煤地下氣化技術(shù)的研究進(jìn)展

郭 華

(中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院工藝系統(tǒng)室，吉林 吉林 132002)

煤地下氣化技術(shù)的研究進(jìn)展

郭 華

(中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院工藝系統(tǒng)室，吉林 吉林 132002)

在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)上，煤炭占有重要的地位。但傳統(tǒng)的煤炭開(kāi)采利用方式不但嚴(yán)重污染環(huán)境，效率較低，僅能采出煤炭?jī)?chǔ)量的 15%左右，且伴隨著地表沉降、工作環(huán)境危險(xiǎn)、機(jī)械耗能高等不利因素。煤地下氣化技術(shù)是將處于地下的煤炭進(jìn)行氣化產(chǎn)生煤氣的一種清潔的能源利用技術(shù)。本文對(duì)煤地下技術(shù)的基本原理、發(fā)展背景以及關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了分析和討論，以期為煤地下氣化早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供一定參考。

地下煤氣化;有井法;無(wú)井法;煤清潔利用技術(shù)

人類所利用的能源主要來(lái)源于煤炭、石油、天然氣、核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能以及生物質(zhì)能等。其中，全球 80%以上的能源來(lái)源于煤炭、石油和天然氣等化石能源。對(duì)于我國(guó)而言，煤炭的儲(chǔ)量相對(duì)豐富，石油和天然氣的儲(chǔ)量相對(duì)貧乏。有資料顯示，目前，在我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭一直占消費(fèi)總量的60%以上[1]。 一直以來(lái)，我國(guó)都是采用傳統(tǒng)的煤炭利用方式，即將煤炭由地下開(kāi)采出來(lái)，然后通過(guò)直接燃燒的方式獲取能量，這種方法不僅效率低，還造成了嚴(yán)重的污染。盡管近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展了煤化工產(chǎn)業(yè)，極大的提高了煤炭利用效率，但環(huán)境污染問(wèn)題一直無(wú)法得到有效的解決。同時(shí)，傳統(tǒng)的開(kāi)采方式僅能采出煤炭?jī)?chǔ)量的 15%左右，且伴隨著地表沉降、工作環(huán)境危險(xiǎn)、機(jī)械耗能高、透水、瓦斯氣等不利因素[2]。煤地下氣化技術(shù)是一種新興的煤炭利用技術(shù)，將埋藏在地下的煤炭就地進(jìn)行有控制的燃燒，使煤炭通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與熱作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w輸送出來(lái)，具有井下無(wú)人、無(wú)設(shè)備，集建井、采煤、氣化三大工藝合為一體的三合一工藝特點(diǎn)，有望能有效的避免上述傳統(tǒng)利用方式產(chǎn)生的問(wèn)題[3]。本文對(duì)近年來(lái)地下煤氣化技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了分析和討論

1 地下煤氣化的發(fā)展背景

100 多年前，英國(guó)科學(xué)家威廉·西蒙斯首先提出了煤地下氣化的概念并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，但隨著第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，煤地下氣化的研究中斷[4]。上世紀(jì) 30 年代，前蘇聯(lián)開(kāi)始進(jìn)行煤地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并在 1940～1961 年建成 5 個(gè)試驗(yàn)性氣化站。其中規(guī)模較大的是俄羅斯的南阿賓斯克氣化站和烏茲別克斯坦的安格連斯克氣化站[5]。上世紀(jì) 50年代，美國(guó)和西歐也都進(jìn)行了煤地下氣化的科學(xué)研究，但由于一些技術(shù)上的瓶頸，到上世紀(jì) 50 年代末都停止了試驗(yàn)。上世紀(jì) 60～90 年代，盡管地下煤氣化的相關(guān)研究步入低谷，但世界各國(guó)仍有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，除前蘇聯(lián)外，還有美國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)、英國(guó)、法國(guó)、波蘭、捷克、日本等國(guó)家。其中美國(guó)對(duì)煤地下氣化研究試驗(yàn)投入了大量經(jīng)費(fèi)，其中桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)等研究機(jī)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行了煤地下氣化的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，到 20 世紀(jì) 80 年代中期，共進(jìn)行了 29 次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì)氣化煤炭近 4 萬(wàn)噸[6]。近十年來(lái)，由于環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，地下煤氣化研究重新引起了世界各國(guó)的關(guān)注。截止到 2012年，前蘇聯(lián)地區(qū)有超過(guò) 250 套地下煤氣化中試裝置，而美國(guó)的數(shù)量為 50 套左右，此外，在南非、中國(guó)、澳大利亞、加拿大、新西蘭和西歐等地區(qū)也分布著50 多套地下煤氣化中試裝置[7]。

我國(guó)也對(duì)煤地下氣化技術(shù)進(jìn)行了大量的科學(xué)研究。 自上世紀(jì) 50 年代以來(lái)， 我國(guó)先后在大同、 皖南、沈北、黑龍江伊蘭煤礦、新密煤田下莊河煤礦等許多礦區(qū)進(jìn)行了自然條件下煤炭地下氣化的試驗(yàn)，并取得了可喜的成果[8]。

2 煤地下氣化技術(shù)

2.1 煤地下氣化技術(shù)的基本原理

煤地下氣化的基本原理與目前地表煤氣化裝置的基本原理類似，唯一的區(qū)別是地表煤氣化是在氣化爐中進(jìn)行，而煤地下氣化在地下進(jìn)行[9]。圖 1 為煤地下氣化工藝的示意圖，氧氣或空氣通過(guò)注入井打入到煤層內(nèi)部與煤層發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的粗煤氣則由產(chǎn)品出口井采出，氣化后的灰渣留在地下，一定程度上也緩解了傳統(tǒng)開(kāi)采方式造成的采空區(qū)地面沉降或塌陷等問(wèn)題[10]。

圖1 煤地下氣化工藝流程示意圖

2.2 煤地下氣化的技術(shù)類型

目前，成功應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化的煤地下氣化工藝的基本技術(shù)主要有兩大類型：有井式煤地下氣化工藝和無(wú)井式煤地下氣化工藝， 前者以人工開(kāi)采的巷道為氣化通道，后者以鉆孔作為氣化通道。在具體的工程應(yīng)用中，需綜合考察煤層的地質(zhì)特征，煤礦的位置和采煤量等因素，合理的選擇地下煤氣化工藝。

2.2.1 有井式煤地下氣化工藝

有井式煤地下氣化工藝，又稱巷道式地下氣化爐技術(shù)。就是在開(kāi)采或廢棄的煤礦井中建地下氣化爐，以人工掘進(jìn)的方式在煤層中建立氣化巷道。此種方式中氣化系統(tǒng)主要由進(jìn)氣通道、輔助通道和出氣通道組成，氣化區(qū)在同一煤層內(nèi)連通各孔，但由于受煤層地應(yīng)力和溫度制約，因此人工豎井部分深度有限。這種方法是最初開(kāi)發(fā)的地下煤氣化方法，但此法須進(jìn)行井下施工，作業(yè)環(huán)境和安全性差，限制了其工程化應(yīng)用[11]。依據(jù)氣化井的不同類型，有井式煤地下氣化工藝又可詳細(xì)分為以下幾種：

(a) 密閉氣化區(qū)煤地下氣化工藝

這種方法是在開(kāi)采或廢棄的煤礦井中以人工掘進(jìn)的方式在煤層中建立氣化巷道，并在進(jìn)氣孔底部巷道筑一道墻，使坑道與墻之間形成一個(gè)密閉氣化區(qū)，然后便可將密閉墻前面的煤炭點(diǎn)燃?xì)饣趾铣蓺庥上锏赖牧硪粋?cè)輸送至地面。但該方法的氣化效率嚴(yán)重依賴煤層的通風(fēng)性，同時(shí)粗合成氣的成分隨操作條件的變化而變化[12]。

(b) 鉆孔煤地下氣化工藝

這種方法需在煤層中掘出兩條平行的巷道，且這兩條巷道之間的距離要足夠大，由一系列鉆孔相連，在每個(gè)鉆孔上設(shè)置遠(yuǎn)程控制點(diǎn)火系統(tǒng)。這種方法適用于平伏礦層[11]。

(c) 流動(dòng)煤地下氣化工藝

這種方法適用于傾斜的煤地層。兩條平行的巷道沿著煤層傾斜的方向，在煤層底部由一條水平的巷道連接，煤氣化過(guò)程在水平巷道發(fā)生，并沿著該巷道的壁面向地面延伸。在兩條傾斜的巷道中，一條用于輸送空氣或氧氣，一條用于采出粗合成氣。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)產(chǎn)生的煤灰不斷的由水平巷道頂落下，填補(bǔ)采空區(qū)，一定程度上避免了其他方法中煤灰覆蓋于氣化表面造成氣化過(guò)程的熄滅。

(d) 長(zhǎng)通道、大斷面兩階段煤地下氣化工藝

兩階段煤地下氣化工藝是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)提出的是一種分階段供給空氣和水蒸汽的地下氣化方法。第一階段鼓入空氣或氧氣，煤層發(fā)生燃燒，放出大量的熱，并積蓄在煤層中，溫度逐步上升，產(chǎn)生理想的溫度場(chǎng)。然后鼓入水蒸汽，水蒸汽與熾熱的煤層發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生高熱值的粗合成氣。兩階段地下煤氣化工藝與氣化區(qū)的規(guī)模密切相關(guān)。如果氣化區(qū)小，第一階段積蓄的熱量不夠，鼓入水蒸汽時(shí)，熱量會(huì)被迅速消耗掉，致使?fàn)t內(nèi)溫度下降，第二階段無(wú)法持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。因此，建造長(zhǎng)通道、大斷面氣化區(qū)有利于兩階段地下氣化。2000 年以后"長(zhǎng)通道、大斷面"兩階段煤地下氣化工藝在山東新汶孫村 、協(xié)莊、張莊、鄂莊和肥城曹莊，山西昔陽(yáng)， 遼寧鐵法和阜新，四川、江蘇、河北等地取得了較好的應(yīng)用效果[13]。該工藝特別適用于報(bào)廢礦井和老礦井遺棄煤炭資源的回收。

2.2.2 無(wú)井式地下煤氣化工藝

近年來(lái)，隨著定向鉆孔技術(shù)的發(fā)展，無(wú)井式地下煤氣化方法日益成為研究熱點(diǎn)。無(wú)井式地下煤氣化工藝的過(guò)程為：在地表上按照一定的網(wǎng)絡(luò)布置向煤層鉆出一些鉆孔，這些鉆孔包括輸送空氣的進(jìn)氣孔和采出煤氣的出氣孔。對(duì)鉆孔在煤層中進(jìn)行孔底火力貫通，形成氣化通道。在氣化通道中進(jìn)行遠(yuǎn)程點(diǎn)火，使煤層發(fā)生氣化產(chǎn)生煤氣并由出氣口采出。

根據(jù)氣化通道的注氣方式，無(wú)井式地下氣化技術(shù)可分為兩類：通道貫通法(linked vertical well)和控制后退注氣點(diǎn)法(controlled retractable injectionpoint)[14]。

(a) 通道貫通法

通道貫通法是傳統(tǒng)的煤地下氣化的方法之一。該方法包括兩條由地表到煤層的垂直孔，一條作為空氣進(jìn)氣孔，一條作為煤氣采出孔。在煤層中，通過(guò)一系列氣化通道貫通兩條垂直孔，氣化通道采用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工或采取火力滲透貫通、水力壓裂貫通、電力貫通等。其中火力滲透貫通容易掌握，設(shè)備簡(jiǎn)單，但貫通速度慢，能耗大，貫通方向不準(zhǔn)確；高壓火力滲透貫通速度較快，能耗較低，但易損壞巖層，鉆孔底部易自燃，貫通方向也不準(zhǔn)確；電力貫通速度較快，能耗低，但具有設(shè)備較復(fù)雜，操作不夠簡(jiǎn)便等缺點(diǎn)；水力壓裂貫通速度快，電耗小，但設(shè)備復(fù)雜，操作不方便，液流不易控制；定向鉆進(jìn)貫通；速度快，能耗低，通道面規(guī)整，方向性強(qiáng)，最具發(fā)展前景，但成本較高[15]。

(b) 控制后退供風(fēng)點(diǎn)法

由于地下煤層的地理結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，造成地下煤氣化系統(tǒng)的操作條件及性能發(fā)生變化，過(guò)去為解決這個(gè)問(wèn)題，常采用多個(gè)空氣注入孔和產(chǎn)氣孔的方法，大大增加的生產(chǎn)成本。為此，20世紀(jì)70年代，美國(guó)開(kāi)發(fā)了控制后退供風(fēng)點(diǎn)法[16-17]，該方法只分別需要一個(gè)空氣注入孔和產(chǎn)氣孔，通過(guò)供風(fēng)點(diǎn)移動(dòng)完成煤氣化過(guò)程。控制后退供風(fēng)點(diǎn)技術(shù)原理是把定向鉆進(jìn)和反向燃燒結(jié)合在一起，定向鉆孔先打出垂直空氣注入孔和產(chǎn)氣孔，到達(dá)煤層后，從注入孔沿煤層底板繼續(xù)打水平孔，直到與產(chǎn)氣孔底部相交，然后在鉆孔中下套管；開(kāi)始?xì)饣瘯r(shí)，用移動(dòng)點(diǎn)火器在靠近產(chǎn)氣孔的第一個(gè)注入點(diǎn)燒掉一段套管，并點(diǎn)燃煤體，燃燒空穴不斷擴(kuò)展，一直燒到煤層頂板，待頂板開(kāi)始塌落時(shí)，注入點(diǎn)后退相當(dāng)于一個(gè)空穴寬度的距離，再用點(diǎn)火器燒 掉一段套管，形成新的燃燒帶，如此逐段向垂直注入孔移動(dòng)[18]，該過(guò)程如圖2所示。

圖2 控制后退供風(fēng)點(diǎn)法示意圖[15]

3 結(jié)論

煤地下氣化技術(shù)作為一種新興的煤炭利用技術(shù)，與地面氣化煤氣相比，不但具有成本低、質(zhì)量?jī)?yōu)等優(yōu)點(diǎn)，氣化后的灰渣留在地下，減少了固廢的排放，一定程度上也緩解了煤炭開(kāi)采后造成的地面沉降等問(wèn)題，大大減少了煤炭開(kāi)采和使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境的破壞。但是煤地下氣化技術(shù)不能替代常規(guī)采煤方法，只適用于常規(guī)方法不可采或開(kāi)采不經(jīng)濟(jì)的煤層，如深度煤層、高灰高硫劣質(zhì)煤、急傾斜煤層和薄煤層，是提供潔凈能源的一種新的開(kāi)發(fā)途徑。此外，煤地下氣化對(duì)環(huán)境的損害也是尚待解決的一個(gè)重大問(wèn)題，如氣化殘留物中的有害有機(jī)物和金屬對(duì)地下水的污染，氣化區(qū)的地面塌陷以及粗煤氣凈化系統(tǒng)排放物對(duì)環(huán)境的影響等問(wèn)題也必須加以考慮。

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(本文文獻(xiàn)格式：郭 華.煤地下氣化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].山東化工，2016，45(08)：39-41.)

Progress and Prospects on Underground Coal Gasification Technology

Guo Hua

(CNPC Northeast Refining & Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,JiLin Design Institute, Jilin 132002,China)

Currently, the coal is very important in the world's energy structure. The coal traditional utilizing way not only pollutes circumstance severely, but also has other issues including low efficiency (only 15%to 20% of the total coal resources can be recovered in this manner), land subsidence, high machinery costs, hazardous work environments, coal transport requirements, and so on. Underground coal gasification is a newer type of coal utilizing method that is being investigated and implemented around the world and that avoids most of the problems of coal traditional utilizing way. This paper reviews key concepts, development background and technologies of underground coal gasification, which can provide insights into this developing coal conversion method.

underground coal gasification;shaft underground coal gasification methods;shaftless underground coal gasification methods;clean coal utilization technology

2016-03-10

郭 華(1965—)，女，吉林省吉林市人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，任職于中國(guó)石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計(jì)院工藝系統(tǒng)室，從事石油化工相關(guān)領(lǐng)域的工程工藝設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)。

TQ021.4

A

1008-021X(2016)08-0039-03