煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

1、煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分 析 (2014-11-11 09:29:45) 煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析 煤炭地下氣化(undergroundcoalgasif ication,UCG)是將地下賦存的煤在煤層內(nèi)燃燒、氣化成煤氣，輸送到地 面，作為能源或化工原料，特別適用于常規(guī)方法不可采或開(kāi)采不經(jīng)濟(jì)的煤 層，以及煤礦的二次或多次復(fù)采，產(chǎn)品氣可以經(jīng)過(guò)處理通過(guò)管道輸送，也 可以直接使用煤氣發(fā)電或化工合成。煤炭地下氣化(UCG)是一門(mén)融多學(xué) 科為一體的綜 合性能源生產(chǎn)技術(shù)，牽涉到地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、鉆井技術(shù)、點(diǎn)火燃 燒控制技術(shù)、產(chǎn)品氣加工利用技術(shù)=住態(tài)環(huán)境保護(hù)技術(shù)等一系列 技術(shù)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)超

2、地面氣化*建也使其風(fēng)險(xiǎn)程度增加T叭 煤炭地下氣化(UCG)技術(shù)在少數(shù)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了少量的商業(yè)化應(yīng)用， 俄、美、英、德國(guó)、澳大利亞、日本和中國(guó)等國(guó)家已不同程度地掌握了該 領(lǐng)域的一些矢鍵技術(shù)。 1煤炭地下氣化(UCG)基本原理及相矢技術(shù) 1 .1基本原理 煤炭地下氣化的過(guò)程主要是在地下氣化爐的氣化通道中實(shí)現(xiàn)的，整個(gè) 氣化過(guò)程可以分為氧化、還原、干館干燥3個(gè)反應(yīng)區(qū)(圖 1) 。從化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)講，3個(gè)區(qū)域沒(méi)有嚴(yán)格的界限，氧化區(qū)、還原區(qū) 也有煤的熱解反應(yīng)，3個(gè)區(qū)域的劃分只是說(shuō)在氣化通道中 氧化、還原、熱解反應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)弱程度。經(jīng)過(guò)這3個(gè)反應(yīng)區(qū)以后， 生成了含可燃組分主要是H2、CO、CH4的煤氣，氣化反

3、應(yīng)區(qū)逐漸向出氣 口移動(dòng)，因而保持了氣化反應(yīng)過(guò)程的不斷進(jìn)行，氣化通道的煤壁（氣化工 作面）不斷燃燒，向前推進(jìn)，剩余的灰分和殘?jiān)z留在采空區(qū)。 1 2矢鍵技術(shù)類(lèi)型 1）有井式氣化技術(shù)。該法又稱巷道式地下氣化爐技術(shù)（圖2）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，并在進(jìn)氣孔底部巷道筑一道密閉墻（促使定向燃燒煤層），然后便 可將密閉墻前面的煤炭點(diǎn)燃?xì)饣瑥囊粋€(gè)井筒鼓風(fēng)，通過(guò)平巷，由另一個(gè) 井筒排出煤氣。 此法只應(yīng)用于尖閉礦井中遺棄資源的回收，須進(jìn)行井下施工，作業(yè)環(huán) 境和安全性差，這對(duì)其應(yīng)用帶來(lái)不利。除新奧集團(tuán)內(nèi)蒙古地下氣化試驗(yàn) 外，我國(guó)已完成的UCG項(xiàng)目以及正在進(jìn)行

4、前期工 作的絕大部分UCG項(xiàng) 目都是有井式的。 2）無(wú)井式氣化技術(shù)。該法采用常規(guī)的油氣鉆井技術(shù)鉆孔（圖 3），很好地發(fā)揮了石油企業(yè)的鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)，免去了巷道式建地下氣化爐 的條件限制。相比于“有井式”氣化爐，“無(wú)井式”氣化建爐具有工藝簡(jiǎn) 單、建設(shè)周期短的特點(diǎn)，適用于整裝煤田的大規(guī)模地下氣化，也可用于深 部及水下煤層氣化。 無(wú)井式煤炭地下氣化法從地面向煤層打直徑150400 mm、間距10 4 0m的一系列鉆孔，兩鉆孔之間貫通形成氣化通道，點(diǎn)火氣化。雙孔式 氣化技術(shù)中兩孔間的貫通方法常用的有壓火力滲透貫通法、高壓火力滲 透貫通法、電力貫通法、水力壓裂貫通法以及定向鉆孔貫通法5種。 1 3產(chǎn)氣率及

5、產(chǎn)品氣組成 1）產(chǎn)氣率。產(chǎn)氣率與煤質(zhì)、賦存條件以及采用的氣化劑種類(lèi)等有矢 （表1）。一般來(lái)說(shuō)，氣化煙煤時(shí)，如果采用空氣作為氣化劑，煤氣熱值 1 200 kcal/Nm3，產(chǎn)氣效率大約為3 8 3 0 Nm3/t，若采用富氧水蒸氣作為 氣化劑煤氣熱值2200 kcal/Nm3,產(chǎn)氣效率大約為2100Nm3/t。 2)產(chǎn)品氣的組成。煤炭地下氣化產(chǎn)品氣的組分與煤階、 氣化 劑類(lèi)型以及工程技術(shù)等因素相尖，與地面煤炭氣化產(chǎn)品氣組成基本一致， 不同煤階、氣化劑所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品氣組分如表2所示。 2國(guó)內(nèi)外煤炭地下氣化(UCG)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 2.1國(guó)外主要技術(shù)現(xiàn)狀 1)前蘇聯(lián)UCG技術(shù)。前蘇聯(lián)是世界上進(jìn)行煤炭地下

6、氣化試驗(yàn)研究最 早的國(guó)家，也是地下氣化工業(yè)應(yīng)用最成功的國(guó)家之一，我國(guó)目前比較先進(jìn) 的煤炭地下氣化技術(shù)主要是在前蘇聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 前蘇聯(lián)最初試驗(yàn)于1 9 3 3年，到2 0世紀(jì)6 0年代初期，在莫斯科 近郊、頓巴斯和庫(kù)茲巴斯已有5個(gè)商業(yè)規(guī)模的地下氣化試驗(yàn)區(qū)，利用氣化技 術(shù)已回收了約15 00萬(wàn)t煤，生產(chǎn)煤氣超過(guò)500億m3,所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā) 電或工業(yè)燃料。1942年蘇聯(lián)在莫斯科近郊煤田又試驗(yàn)成功無(wú)井式地下氣化 爐，同時(shí)還發(fā) 展了各種貫通技術(shù)，由過(guò)去的滲透技術(shù)轉(zhuǎn)向定向鉆孔貫通技 術(shù)，以求得長(zhǎng)距離貫通。在氣化技術(shù)上，他們對(duì)氣化劑進(jìn)行了試驗(yàn)，由過(guò) 去的鼓入空氣得到低熱值煤氣轉(zhuǎn)向鼓入氧氣得到

7、中熱值煤 氣，大大提高了 煤炭地下氣化技術(shù)的水平，從而在蘇聯(lián)和世界各國(guó)得到推廣。 該地下氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：a逆向火力燃燒+定向鉆進(jìn)，形成滲 濾氣化通道；b采用U型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煤層預(yù)熱，減小熱損，提高氣化效率； C實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)移動(dòng)注氣、多孔穩(wěn)定出氣，保證煤氣產(chǎn)量；d實(shí)現(xiàn)中等規(guī)模生 產(chǎn)。 缺點(diǎn)表現(xiàn)在：a氣化鉆孔比較多，氣化爐成本高；b對(duì)地質(zhì)水文要求比 較高；c缺少富氧和純氧運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。 2）美國(guó) CRIP （controlledretra ctioninjectionpoint,受控注入點(diǎn)后退氣 化）工藝。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1 9 7 6年開(kāi)始 研究地下煤氣化，在模擬研究和實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，

8、研發(fā)出受控注入點(diǎn) 后退氣化工藝（CRIP） 這種新工藝把定向鉆進(jìn)和反向燃燒結(jié)合在一 起，定向鉆孔先打垂直注入孔和產(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)?化時(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推進(jìn)。 該地下氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：a注氣點(diǎn)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣化工作面控制；b 熱解帶減小，氣化效率提高，減少了通道堵塞及鉆 孔堵塞；c從事了富氧試驗(yàn)。 缺點(diǎn)表現(xiàn)在：

9、a點(diǎn)火操作比較復(fù)雜；b 氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)不適用于規(guī)模生產(chǎn)。 3 ）加拿大eUCGTM技術(shù)。成立于1 9 9 4年的加拿 大ErgoExergyTechnologies公司的地下煤氣化技術(shù)是目前最受尖注的技術(shù) 之一，近年其專(zhuān)有的eUCGTM技術(shù)已被多個(gè)國(guó)家的多個(gè)公司選用來(lái)建設(shè)試 驗(yàn)裝 置（表3）。 該方法基于前蘇聯(lián)地下煤氣化幵采技術(shù)，利用煤層中已存在的 天然通道并對(duì)其進(jìn)行改良，建立連接注入井和生產(chǎn)井之間的通道 來(lái)解決無(wú) 法建立有效貫通通道問(wèn)題。 22國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀 我國(guó)煤炭地下氣化試驗(yàn)研究發(fā)展主要在2 0世紀(jì)8 0年 代以后。目前也由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究逐步轉(zhuǎn)向工業(yè) 示范生產(chǎn) 應(yīng)用，

10、開(kāi)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(wú)井式技術(shù)），它們都與中國(guó)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1 999年幵始試驗(yàn)研究工作，20 00年3月點(diǎn)火成功， 同年7月正式向1萬(wàn)余戶居民供生活用燃?xì)?。?001 -2002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(wàn)m3,煤氣熱值 達(dá)到1L26MJ/U13。2002年 地下煤層氣化申報(bào)了 國(guó)家“ 8 6 3 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(guó)“ 8 6 3 計(jì)劃和試驗(yàn)基

11、地。 2）新奧集團(tuán) 無(wú)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(guó)礦業(yè)大學(xué)和烏茲別克斯坦Angren氣化站共同 幵展“無(wú)井式煤炭地下氣化試驗(yàn)項(xiàng)目研究。同年10月， 我國(guó)首套日產(chǎn)煤氣15萬(wàn)m3/d的無(wú)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(chǎng)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 項(xiàng)專(zhuān)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)地下氣化 爐，創(chuàng)造性地幵發(fā)了氣化通道貫通技術(shù)氣化通道疏通技術(shù)和無(wú)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)?/p>

12、化站已連續(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(wàn)m3/d，富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量15萬(wàn)m3/d，達(dá)到 了工業(yè)化生產(chǎn)要求。 2 3世界主要UCG項(xiàng)目 1）澳大利亞Chinchilla項(xiàng)目。澳大利亞煤炭 資源豐富，包括Line 能源公司、CarbonEnerg y有限公司在內(nèi)的多家企業(yè)在開(kāi)發(fā)UCG項(xiàng)目，其中Lin e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(guó)家中運(yùn)行成功的最 大試驗(yàn)項(xiàng)目，技術(shù)采用加拿大的 eUCGTM技術(shù)。該項(xiàng)目 于1 999年12月2 6日開(kāi)始產(chǎn)氣,2 0 0 3

13、年4月完成試驗(yàn)和有控制的停 運(yùn)。期間共鉆了9 口工藝井，煤層厚1 0m,深約140m，共氣化煤3 5 0 0 0 t，最大產(chǎn)氣量 約80000m3/h,相當(dāng)于70MW電力。最近Ch inchilia的4號(hào)UCG發(fā)生器已投運(yùn)，同時(shí)計(jì)劃建 設(shè)5號(hào)發(fā)生器。Line能源 公司以空氣為氣化劑獲得的合成氣低熱值約為5MJ/Nm3、壓力llOkPa、 溫度3 00C，典型組成（剔除氮?dú)夂笥?jì)算）為H 232%, CO 17%, CH4 18%o H2/CO摩爾比為1 : 81,很適合用于通過(guò) GTL工藝合 成油。 2007年Line公 司收購(gòu)了烏茲別克斯坦的Ang ren地下煤氣化廠（目 前唯一運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)化裝

14、置），并獲其 相尖知識(shí)產(chǎn)權(quán)。Line的ChinchillaUCG裝 置所產(chǎn)氣體主要用作發(fā)電機(jī)組的燃料，其規(guī)模將來(lái)可能擴(kuò)大到4 0 0 MW。正在與美國(guó)合成石油公司合作開(kāi)展煤制油，計(jì) 劃建設(shè)一個(gè)大的煤制 油裝置。 2）安格連斯克（Angren） UCG項(xiàng)目。該項(xiàng)目位 于烏茲別克斯坦，于19 6 1年投產(chǎn)，至今一直在生產(chǎn)。氣化 煤階為褐煤， 煤層厚度42 4m,煤灰分含量25% 2 8%,含水 3 1%3 5%,熱值 3 65 0 kcal/k g,煤層傾角5。15。，深1102 5 0m，井間 距2 5m。系統(tǒng)壓力156kPa （平均）。設(shè)計(jì)規(guī)模1 4億m3/a，最大年產(chǎn)氣量達(dá)141億m3 （1

15、965 年）。產(chǎn)品氣熱值為80085 0kcal/m3o 前已 被澳大利亞Line能源公司收購(gòu)，日產(chǎn)合成氣100 萬(wàn)m3。 3）南非 MajubaUCG項(xiàng)目。該項(xiàng)目由Esko m Holdings 公司實(shí)施，采用ErgoExergy 公司的eUCGTM技術(shù)。于2007年1月投產(chǎn)，初始30 0 0m3/h,最終將提高 到25萬(wàn)m3/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(kāi)創(chuàng)性都超出預(yù)期的設(shè)想。所產(chǎn)高質(zhì)量合成氣用于發(fā)電。 3煤炭地下氣化（UCG）產(chǎn)業(yè)綜合分析 3.1與傳統(tǒng)煤炭利用相比的優(yōu)點(diǎn) 與其他煤清潔利用技術(shù)相比（表4與表5），煤炭地下氣化

16、 （UCG）技術(shù)主要具有以下優(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，這 是其他潔凈煤技術(shù)無(wú)法比擬的。 與傳統(tǒng)采煤加地面燃燒相比，UCG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 出來(lái)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(wèn)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(kāi)采埋藏太深的 煤、邊角煤、“三

17、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(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，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)由于實(shí)現(xiàn)了井下無(wú)人、無(wú)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(chǎng)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(jiǎn)單，用人少，效率高，成 本低，利潤(rùn)高，比井工開(kāi)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。由此沒(méi)有運(yùn)輸過(guò)程中的燃料損失和煤塵 等污染物排放，并減

18、少相應(yīng)的費(fèi)用。 3 . 2 存在的不足 綜上所述，盡管地下煤氣化相對(duì)于地面煤氣化具有基本建設(shè)投 資省、 建站周期短、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、煤的回收率高、生 產(chǎn)成本低、沒(méi)有 三廢外排問(wèn)題等很多優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)上仍存在多種局限，距離廣泛工業(yè)化推 廣任重道遠(yuǎn)。 1）煤炭地下氣化過(guò)程的控制不能達(dá)到像地面煤氣化的程度，很多的 過(guò)程變量J諸如水注入速度、氣化區(qū)中反應(yīng)物分布、孔穴 增長(zhǎng)速度5只能 通過(guò)測(cè)量溫度和產(chǎn)品氣的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行估計(jì)。 2）不排除會(huì)對(duì)地下及地表環(huán)境造成重大影響，比如地下蓄水 層污染和地表塌陷，同時(shí)地下煤層燃燒可能存在造成地表植物干枯的風(fēng) 險(xiǎn)。一旦火焰從地縫竄出，將會(huì)對(duì)人類(lèi)在該區(qū)域的地表活動(dòng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的 影響、甚至埋下安全隱患。 3）經(jīng)濟(jì)性有較大的不確定性，目前運(yùn)行效益較好的煤炭地下 氣化項(xiàng) 目均有適當(dāng)數(shù)量的配套電廠或化工廠，產(chǎn)品氣直接用于煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 或化工合成聯(lián)產(chǎn)。 4）對(duì)很多煤資源來(lái)說(shuō)地下煤氣化可能技術(shù)上是可行的，但是 適合地下煤氣化的煤層地質(zhì)條件比較苛刻，因?yàn)橐恍┟簩拥牡刭|(zhì) 和水文特征會(huì)大大增加環(huán)境及工程風(fēng)險(xiǎn)性。 4結(jié)語(yǔ) 我國(guó)是一個(gè) “富煤、少氣、缺油”的國(guó)家，在很長(zhǎng)一段時(shí)間 內(nèi)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍將以煤為主，低碳