煤炭地下氣化技術(shù)概況論文

1、煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展概況xxx(xxx)摘 要： 本文介紹了煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，UCG）的原理，對(duì)國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化的發(fā)展方向，包括UCGIGCC、UCGCCS、UCGHUG和UCGACF等技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)地闡述，通過(guò)對(duì)煤炭地下氣化工藝的描述，指出了煤炭地下氣化的影響因素和煤炭地下氣化的特點(diǎn)，認(rèn)為發(fā)展煤炭地下氣化是我國(guó)解決當(dāng)前能源安全和環(huán)境污染的有效途徑。關(guān)鍵詞：煤炭地下氣化；發(fā)展趨勢(shì)；影響因素及特點(diǎn)Underground Coal Gasification Technology Development Overviewxxx(xxx)Abst

2、ract： In this work, the principle of the Underground Coal Gasification is introduced.And the current developments of UCG both in china and abroad,which includes UCGIGCC、UCGCCS、UCGHUG and UCGACF,are detailed described.By describing the underground coal gasification process,the influence facters of UC

3、G and UCG characteristics are pointed out.Most importantly,developing the technology of UCG is an effective approach to solve the problems of energy security and environment pollution.Key words：Underground Coal Gasification；current developments；facters and characteristics由于發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求增長(zhǎng)很快，以及油、氣后備

4、資源不足引起油、氣價(jià)格劇烈上升，在其它再生能源等足以替代之前，石油價(jià)格很難降下來(lái)。在20世紀(jì)，西方國(guó)家開(kāi)展“煤炭地下氣化”（Underground Coal Gasification，UCG）工業(yè)試驗(yàn)研究，該過(guò)程大體上隨油價(jià)高低而幾起幾落，一直沒(méi)有停止。從21世紀(jì)開(kāi)始，許多國(guó)家認(rèn)識(shí)論到，發(fā)展UCG是大勢(shì)所趨，一些國(guó)家（如美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、加拿大、南非、印度等）的UCG工作進(jìn)展快速，UCG的氣可用于發(fā)電、制氫、清潔燃料、化工原料等，有的已開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)。近幾年煤炭地下氣化（UCG）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)以下趨勢(shì)：（1）煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）；（2）煤炭地下氣化與

5、碳俘獲、利用、儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-CCS）；（3）煤炭地下氣化與制氫產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-HGC）；（4）煤炭地下氣化與燃料電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-ACF）。這是一個(gè)把化石燃料的煤轉(zhuǎn)化成相當(dāng)清潔的燃料的重要階段。1氣化原理煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification ，UC G）集建井、采煤、氣化三大工藝為一體，拋棄了龐大笨重的采煤設(shè)備和地面氣化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了井下無(wú)人、無(wú)設(shè)備生產(chǎn)煤氣，變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤，是多學(xué)科開(kāi)發(fā)清潔能源和化工原料氣的高新技術(shù)。煤炭地下氣化就是向地下煤層中通入氣化劑，使煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w，然后

6、將產(chǎn)品煤氣導(dǎo)出地面再加以利用的一種能源采集方式。建設(shè)時(shí)在工作面掘進(jìn)出通道，與地面的鉆孔相通，作為進(jìn)氣孔或出氣孔。井下工作面密封點(diǎn)火后，通過(guò)有效控制風(fēng)量等技術(shù)措施，在出氣孔就會(huì)獲得地下煤氣，經(jīng)過(guò)噴淋洗滌、捕滴、捕焦、脫硫等系列工藝進(jìn)行凈化處理后，通過(guò)管道、儲(chǔ)氣柜送入用戶(hù)。煤炭地下氣化系統(tǒng)主要有五部分組成：地下氣化爐：由氣流通道、氣化通道、鉆孔三部分組成；測(cè)控系統(tǒng)：包括對(duì)地下氣化爐、地面設(shè)備狀態(tài)(溫度、壓力、流量、組份)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制；凈化系統(tǒng)：包括洗滌塔、捕滴、捕焦、脫硫設(shè)備；儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)：包括儲(chǔ)氣柜和煤氣加壓機(jī)及輸配管道等；氣化劑制取系統(tǒng)：包括鼓風(fēng)機(jī)、富氧裝置和蒸汽鍋爐等設(shè)備。氣化過(guò)程主要是

7、在地下氣化爐的氣化通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，在氣化通道中經(jīng)過(guò)三個(gè)反應(yīng)區(qū)域，既氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)，（如圖1所示）主要發(fā)生如下反應(yīng)：在氧化區(qū)，空氣中的氧與煤層中的碳發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)，生成一氧化碳和二氧化碳，并產(chǎn)生大量的熱使煤層熾熱并蓄熱；在還原區(qū)，二氧化碳和水蒸汽與熾熱的煤層相遇，在高溫下二氧化碳還原為一氧化碳，水蒸汽分解為氫氣和氧氣，氧氣與碳生成一氧化碳，氫氣與碳或一氧化碳、二氧化碳生成甲烷。在干餾干燥區(qū)，在高溫?zé)嶙饔孟聼o(wú)氧的氣流混雜著析出的煤中的揮發(fā)物，形成焦?fàn)t煤氣。12國(guó)內(nèi)外發(fā)展概述2.1煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）煤炭地下氣化生產(chǎn)的氣（有“空氣煤氣”

8、、“水煤氣”、“合成氣”等，本文以下簡(jiǎn)稱(chēng)為“煤氣”）應(yīng)用于整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電2（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），是合理使用地下氣化熱能的有效途徑，是碳減排的重要方法。在俄羅斯、烏茲別克早已生產(chǎn)2 9304 187 kJ/m3的低熱值煤氣用來(lái)燒鍋爐或發(fā)電，長(zhǎng)達(dá)50多年。烏茲別克安格連礦每年氣化35萬(wàn)噸煤3，供發(fā)電之用。在美國(guó)波德河盆地已有用UCG-IGCC發(fā)電運(yùn)行多年。南非Majuba煤礦2007年5月31日 建立第一個(gè)使用UCG煤氣的電站，運(yùn)轉(zhuǎn)第一年已生產(chǎn)13億立方煤氣。在中國(guó)目前已建成UCG與發(fā)電站的連接的有華亭、新汶等

9、礦，電站規(guī)模較小與效率尚待UGC- IGCC方向努力。2.2煤炭地下氣化與碳俘獲、利用、儲(chǔ)存結(jié)合（UCG-CCS）據(jù)估計(jì)，一個(gè)200Mw的UCG-IGCC電站年產(chǎn)CO2大約為1Mt4。通過(guò)對(duì)CO2的分離可以使CO2得到利用和儲(chǔ)存。例如，CO2可用以增高采油的回收率（美國(guó)波德河盆地5），余下可就地封存。CO2可提高煤層氣的回采率（英國(guó)福思灣6），也可封存于地下深處海相地層或相鄰的煤層中（增強(qiáng)煤層的甲烷的產(chǎn)量，同時(shí)得以?xún)?chǔ)存7）。有文獻(xiàn)提到，在UCG的注入井中注入鈣，可使CO2成凝膠狀保存。圖1 UCG與常規(guī)電廠(chǎng)發(fā)電的CO2排放量的比較（引自Green，2008）2.3煤炭地下氣化為開(kāi)辟二次能源廉價(jià)

10、氫能源提供實(shí)際可能（UCG-HGC）世界各國(guó)開(kāi)始重視UCG制氫的意義，成為一個(gè)重要的方向。“歐洲氫地下氣化（Hydrogen Underground Gasification Europe）”項(xiàng)目從2007年9月開(kāi)始，歷時(shí)3年，經(jīng)費(fèi)350萬(wàn)歐元，在波蘭南部Mikow 的Barbara礦，用UCG提取氫，在2010年4月已用于燃料電池發(fā)電8。國(guó)內(nèi)“長(zhǎng)通道、大斷面、兩階段”煤地下氣化工藝是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)余力教授等所創(chuàng)建的，UCG的煤氣中的氫含量可高達(dá)60-70%，與國(guó)外UCG的煤氣中的氫含量（7.6-31.2%，平均為17.%）相比，具有明顯的優(yōu)越性9。2.4煤炭地下氣化與AFC產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-

11、AFC）通過(guò)UCG使氫富集，然后用氫作燃料電池（Alkali Fuel Cells，AFC）的氫源。這樣一個(gè)UCG-AFC產(chǎn)業(yè)結(jié)合的過(guò)程是當(dāng)今能源發(fā)展的一個(gè)新方向。煤在地下被氣化可生成易燃的富氫的煤氣，在地面經(jīng)多種凈化過(guò)程后，可由壓縮搖動(dòng)吸附（Pressure swing absorption）方法提取，使煤氣分成兩部分：一部分是壓縮氫、另一部分是純CO2。氫氣可供給能源燃料電池（Energy fuel cells）發(fā)電，其副產(chǎn)品是水，CO2被俘獲后可儲(chǔ)存。英國(guó)桑頓新能源公司和Waste2tricity公司宣布成立合資公司，從事由UCG 得到的氫氣，通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電的商業(yè)應(yīng)用。這樣一個(gè)煤電

12、清潔模式比常規(guī)煤電站的要優(yōu)越。在澳大利亞，燃料電池生產(chǎn)商AFC能源公司2009年與Linc能源公司、B9煤炭有限公司簽訂了一個(gè)協(xié)議，開(kāi)展AFC用于Linc能源公司的UCG項(xiàng)目，計(jì)劃AFC公司的燃料電池能于 2010年在Linc能源公司Chinxhilla的UCG 廠(chǎng)運(yùn)作，如果可行，將安裝較大的5萬(wàn)瓦的設(shè)備。 3氣化工藝3.1煤層滲透氣化煤層滲透氣化是把煤層的一個(gè)氣化區(qū)當(dāng)作具有孔隙和裂隙的天然煤層，并且還考慮到，隨著煤層的加熱，煤層的節(jié)理性增加。用這種方法氣化時(shí)，必須點(diǎn)燃煤層，還需由鼓風(fēng)鉆孔向煤層鼓風(fēng)，此時(shí)被鼓入的風(fēng)，即沿煤層的天然孔隙和裂隙向排氣孔滲透。由于向點(diǎn)燃的煤層內(nèi)供風(fēng)的結(jié)果，在煤層中即

13、可形成氣化帶燃燒工作面。同時(shí)隨著煤層氣化的進(jìn)行，氣化帶逐漸發(fā)展成氣化空間。但是，利用此種氣化方法，沿煤層的孔隙和裂隙通過(guò)所需的空氣量時(shí)，具有較大的阻力，因此要求高壓鼓風(fēng)，而高壓鼓風(fēng)運(yùn)行費(fèi)用則較昂貴。3.2通道氣化首先需要在煤層內(nèi)開(kāi)鑿一適當(dāng)斷面的通道，其通道的阻力應(yīng)能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)風(fēng)壓下所能通過(guò)的風(fēng)量。通道氣化法又稱(chēng)連續(xù)氣化法。所開(kāi)通道應(yīng)能保證由一端進(jìn)風(fēng)，另一端排出煤氣。4地下氣化分類(lèi)按開(kāi)拓方式可分為有井式、無(wú)井式、混合式，西方國(guó)家多鐘情于無(wú)井式，我國(guó)則注重于有井式或混合式。按氣化劑可分為富氧（純氧）水蒸汽、空氣水蒸汽，前者產(chǎn)合成氣，后者只產(chǎn)燃料氣。按氣化區(qū)的形狀可分為“I”形和“U”形兩大類(lèi)?！癐”

14、形又分為通過(guò)式和盲頭式，形式簡(jiǎn)單，產(chǎn)量小，較適宜于無(wú)井方式；“U”形覆蓋面積大，可做多種組合變化，最適宜于有井式大規(guī)模生產(chǎn)。在我國(guó)目前較有前途的“長(zhǎng)通道大斷面氣化方式”和“管式注氣點(diǎn)周期后退氣化方式”都屬于“U”形有井式，此前所用氣化劑均為空氣水蒸汽，只能做燃料氣。5影響氣化的因素5.1煤炭性質(zhì)煤的性質(zhì)包括煤的滲透性，受熱膨脹性及傳熱和傳質(zhì)性質(zhì)。煤的滲透性隨煤的品位而變，褐煤的滲透率是煙煤的1000倍，次煙煤的滲透率比煙煤高一個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)煙煤的滲透性最差。煤的膨脹性足夠大，在氣化時(shí)將會(huì)堵塞煤床中的氣流通道，因此強(qiáng)粘結(jié)性的煙煤是難以進(jìn)行地下氣化的。無(wú)煙煤透氣性最差，活性低，難以進(jìn)行地下氣化，而褐

15、煤最適宜進(jìn)行地下氣化。5.2氣化爐溫度和鼓風(fēng)速度目前常用的氣化劑是空氣和水蒸氣。氣化過(guò)程的穩(wěn)定主要決定于單位時(shí)間內(nèi)起反應(yīng)的碳量，而參與反應(yīng)的炭量，又決定于固體碳和二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)速度，決定于與二氧化碳分子向固體碳表面的擴(kuò)散速度，前者與氣化帶的溫度有關(guān)，后者則與鼓風(fēng)量有關(guān)。鼓風(fēng)量越大，擴(kuò)散速度也越大，煤的氣化強(qiáng)度增加，初級(jí)產(chǎn)物CO的燃燒可以部分避免，而從氧化區(qū)帶出。因此，提高鼓風(fēng)速度可以相應(yīng)的提高煤氣熱值。但是，還原區(qū)的氣流速度，決定了CO2與焦炭接觸的時(shí)間，接觸時(shí)間的長(zhǎng)短，可以影響形成可燃?xì)怏w的最后組成成分。因此，必須在具有一定溫度場(chǎng)的條件下提高氣流速度，才有利于高熱值煤氣的產(chǎn)生，否則將會(huì)導(dǎo)

16、致更壞的結(jié)果。例如，在燃燒工作面不夠高時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度低，增加氣流速度，使氣流與碳表面接觸的時(shí)間縮短，CO2及水蒸氣得不到充分還原與分解，這就降低了CO與H2的含量。同時(shí)也增加了煤層的阻力，擾亂了氣流的流動(dòng)。與此相反，在足夠高的溫度條件下，由于CO2趨于向碳的表面反應(yīng)有所改善，加速了化學(xué)反應(yīng)的速度，CO2的還原也就進(jìn)行的更劇烈，煤氣熱值越高。無(wú)論什么條件下，鼓風(fēng)速度的增加都是有限度的，超過(guò)某一極限值以后，部分空氣將不經(jīng)過(guò)氧化區(qū)，而從煤層裂隙到達(dá)還原區(qū)，使部分氣化產(chǎn)物被燒掉CO2含量增加，煤氣熱值降低。綜上所訴，對(duì)每個(gè)氣化系統(tǒng)，甚至在每個(gè)時(shí)刻都有一個(gè)適宜的氣化溫度場(chǎng)和鼓風(fēng)速度，一旦偏離這個(gè)條件，

17、氣化將失去穩(wěn)定。5.3氣化通道長(zhǎng)度可燃?xì)怏w的產(chǎn)生在氣化通道中經(jīng)過(guò)了三個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)，當(dāng)氣化通道較長(zhǎng)時(shí)，氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾區(qū)均能得到充分的發(fā)育，有利于一些可燃?xì)怏w生成反應(yīng)的進(jìn)行，使煤氣中H2、CO、CH4等成分增加，煤氣熱值提高。若氣化通道過(guò)短，只有氧化區(qū)和還原區(qū)的到發(fā)育，干餾區(qū)很短或消失，這樣煤熱解反應(yīng)減弱，煤氣中CH4含量降低，煤氣熱值降低。因此，建立足夠長(zhǎng)的氣化通道是提高煤氣質(zhì)量必不可少的措施之一。從理論上講，氣化通道越長(zhǎng)，煤氣中CH4含量越高。但前蘇聯(lián)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)操作表明，過(guò)長(zhǎng)的氣化通道則因煤氣被冷卻，水煤氣反應(yīng)加劇，CO/CO2比率下降，而CH4在過(guò)低的溫度下生成速率很小。所以，對(duì)某一

18、特定的煤層來(lái)說(shuō)，氣化長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足各反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度要求。5.4水進(jìn)入速率適當(dāng)?shù)牡叵滤梢源龠M(jìn)氣化過(guò)程，提高煤氣的熱值，但是過(guò)多的地下水涌入氣化區(qū)又將使氣化熱量散失，使煤氣熱值降低，當(dāng)煤層厚度小于2m時(shí)，水涌入和圍巖的冷卻作用大，對(duì)煤氣熱值的影響較大。薄煤層可以用增加鼓風(fēng)速率或富氧鼓風(fēng)來(lái)提高煤氣的熱值。厚煤層有利于提高煤氣熱值和生產(chǎn)能力，但厚煤層又適宜于機(jī)械化開(kāi)采，地下氣化一般以1.3-3.5m為最經(jīng)濟(jì)合理。5.5空氣動(dòng)力學(xué)條件和氣化爐結(jié)構(gòu)現(xiàn)行的地下煤氣發(fā)生爐的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：在地下氣化爐的不同工作階段，均勻的向煤層反應(yīng)表面鼓風(fēng)，是氣化爐內(nèi)穩(wěn)定析氣的主要條件。氣化過(guò)程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨著煤

19、層和頂板的冒落而不斷改變。因此，氣化工作面的大小、形狀、位置和空氣動(dòng)力學(xué)條件也在不斷的發(fā)生變化，從而影響氣化過(guò)程的穩(wěn)定。順利地送風(fēng)于反應(yīng)的煤表面，從而保證一定的空氣動(dòng)力學(xué)條件是氣化過(guò)程的穩(wěn)定基礎(chǔ)，因此必須設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的氣化爐，以實(shí)現(xiàn)這一目的。6煤炭地下氣化的特點(diǎn)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(wú)固體物質(zhì)排放，因此煤炭地下氣化減少了廢物和粉煤灰堆放面積及對(duì)地面環(huán)境的破壞。地下氣化煤氣可以集中凈化，脫除焦油、硫和粉塵等其他有害物質(zhì)，可以消除SOx和NOx污染，汞、顆粒物和含硫物質(zhì)等其他污染物也大大減少。煤炭地下氣化技術(shù)可大大提高資源回收率。在抽采煤層氣之前進(jìn)行地

20、下煤氣化可回收煤炭熱值75%以上，在抽采煤層氣之后進(jìn)行地下煤氣化也可回收煤炭熱值的70%。此外，還使傳統(tǒng)工藝難以開(kāi)采埋藏太深的煤、邊角煤、“三下”（河下、橋下、建筑物下）壓煤、己經(jīng)或即將報(bào)廢礦井遺留的保護(hù)性煤柱和按國(guó)家環(huán)保規(guī)定不準(zhǔn)開(kāi)采的高硫高灰劣質(zhì)煤得到開(kāi)采。但是，煤炭地下氣化反應(yīng)，受到地質(zhì)復(fù)雜多變的條件限制，氣化工作面反應(yīng)狀態(tài)不明，安全情況不清等的制約。同時(shí)煤炭地下氣化達(dá)不到地面氣化的商業(yè)化程度，主要表現(xiàn)在氣化效率、可燃成分、熱值及產(chǎn)量等方面不夠穩(wěn)定。在理想條件下燃燒區(qū)也逐漸向前移動(dòng)，還原區(qū)、干餾區(qū)也隨之向風(fēng)流前進(jìn)方向移動(dòng)。當(dāng)燃燒區(qū)行至出氣巷時(shí)，為保護(hù)出氣巷和三個(gè)反應(yīng)帶，就要反風(fēng)。此時(shí)，煤氣中的可燃成分、熱值要降低，并使煤氣生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性也要降低。7結(jié)語(yǔ)本文介紹了煤炭地下氣化的原理，并詳細(xì)總結(jié)了煤清潔利用的四個(gè)發(fā)展方向：煤炭地下氣化與聯(lián)合循環(huán)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-IGCC）；煤炭地下氣化與碳俘獲、利用、儲(chǔ)存產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-CCS）；煤炭地下氣化與制氫產(chǎn)業(yè)的結(jié)合（UCG-HGC）；煤炭地下氣化與燃料電池發(fā)電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合