地下煤氣化簡介

1、2016主講人：張婷地下煤氣化技術(shù)地下煤氣化技術(shù)專題十九專題十九AbstractTo push the underground coal gasification (UCG) technology toward commercialization, its competiveness and cost components still need to be investigated. This paper compares the power generation cost of underground coal gasification combined cycle (UCGCC) with

2、 pulverized coal (PC) plants, integrated gasification combined cycle (IGCC), and natural gas combined cycle (NGCC). Cost sensitivity of the UCGCC as a function of coal seam depth and thickness was also examined. The results indicate that UCGCC is very competitive compared to PC and IGCC. Within the

3、same assumed fuel price range, the power generation cost for UCGCC was $4548/MWh, whereas it was $4560/MWh for PC and over $100/MWh for IGCC.The generation cost of UCGCC was as low as NGCC at low natural gas prices, but UCGCC was able to provide a lower CO2 capture cost. Dependent upon the assumed f

4、uel prices, the capture cost for the UCGCC was $2728/tonne of CO2, whereas it was $4758/tonne of CO2 for NGCC. It is also found that the cost of UCGCC decreased with the increase in coal seam thickness and increased with coal seam depth, but the effect of depth was not as pronounced as that of the s

5、eam thickness.An effective way to enhance the competitiveness of UCGCC is to use thicker coal seams.翻譯為推動(dòng)地下煤氣化（UCG）技術(shù)的商業(yè)化，我們?nèi)孕鑼λ母偁幜统杀緲?gòu)成進(jìn)行調(diào)查。這篇文章對地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）和煤粉廠（PC），整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）和天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）的發(fā)電成本進(jìn)行了比較。也考察了影響地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）成本敏感性的煤層深度和煤層厚度。結(jié)果顯示與煤粉廠（PC）和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）相比，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）具有更

6、大的競爭力。假定同樣的煤價(jià)范圍，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的發(fā)電成本是45-48美元/Mwh。當(dāng)天然氣價(jià)格低的時(shí)候，天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）和地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的發(fā)電成本一樣，但是地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）技術(shù)能提供更低的CO2 捕捉成本。基于假定的煤價(jià)，地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）技術(shù)的CO2 捕捉成本為27-28美元/噸，而天然氣聯(lián)合循環(huán)（NGCC）發(fā)電的CO2 捕捉成本則為47-58美元/噸。研究還發(fā)現(xiàn)地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）的成本隨著煤層深度的增加和煤層厚度的增加而降低。但是煤層厚度對成本的影響更加顯著。提高地下煤氣化聯(lián)合循環(huán)（UCGCC）競爭力

7、的一個(gè)有效辦法就是用較厚的煤層。目錄CONTENTS地下煤氣化(UCG)介紹1地下煤氣化發(fā)展歷程2地下煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀3關(guān)于地下煤氣化技術(shù)的討論41. 地下煤氣化地下煤氣化(UCG)介紹介紹地下煤氣化技術(shù)的原理1.1地下煤氣化技術(shù)的分類1.21.1 地下煤氣化的原理地下煤氣化的原理 地下煤氣化(Underground Coal Gasification，UCG)就是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制地燃燒,通過對煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程。該過程集建井、采煤、地面氣化三大工藝于一體,變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤,化采煤為采氣，被譽(yù)為第二代采煤方法 。從地表沿煤層開掘兩個(gè)鉆孔1和2，兩孔底部

8、與一水平通道3相連，圖中1、2、3所包圍的整體煤堆為氣化盤區(qū)4氣化時(shí)，在鉆孔1處點(diǎn)火并鼓入空氣燃燒。此時(shí)，在氣化通道的一段形成燃燒區(qū)，其燃燒面成為火焰工作面。生成的高溫氣體沿水平通道3向前，同時(shí)把熱量傳給周圍的煤層，隨著煤的燃燒，氣化區(qū)逐漸擴(kuò)及整個(gè)氣化盤區(qū)，高溫氣體流向鉆孔2，由鉆孔2得到焦油和煤氣。由于煤層是傾斜的，煤層上方有頂板。當(dāng)由一個(gè)鉆孔通入空氣，生成煤氣則從另一個(gè)鉆孔逸出。右圖所示進(jìn)空氣的鉆孔底部燃燒較為激烈，時(shí)間一久使煤層嚴(yán)重變形。為了避免這種情況，可交替得向一個(gè)鉆孔供給氣化劑，與此相應(yīng)，生成煤氣可以交替從另一鉆孔排出。1.2 地下煤氣化的分類地下煤氣化的分類 煤炭地下氣化根據(jù)井下

9、主體氣化爐的構(gòu)筑方式可分為兩類生產(chǎn)方式：有井式和無井式。 有井式氣化就是在井下建立豎井、平巷工程、注排氣通道等地下氣化爐生產(chǎn)系統(tǒng)。其特點(diǎn)是在井下操作加工煤層，并可控制注氣點(diǎn)及氣流流動(dòng)方向。煤層氣化工藝包括爆破松動(dòng)煤層氣化工藝（圖a）、“長通道、大斷面、兩階段長通道、大斷面、兩階段”地下氣化工地下氣化工藝藝（圖b）和換管注氣點(diǎn)后退式氣化工藝。 圖a 圖b 無井式氣化一般通過定向鉆孔或者滲透的方式完成氣化爐的建設(shè)，且氣化爐的建設(shè)都在地面完成。根據(jù)氣化通道的注氣方式，無井式地下氣化技術(shù)可分為2 類: 滲透式氣化和定向孔氣化。滲透式是從地面上向被氣化的地下煤層鉆有相當(dāng)數(shù)量的孔，并使孔之間能相互滲透。它

10、的特點(diǎn)是先點(diǎn)燃煤層，通過鉆孔向煤層鼓風(fēng)，鼓入的空氣沿煤層的天然裂縫滲透，即可在煤層中形成氣化帶工作面。定向孔氣化是采用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工氣化通道，直接連通進(jìn)/排氣孔。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，定向孔長度可達(dá)到150 m 以上，因此可形成長壁式氣化。為克服長壁式氣化通道易堵，溫度不集中的缺點(diǎn)，在長壁式氣化基礎(chǔ)上，發(fā)展成為長壁式控制后退注氣點(diǎn)氣化工藝。2 地下煤氣化地下煤氣化(UCG)發(fā)展歷程發(fā)展歷程BCDEFA18681888年1910年年1912年20 世紀(jì)30 年代20 世紀(jì)60 年代威廉西門子（William Siemens）首先提出煤炭地下氣化的概念前蘇聯(lián)化學(xué)家門捷列夫提出了煤炭地下氣化技術(shù)

11、美國工程師發(fā)明了與現(xiàn)代地下煤氣化非常接近的技術(shù)，并獲得專利英國化學(xué)家威廉拉姆齊（William Ramsay）提議將地下煤氣化作為一種避免燃煤污染物排放的技術(shù)方案前蘇聯(lián)開始大量開展地下煤氣化實(shí)驗(yàn)前蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了大型的天然氣與石油資源，地下煤氣化的實(shí)驗(yàn)規(guī)模因而被大幅縮減3. 地下煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀地下煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀主要應(yīng)用方面3.1國內(nèi)外主要UCG項(xiàng)目及公司3.23.1 地下煤氣化技術(shù)的應(yīng)用地下煤氣化技術(shù)的應(yīng)用合成氨合成氨是一項(xiàng)成熟的煤氣化及化工合成聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。但傳統(tǒng)的煤氣化工藝普遍采用常壓固定床間歇?dú)饣ā＿^去中國先后引進(jìn)了魯奇爐Lurgi、德士古爐Texaco、U-gas爐, 這些氣化技術(shù)存在著投

12、資大、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn), 導(dǎo)致合成氨及后續(xù)化工產(chǎn)品缺乏市場競爭力。若采用煤炭地下氣化提供的原料氣，則可使合成氨產(chǎn)品成本大幅度降低。合成二甲醚二甲醚(DEM) 作為21 世紀(jì)的世界清潔能源已引起人們的普遍關(guān)注。合成二甲醚要求煤氣中氫與一氧化碳的比例為1.15 12 1 ，每噸二甲醚的煤氣消耗定額為4500m/h。太原東山瘦煤地下氣化模型實(shí)驗(yàn)表明, 采用純氧-水蒸氣地下氣化工藝, 調(diào)節(jié)氣化劑純氧及水蒸氣用量比例, 可以生產(chǎn)出廉價(jià)合格的二甲醚原料氣，為煤炭轉(zhuǎn)化及二甲醚合成開創(chuàng)新的途徑。制取純氫中國礦業(yè)大學(xué)余力教授等所創(chuàng)建的煤炭地下氣化新工藝“長通道、大斷面、兩階段”，就是將地面“兩階段”氣化原理移植

13、應(yīng)用到地下氣化中。用這種工藝使煤地下氣化后的氫氣含量可高達(dá)60%70%。其它煤地下氣化H2 含量僅為7.6%31.2%。因此，煤地下氣化提供了非常廉價(jià)的氫氣能源。以氣體原料合成油技術(shù)(又稱煤的間接液化)煤的間接液化在許多國家已進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，合成工藝包括F-T直接合成及Mobil工藝通過甲醇間接合成。其中的地面煤氣化通常采用魯奇爐或溫克勒氣化法。若采用煤炭地下氣化工藝，只需將合成氣的供給由地面氣化改為地下氣化，而其他成熟技術(shù)都可以保持不變。地下氣化煤氣從組成上與魯奇爐加壓氣化法及其它先進(jìn)氣化工藝所產(chǎn)煤氣有效成分相當(dāng)，因而可以作為合成油原料氣應(yīng)用于生產(chǎn)。煤地下氣化與燃?xì)庹羝麥u輪聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

14、結(jié)合（UCG-IGCC）利用煤地下氣化產(chǎn)生的合成氣，與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電結(jié)合，是合理使用地下氣化煤氣的有效途徑。美國GasTech 公司（2008），在美國懷俄明州波德（powder）盆地煤地下氣化合成氣中，將燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電（UCG-IGCC）的投資與地面氣化發(fā)電作了比較，優(yōu)勢十分明顯。煤地下氣化與碳俘獲、利用、封存結(jié)合（UCG-CCS）英國在2004 年10 月出版了在英國地下煤氣化可行性的評論報(bào)告（DTI/Pub URN 04/1643，DTI2004）中總結(jié)：UCG-CCS技術(shù)是碳減排的重要出路，UCG 與CO2 的俘獲連接起來，對減少CO2 的排放，具有極重大的潛在意義。英國的

15、未來能源白皮書中強(qiáng)調(diào)能源使用中，CO2 的低排放和零排放技術(shù)，唯一的方法是對CO2 進(jìn)行提取、分離和封存，即UCG-CCS 技術(shù)。因此，這一技術(shù)被看作是發(fā)展可持續(xù)低碳潔凈能源的有效技術(shù)途徑。煤地下氣化與燃料電池發(fā)電結(jié)合（UCG-ACF）近年來，有人提出采用煤炭地下氣化生產(chǎn)富氫煤氣，然后用氫作燃料電池，這一煤炭地下氣化于燃料電池相結(jié)合的技術(shù)稱之為UCG-AFC 技術(shù)。UCG-AFC 技術(shù)是當(dāng)今世界一個(gè)新的方向。UCG-ACF 技術(shù)可以大規(guī)模地生產(chǎn)富氫氣，同時(shí)，也可進(jìn)行CO2 俘獲和地質(zhì)儲(chǔ)存。在這一過程中，CO2 和其他不可燃?xì)怏w從煤氣中分離出來，產(chǎn)生低碳?xì)夂筒糠旨儦浠蚝铣蓺狻?.2 國內(nèi)外主要國

16、內(nèi)外主要UCG項(xiàng)目及公司項(xiàng)目及公司 我國煤炭地下氣化試驗(yàn)研究發(fā)展主要在20 世紀(jì)80 年代以后。目前也由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究、現(xiàn)場試驗(yàn)研究逐步轉(zhuǎn)向工業(yè)示范生產(chǎn)應(yīng)用，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤炭地下氣化技術(shù)。目前工業(yè)示范情況比較好的是新礦集團(tuán)(有井式技術(shù)) 和新奧集團(tuán)(無井式技術(shù))，它們都與中國礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行合作。1) 新礦集團(tuán)“有井式”UCG 技術(shù)。新礦集團(tuán)地下煤氣化1999 年開始試驗(yàn)研究工作，2000 年3月點(diǎn)火成功，同年7 月正式向1 萬余戶居民供生活用燃?xì)?。?0012002 年相繼建成了協(xié)莊氣化站、鄂莊氣化站( 一期) ，并一次點(diǎn)火成功。目前日產(chǎn)氣量達(dá)到10 萬m，煤氣熱值達(dá)到11. 26M

17、J /m。2002 年地下煤層氣化申報(bào)了國家“863”計(jì)劃“煤炭地下氣化穩(wěn)定控制技術(shù)的研究”課題，獲得科技部批準(zhǔn)并被列入中國“863”計(jì)劃和試驗(yàn)基地。2) 新奧集團(tuán)“無井式”UCG 技術(shù)。2007 年1月，新奧集團(tuán)投資2 億多元組建烏蘭察布新奧氣化采煤技術(shù)有限公司，與中國礦業(yè)大學(xué)和烏茲別克斯坦Angren 氣化站共同開展“無井式煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目”研究。同年10 月，我國首套日產(chǎn)煤氣15 萬m/d 的無井式煤炭地下氣化試驗(yàn)系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)一次點(diǎn)火成功。該試驗(yàn)現(xiàn)場已具備供熱、發(fā)電、生產(chǎn)化工原料的能力，取得了一批創(chuàng)新性研究成果，申報(bào)了9 項(xiàng)專利。這項(xiàng)研究創(chuàng)新地構(gòu)建了“L 型后退面擴(kuò)展”的全新結(jié)構(gòu)地

18、下氣化爐，創(chuàng)造性地開發(fā)了氣化通道貫通技術(shù)、氣化通道疏通技術(shù)和無井式氣化，造氣成本僅為地面氣化造氣的40%左右。截止到2011 年年底，新奧集團(tuán)烏蘭察布?xì)饣疽堰B續(xù)運(yùn)行四年，第三個(gè)試驗(yàn)爐穩(wěn)定運(yùn)行900天，熱值和組分穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行780 天，空氣連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量30 萬m /d，富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量15 萬m /d，達(dá)到了工業(yè)化生產(chǎn)要求。澳大利亞Chinchilla 項(xiàng)目 澳大利亞煤炭資源豐富，包括Linc 能源公司、Carbon Energy 有限公司在內(nèi)的多家企業(yè)在開發(fā)UCG 項(xiàng)目，其中Linc能源公司UCG 項(xiàng)目最為典型，其位于澳大利亞昆士蘭的Chinchilla 項(xiàng)目是迄今西方國家中

19、運(yùn)行成功的最大試驗(yàn)項(xiàng)目，技術(shù)采用加拿大的UCG 技術(shù)。安格連斯克(Angren) UCG 項(xiàng)目 該項(xiàng)目位于烏茲別克斯坦，于1961 年投產(chǎn)，至今一直在生產(chǎn)。氣化煤階為褐煤，煤層厚度4 24 m，煤灰分含量25% 28%，含水31% 35%，熱值3 650 kcal /kg，煤層傾角5 15，深110 250 m，井間距25 m。系統(tǒng)壓力156 kPa ( 平均)。設(shè)計(jì)規(guī)模14 億m/a，最大年產(chǎn)氣量達(dá)14. 1 億m(1965 年)。產(chǎn)品氣熱值為800 850 kcal /m。目前已被澳大利亞Linc 能源公司收購，日產(chǎn)合成氣100萬m。南非Majuba UCG 項(xiàng)目 該項(xiàng)目由EskomHol

20、dings 公司實(shí)施，采用ErgoExergy 公司的UCG技術(shù)。于2007 年1 月投產(chǎn)，初始3 000m /h，最終將提高到25 萬m /h。該項(xiàng)目為非洲大陸第 一個(gè)UCG 裝置，目的是增加煤資源，該項(xiàng)目煤炭資源的地質(zhì)復(fù)雜性、規(guī)模及開創(chuàng)性都超出預(yù)期的設(shè)想。所產(chǎn)高質(zhì)量合成其用于發(fā)電。4. 關(guān)于地下煤氣化技術(shù)的討論關(guān)于地下煤氣化技術(shù)的討論UCG的優(yōu)點(diǎn)與不足A前景與展望B優(yōu)點(diǎn)：1) 煤炭地下氣化技術(shù)具有較好的環(huán)境效益。煤地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，采用充填技術(shù)減少了地表下沉；無固體物質(zhì)排放，減少了廢物和粉煤灰堆放面積對地面環(huán)境的破壞，這是其他潔凈煤技術(shù)無法比擬的；與傳統(tǒng)采煤加地面燃燒相比，UC

21、G 可減少CO2排放，并有利于進(jìn)行碳捕捉和儲(chǔ)存；CO 經(jīng)地面變換后，采用分離技術(shù)將CO2分離儲(chǔ)存或作其他用途，從而得到潔凈煤氣，因此，地下氣化技術(shù)有利于解決大氣污染問題。2) 煤炭地下氣化技術(shù)提高了煤炭資源的利用率。煤炭地下氣化技術(shù)可大大提高資源回收率，使傳統(tǒng)工藝難以開采埋藏太深的煤、邊角煤、“三下”壓煤、已經(jīng)或即將報(bào)廢礦井遺留的保護(hù)性煤柱和按國家環(huán)保規(guī)定不準(zhǔn)開采的高硫高灰劣質(zhì)煤得到開采，大大提高了煤炭資源的利用率。3) 安全性好。煤炭地下氣化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井下無人、無設(shè)備生產(chǎn)煤氣，因此具有較好的安全性，可避免傳統(tǒng)采煤的煤礦塌陷、透水、瓦斯突出等事故。4) 投資少、經(jīng)濟(jì)效益好。與礦井和礦場建設(shè)相比，建設(shè)地下煤氣化站的投資低2. 5 倍，與地面氣化相比投資顯著降低。5) 勞動(dòng)生產(chǎn)率高。生產(chǎn)管理操作簡單，用人少，效率高，成本低，利潤高，比井工開采可提高工效3 倍以上，節(jié)約成本一半多，而且生產(chǎn)安全性好。6) 省去了煤的運(yùn)輸和裝卸。沒有運(yùn)輸過程中的燃料損失和煤塵等污染物排放，減少了相應(yīng)的費(fèi)用。不足：1) 煤炭地下氣化過程的控制不能達(dá)到像地面煤氣化的程度，很多