，借助礦井的巷道向氣化煤層中延伸，氣化爐的井下通道建好后，在氣化爐與礦井巷道連接的通道中筑一道密閉墻，然后再進(jìn)行氣化爐的點(diǎn)火工作?！坝芯健睔饣衫美系呢Q井和坑道，減少建氣化爐的投資，可回采舊礦井殘留地下的煤柱(廢物利用)，氣化通道大，容易形成規(guī)模生產(chǎn)，氣化成本低。由于涉及到巷道的建設(shè)，有井式氣化對于深部煤炭資源的氣化由于較大的地應(yīng)力和較高的地溫并不適用。

3) 煤炭地下氣化的控制技術(shù)主要包括以下2方面。

a) 煤炭地下氣化過程的控制工藝。氣化工藝按不同的氣化劑種類可分為：空氣連續(xù)氣化、富氧氣化、富氧—水蒸氣氣化、加氫氣化等。氣化過程的控制工藝又可劃分為雙爐(多爐)交替運(yùn)行、多點(diǎn)(移動點(diǎn))供風(fēng)氣化、反向供風(fēng)氣化、脈動供風(fēng)氣化，壓軸相綜合等方法。b) 煤炭地下氣化測控技術(shù)、地下氣化測控系統(tǒng)可分為兩大部分，即參數(shù)自動采集和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。測控系統(tǒng)是以電子計(jì)算機(jī)為核心，控制外圍多路溫度、壓力、流量、煤氣組分各種采集量的定時(shí)采集，顯示輸出繪圖等功能的軟件包。計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)具有耗煤量、熱效率統(tǒng)計(jì)、各相關(guān)參數(shù)分析、超限報(bào)警、工藝方案提示、工藝參數(shù)自動反饋控制等功能。分析系統(tǒng)主要功能是對采集到的參數(shù)進(jìn)行整理、分析與預(yù)測，以確定氣化爐的工作狀態(tài)，并提供優(yōu)化的操作參數(shù)，其中系統(tǒng)預(yù)測是關(guān)鍵。系統(tǒng)預(yù)測是指多個(gè)因素組成的系統(tǒng)發(fā)展變化的預(yù)測，或者說是指系統(tǒng)中各因素相互影響，協(xié)調(diào)發(fā)展變化的預(yù)測。目前，煤炭地下氣化控制技術(shù)的相關(guān)參數(shù)除現(xiàn)場收集外，數(shù)學(xué)模擬等理論推導(dǎo)和模擬試驗(yàn)也是重要的手段。

4) 煤氣處理技術(shù)：煤氣中含有大量灰塵、焦油、水分、二氧化碳及氮?dú)獾?。這種煤氣稱為熱煤氣或粗煤氣，溫度可達(dá)到200℃。因此，必須對粗煤氣進(jìn)行凈化回收處理，以減少對設(shè)備、管道的堵塞和腐蝕，提高輸送系統(tǒng)的效率，回收利用寶貴的化工產(chǎn)品，同時(shí)滿足后續(xù)工序?qū)υ蠚獾囊?。煤氣的氣凈化的系統(tǒng)任務(wù)就是清除煤氣中有害雜質(zhì)，降溫并獲得有用的副產(chǎn)品。故煤氣凈化不但關(guān)系到煤氣本身的質(zhì)量，同時(shí)關(guān)系到整個(gè)氣化過程的經(jīng)濟(jì)效益。煤氣凈化一般有四重目的：降溫、脫水、回收有價(jià)值副產(chǎn)品以及除去不需要的有害雜質(zhì)。

4 煤炭地下氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值

煤炭地下氣化煤氣主要有以下用途：用于發(fā)電；用于工業(yè)燃?xì)猓惶崛〖儦?，進(jìn)一步用作還原氣和精細(xì)化工產(chǎn)品；用于城市的民用煤氣；用于合成甲烷，進(jìn)入天然氣管網(wǎng)；用于化工合成原料氣，通過煤氣可合成甲醇、氨氣、二甲醚、石油等。目前我國地下氣化煤氣主要用于城市燃?xì)狻l(fā)電和合成氨、合成二甲醚、提取純氫等。

美國專家指出，煤炭地下氣化與地面氣化生產(chǎn)同下游產(chǎn)品相比，生產(chǎn)合成氣成本可下降43%、生產(chǎn)天然氣代用品成本可下降10%～18%、發(fā)電成本可下降27%。前蘇聯(lián)列寧格勒火車發(fā)電設(shè)計(jì)院公布的資料表明，地下氣化熱力電廠與燃煤電廠相比，廠房空間可減少50%，鍋爐金屬耗量可降低30%，運(yùn)行人數(shù)可減少37%。通過對國內(nèi)外煤炭地下氣化經(jīng)濟(jì)調(diào)研可以看出煤炭地下氣化，比起傳統(tǒng)的采煤業(yè)來具有投資少、見效快和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

俄羅斯、美國和我國煤巖地下氣化效益的統(tǒng)計(jì)顯示，雖然煤炭地下氣化具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，但一般而言，相同熱值條件煤炭氣化生產(chǎn)成本比常規(guī)天然氣高，隨著氣化工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)而使成本降低，大規(guī)模的煤炭氣化將具有更大的經(jīng)濟(jì)效益。此外，隨著我國煤層氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，煤層氣與煤炭地下氣化的綜合開發(fā)和利用也將進(jìn)一步降低成本、提高煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)效益。

5 煤炭地下開采的環(huán)境效益

煤炭地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術(shù)，大大減少了地表下沉，無固體物質(zhì)排放。因此煤炭地下氣化減少了地面環(huán)境的破壞，這是其它潔凈技術(shù)無法比擬的。地下氣化煤氣中H2含量在40%以上，分離后得到各種純度的H2。它轉(zhuǎn)變靈活、使用方便、清潔衛(wèi)生在自然界中形成水—?dú)洹匀谎h(huán)。所以氫能是一種可再生的能源，符合人類可持續(xù)發(fā)展的需要。

6 煤炭地下氣化的未來

煤炭地下氣化技術(shù)是正在發(fā)展中的一項(xiàng)新興采煤方法，它能有效提高煤炭的采出率，減少礦區(qū)環(huán)境的破壞，增強(qiáng)了煤礦生產(chǎn)的安全性。但仍存在許多技術(shù)上的難題。例如對煤層氣的分離技術(shù)、地下氣化設(shè)備的布置等，仍需進(jìn)一步的研究，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的合理利用。

[1] 辛萬香.有機(jī)化學(xué)[M].長春：東北師范大學(xué)出版社,2003：8-10.

[2] 杜計(jì)平，孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009：10-13.

ProspectsforDevelopmentofUndergroundCoalGasification

ZhuJie，KanShi-kai

Introduces the principle and development of the UCG technology. Puts forward the economic and environmental benefits based on the UCG technology, forecasts the wide development of this technology.

Underground Coal Gasification; Development stauts;Environmental benefit; Prospect

朱 劼 男 1988年出生 2007年中國礦業(yè)大學(xué)在讀本科生 徐州 221116

TD841

A

1672-0652(2010)07-0054-03

2010-05-19