煤炭地下氣化技術發展問題及建議

賀 盛

(湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001)

1 引言

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，簡稱UCG) 是將位于地下的固體煤炭通過有控制的燃燒變為有用氣體，同時采集并利用這些氣體的新技術。與傳統煤炭開采方式相比，其具有以下無可比擬的優點：①避免工人在礦井中工作，能有效解決礦山開采的安全問題；②符合我國低碳經濟的產業政策，是綠色開采的重要手段，符合我國環境保護政策；③能提高我國能源安全度，降低對國外能源的需求；④滿足國家和企業開采量大面廣難采殘留煤資源的重大需求[1,2]。

在經歷了100多年歷史的長久發展中，多次地研究、試驗、應用之后，至目前，在全世界范圍內，仍然沒有商業化成功的案例。煤炭地下氣化技術的前景并不明朗(圖1)。造成這種情況的原因有很多。筆者試圖從技術、經濟、環保等方面闡述其發展中的問題。以供參考。

圖1 煤炭地下氣化原理示意

2 煤炭地下氣化簡述

煤炭地下氣化的原理同地面氣化相同，所得煤氣成分也基本相同。其原理如圖1所示。將地下煤層點燃，從進氣孔鼓人氣化劑，使煤層燃燒、氣化，所得煤氣由出氣孔排出[3]。固體煤炭經過燃燒產生CO、CO2等氣體。生成的氣體再與煤層，水蒸氣反應產生主要組分是CO、H2、CH4的可燃氣體。可燃氣體經過干餾干燥后，從排氣孔輸出，經地表冷卻、洗滌和脫硫等凈化工藝。所得動力氣體可供聯合循環發電；所得合成氣體經化工廠再處理獲得氫、甲烷、甲醇等化工原料[4]。

3 存在的問題

3.1 技術問題

到目前為止，國內外都已進行過不少的UCG試驗和半工業性試驗。過往的試驗都能產出有用煤氣，而且，隨著試驗、研究與各種技術手段的加入，UCG技術逐步完善。以往的試驗獲得了諸多技術成果，特別是后退式氣化工藝(CRIP)的發明，使得美國地下氣化技術居世界領先地位[4]。這些技術成果為UCG技術走向工業化道路奠定了基礎。

但目前地下氣化技術發展仍不完備。其自身的特點和目前的技術手段限制導致了其發展的困難。技術手段的缺失背后也有更深層次的原因。

3.1.1 氣源穩定性差，監控手段缺失

UCG工藝最終產物是煤氣。而煤氣產量、煤氣熱值、煤氣組分的穩定決定了最終產品的好壞。從當前的UCG試驗的結果來看，所產出的低熱值空氣煤氣由于應用價值低被放空。由于反應的不穩定導致中熱值煤氣難以實現長期連續穩定地供給。這使得UCG煤氣的燃氣應用和化學原料氣的產品開發受到制約[5]。

造成煤氣不穩定性的因素有很多：氣化工藝、水文地質、冒頂、地質(斷層、水文)、工藝(連續法/兩階段/可靠性，如鉆孔阻塞等)等。UCG發生和控制的地方是在地下的煤層之中，這就造成了要有效地控制其反應過程、控制各種影響因素是非常困難的，地下的環境，狀況非常復雜。所能引起的反應過程不穩定的因素也很多，且要在地下采取有效手段控制這些因素更是困難重重。目前的主要的控制手段是改變爐型以及注氣工藝，但對所產煤氣影響有限。影響因素多樣，如地下條件的限制加上技術手段的缺乏，使得這個問題難以解決。

3.1.2 缺少多學科的融合應用及科研人員

UCG是個綜合性學科。它的發展需要多種技術的支持。包括耐高溫監控設備研發，微地震技術的應用，計算機模型等等。目前而言UCG仍然是一個冷門學科。在國內只有少數機構人員在研究，人力物力備顯單薄，而能進行現場試驗的專業人員就更少了。目前主要的有中國礦業大學(徐州)王作棠教授帶領的團隊與中國礦業大學(北京)的梁杰教授帶領的團隊。這對于一個綜合性學科來說確實是力量不足。

3.1.3 試驗缺乏，理論研究難以展開

目前的UCG技術仍有很多參數，規范未能確立，這都需要大量的試驗研究來得到。而現在并沒有條件來進行大量的試驗。在現場進行的試驗需要耗費大量的人力、物力、財力。實驗室中也缺乏這樣的試驗系統來進行這種綜合性的試驗。即使有也與自然地質條件下的相差較遠，達不到現場的效果。

3.2 經濟問題

經濟上的問題也一直是煤炭地下氣化技術發展緩慢的重要因素。由于目前的能源結構與市場環境，導致煤炭地下氣化技術無法走上商業化的道路，缺少了以商業促技術，以技術促商業的條件。根據國內外煤炭地下氣化發展的試驗項目和現有的示范性性工程情況來看，目前還不能對其生產的經濟性做出全面準確的分析，但還是能看到其中存在的一些問題。

3.2.1 成本較高

在現在的能源市場條件下，同主流能源相比，UCG并無競爭力。

同常規煤炭相比，UCG的可比性并不高。UCG不能替代常規采煤是研究人員的共識。UCG主要用于開采難采煤，滯留煤，殘留煤。

同天然氣相比，據美國能源部1986年評估報告，地下氣化成本為0.1714美元/m3，而天然氣井口價僅0.0607美元/m3，漢那商業性地下氣化站設計預估成本高達0.3714美元/m3。因此，美國國會大幅削減UCG項目撥款，從1984年的600萬美元減少到1991年的46.5萬美元，1992年停止撥款。另外天然氣用于下游產品的開發工藝更加簡單[6，7]。

同石油比較，國際上大多數國家在對UCG產品作經濟評價時，都把石油作為主要參照標準。20世紀中期，廉價石油供應充足，西方國家地下氣化試驗消聲匿跡。1986年世界油價大跌，美國政府也大幅度削減研究試驗撥款。國際上的普遍看法是，UCG產品在經濟上無法與石油及石化產品競爭。

3.2.2 產品開發困難

UCG所產煤氣的熱值較低，無法作為城市煤氣以及化工合成氣直接使用，需要進行一定的加工與處理。而其組成及流量的不穩定，也給其應用帶來了困難[8]。

3.3 環境問題

UCG開采對環境具有很多正面效益，但同時也會帶來一定的負面影響。

3.3.1 地下水污染

煤炭地下氣化氣化殘留物中含有硫化物、苯和其它多環芳烴等有毒物體。如果氣化煤層與地下含水層相通或相近有毒物體就會隨排水進入地下水。特魯埃爾現場試驗后曾取樣分析，氣化爐中的污染物有酚、氨和硫化物。美國也曾對幾個地下氣化站附近被污染的地下水進行采樣分析，證明有苯含量超標的事實。獲得充分的地質水文資料，合理選擇氣化煤層和氣化工藝，是減少UCG過程對地下環境影響的有效途徑。同時，應對氣化區周圍巖層和地面、地下水進行監測，以防止預想不到的事件發生[8，9]。

3.3.2 地面塌陷

隨著地下氣化的進行，原來的煤炭變為灰渣。雖然灰渣有一定的質量、體積，能夠承受一定的地層壓力，但其結果比原來的煤層所差甚遠，形成燃空區。隨著地下氣化繼續進行，燃空區會進一步擴大，將會導致地層坍塌，地面沉陷。地面沉陷會破壞植被、良田或者地面建筑、設施。利用常規煤炭開采的充填技術是解決地表下沉的有效技術。但無疑會增加成本。

3.3.3 CO2排量增加

受生產條件限制，化學反應不充分，UCG會產生大量的含CO2的低熱值煤氣。這些煤氣可利用價值很低，只能放空。有研究表明，UCG低熱值煤氣燃燒時放出的CO2氣體比常規燃煤電站排放量要大。這跟現在倡導的低碳經濟是背離的。所以在UCG氣化過程中分離和存儲CO2就很重要。我國目前尚缺這種技術。即使有，這也會導致成本增加。

4 結論及建議

(1)在目前的條件下，煤炭地下氣化技術的前景依舊不明朗。其處在技術不成熟，經濟無優勢，有環境危害的可能等的條件下。要想實現商業化非常困難，需要技術上大的突破。

(2)UCG因其本身擁有一些得天獨厚的優勢。其對于開采殘留煤、滯留煤、難采煤及深部煤層方面具有很大的優勢，是對能源的合理有效利用作出巨大貢獻的技術。可以將它作為長期戰略性技術來發展，這需要國家大力支持。

(3)UCG總的技術路線可行，但發展尚未成熟。要解決現有的一些問題關鍵還是技術上的突破。形成完備的技術體系：包括基礎理論研究，工程技術體系的建立與應用技術的開發。要取得成功的商業化成果，一些關鍵技術的攻克是重點，主要有：規模化生產地下氣化爐結構及構建技術；地下氣化連續穩定控制技術；污染物監控及燃空區管理技術；煤炭地下氣化多聯產技術。

(4)UCG的研究還需要平臺的搭建，促進各方面科學、技術的融合應用。要突破現有的技術瓶頸，還需要各學科的相互交流。研究人員也應當積極探尋各方合作，要以包容、開放的心態，促進各領域的合作，解決技術上的難題，才能合力有效地發展地下氣化事業。