地下煤炭氣化技術(shù)(共38頁(yè))

1、煤炭地下(dxi)氣化技術(shù)目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc234776607 引 言 PAGEREF _Toc234776607 h 3 HYPERLINK l _Toc234776608 1 煤炭地下(dxi)氣化基本原理 PAGEREF _Toc234776608 h 4 HYPERLINK l _Toc234776609 1.1 氧化(ynghu)區(qū) PAGEREF _Toc234776609 h 4 HYPERLINK l _Toc234776610 1.2 還原(hun yun)區(qū) PAGEREF _Toc234776610 h 5 HYPER

2、LINK l _Toc234776611 1.3 干餾干燥區(qū) PAGEREF _Toc234776611 h 5 HYPERLINK l _Toc234776612 1.4 地下氣化爐的類(lèi)型 PAGEREF _Toc234776612 h 6 HYPERLINK l _Toc234776613 1.4.1 有井式 PAGEREF _Toc234776613 h 6 HYPERLINK l _Toc234776614 1.4.2 無(wú)井式 PAGEREF _Toc234776614 h 7 HYPERLINK l _Toc234776615 1.4.3 混合式 PAGEREF _Toc234776

3、615 h 7 HYPERLINK l _Toc234776616 1.5地下氣化和煤層氣開(kāi)采的區(qū)別 PAGEREF _Toc234776616 h 7 HYPERLINK l _Toc234776617 2 煤炭地下氣化影響因素 PAGEREF _Toc234776617 h 7 HYPERLINK l _Toc234776618 2.1 氣化爐溫度場(chǎng) PAGEREF _Toc234776618 h 8 HYPERLINK l _Toc234776619 2.2 鼓風(fēng)速率 PAGEREF _Toc234776619 h 8 HYPERLINK l _Toc234776620 2.3 水涌入速

4、率 PAGEREF _Toc234776620 h 9 HYPERLINK l _Toc234776621 2.4 氣體通道的長(zhǎng)度和斷面 PAGEREF _Toc234776621 h 9 HYPERLINK l _Toc234776622 2.5 操作壓力 PAGEREF _Toc234776622 h 11 HYPERLINK l _Toc234776623 2.6 煤層厚度 PAGEREF _Toc234776623 h 11 HYPERLINK l _Toc234776624 2.7 空氣動(dòng)力學(xué)條件和氣化爐結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc234776624 h 11 HYPERLINK

5、l _Toc234776625 2.8 煤質(zhì)對(duì)氣化的影響 PAGEREF _Toc234776625 h 12 HYPERLINK l _Toc234776626 3 國(guó)外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展 PAGEREF _Toc234776626 h 12 HYPERLINK l _Toc234776627 3.1 國(guó)外技術(shù)發(fā)展 PAGEREF _Toc234776627 h 13 HYPERLINK l _Toc234776628 3.1.1 早期的有井(筒)式氣化工藝 PAGEREF _Toc234776628 h 13 HYPERLINK l _Toc234776629 3.1.2 UCG描述

6、PAGEREF _Toc234776629 h 13 HYPERLINK l _Toc234776630 3.1.3 貫通技術(shù) PAGEREF _Toc234776630 h 14 HYPERLINK l _Toc234776631 3.1.4 煤層勘測(cè)和模型研究 PAGEREF _Toc234776631 h 15 HYPERLINK l _Toc234776632 3.1.5 氣化(q hu)過(guò)程控制 PAGEREF _Toc234776632 h 15 HYPERLINK l _Toc234776633 3.1.6 環(huán)境影響評(píng)價(jià)及防治(fngzh)技術(shù) PAGEREF _Toc23477

7、6633 h 15 HYPERLINK l _Toc234776634 3.2 美國(guó)(mi u)的CRIP氣化工藝 PAGEREF _Toc234776634 h 15 HYPERLINK l _Toc234776635 3.3 國(guó)外重要UCG項(xiàng)目 PAGEREF _Toc234776635 h 16 HYPERLINK l _Toc234776636 3.3.1 俄羅斯南阿賓斯克氣化站 PAGEREF _Toc234776636 h 16 HYPERLINK l _Toc234776637 3.3.2 美國(guó)漢那地下氣化試驗(yàn) PAGEREF _Toc234776637 h 16 HYPERLI

8、NK l _Toc234776638 3.3.3 美國(guó)羅林斯地下氣化試驗(yàn) PAGEREF _Toc234776638 h 17 HYPERLINK l _Toc234776639 3.3.4 美國(guó)森特雷利亞地下氣化試驗(yàn) PAGEREF _Toc234776639 h 17 HYPERLINK l _Toc234776640 3.3.5 比利時(shí)圖林煤炭地下氣化試驗(yàn) PAGEREF _Toc234776640 h 17 HYPERLINK l _Toc234776641 3.3.6 西班牙特魯埃爾煤炭地下氣化試驗(yàn) PAGEREF _Toc234776641 h 18 HYPERLINK l _To

9、c234776642 3.4 結(jié)論 PAGEREF _Toc234776642 h 18 HYPERLINK l _Toc234776643 4 國(guó)內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展 PAGEREF _Toc234776643 h 20 HYPERLINK l _Toc234776644 5 煤氣綜合利用前景 PAGEREF _Toc234776644 h 21 HYPERLINK l _Toc234776645 5.1化工合成聯(lián)產(chǎn) PAGEREF _Toc234776645 h 22 HYPERLINK l _Toc234776646 5.1.1 合成氨 PAGEREF _Toc234776646 h

10、 22 HYPERLINK l _Toc234776647 5.1.2 合成二甲醚 PAGEREF _Toc234776647 h 22 HYPERLINK l _Toc234776648 5.1.3 合成油 PAGEREF _Toc234776648 h 23 HYPERLINK l _Toc234776649 5.2 提取純氫 PAGEREF _Toc234776649 h 23 HYPERLINK l _Toc234776650 5.3 地下氣化煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電 PAGEREF _Toc234776650 h 24 HYPERLINK l _Toc234776651 5.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

11、 PAGEREF _Toc234776651 h 25 HYPERLINK l _Toc234776652 5.5幾個(gè)工程實(shí)例的效益分析 PAGEREF _Toc234776652 h 26 HYPERLINK l _Toc234776653 6 國(guó)家對(duì)發(fā)展煤炭地下氣化技術(shù)的政策 PAGEREF _Toc234776653 h 27 HYPERLINK l _Toc234776654 7 幾個(gè)比較關(guān)心的問(wèn)題 PAGEREF _Toc234776654 h 30 HYPERLINK l _Toc234776655 8 本公司技術(shù)人員對(duì)該項(xiàng)目的研究與發(fā)明專(zhuān)利 PAGEREF _Toc2347766

12、55 h 34引 言中國(guó)一次能源(y c nn yun)消費(fèi)總量中煤炭占65以上(yshng)（美國(guó)23），是世界上最大的煤炭(mitn)生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。中國(guó)已經(jīng)探明煤炭可采儲(chǔ)量約1900億噸，但總儲(chǔ)量估計(jì)可能高達(dá)四萬(wàn)億噸，如果加緊查清資源家底，運(yùn)用先進(jìn)科技合理化開(kāi)發(fā)，可望維持供應(yīng)一百甚至數(shù)百年之久。中國(guó)要初步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，至少需要人均一個(gè)千瓦的電力，以15億人口計(jì)，將有15億千瓦的需求，為現(xiàn)有發(fā)電能力的三倍以上。根據(jù)“十六大”提出的到2020年GDP翻兩番，達(dá)到四萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)估計(jì)，屆時(shí)全國(guó)約需發(fā)電裝機(jī)容量為89億千瓦左右。但來(lái)自政府部門(mén)的信息顯示，到2020年，預(yù)計(jì)水電總?cè)萘靠蛇_(dá)1億

13、千瓦，核電總?cè)萘窟_(dá)3600萬(wàn)千瓦。風(fēng)能和生物能都只有約2千萬(wàn)千瓦，太陽(yáng)能僅1百萬(wàn)千瓦，加上其他各種可能資源提供的電力，不到總發(fā)電能力的20。據(jù)此，今後整個(gè)“能源峽谷”時(shí)期中國(guó)電力供應(yīng)必然主要依靠火力發(fā)電，由于石油、天然氣資源即將見(jiàn)底，除了主要指望煤炭，別無(wú)選擇。近年中國(guó)煤炭產(chǎn)量上去了，但技術(shù)裝備和管理水平相當(dāng)落后，全國(guó)采煤機(jī)械化程度僅為45；為數(shù)相當(dāng)多的小煤礦，技術(shù)手段和開(kāi)采方式尤其落后，難以保障安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。中國(guó)煤礦事故頻繁，礦工死亡率是美國(guó)的百倍，已成不可承受之痛。據(jù)查全國(guó)有安全保障的煤炭生產(chǎn)能力僅為12億噸，去年約有7.5億噸是在不具備安全生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來(lái)的，其中相當(dāng)一部分是非法違規(guī)生

14、產(chǎn)的煤炭。在這種情況下，中國(guó)現(xiàn)在年產(chǎn)近20億噸，實(shí)際上已經(jīng)大大超過(guò)了安全生產(chǎn)容許的極限。中國(guó)煤礦資源極為浪費(fèi)嚴(yán)重，目前資源回收率僅在30%左右，小煤礦回收率只有15%左右，可以比擬為“猴子吃蘋(píng)果”咬一口就扔。估計(jì)1980年到2000年，全國(guó)煤炭資源浪費(fèi)280億噸，扔掉的煤炭幾乎是被利用資源的兩倍。長(zhǎng)此以往，到2020年，全國(guó)將有560億噸煤炭資源被浪費(fèi)，實(shí)際上相當(dāng)于每年耗用50億噸煤炭。在這種極端粗放型暴殄天物的同時(shí)，精查儲(chǔ)量卻一直上不去，不消四十余年，已知可采儲(chǔ)量就會(huì)消耗殆盡。煤炭行業(yè)現(xiàn)狀，顯示現(xiàn)行能源(nngyun)戰(zhàn)略部署同客觀(guān)需求大有南轅北轍之勢(shì)，前景極其堪憂(yōu)。同時(shí)，傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采涉及(

15、shj)一系列環(huán)境問(wèn)題及健康問(wèn)題，如：地面沉陷，礦工的健康和安全，脫硫、灰塵的污染，廢物（水）的排放等。煤炭加冕第一，不是簡(jiǎn)單重復(fù)早年粗放、骯臟、低效的利用方式，必須極大地提高能量轉(zhuǎn)化(zhunhu)效率，減少環(huán)境污染，并轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苑奖氵\(yùn)用的其他能源形態(tài)，作為充分合理利用寶貴的煤炭資源，維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要基本政策。煤炭地下氣化集建井、采煤、地面氣化三大工藝為一體，變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤，省去了龐大的煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、洗選、氣化等工藝的設(shè)備，具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，深受世界各國(guó)的重視，被譽(yù)為第二代采煤方法。與傳統(tǒng)采煤和地面氣化相比，煤炭的地下氣化技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：（1）

16、可以回收傳統(tǒng)方法開(kāi)采不經(jīng)濟(jì)和無(wú)法開(kāi)采的煤炭資源；（2）由于煤炭無(wú)須人工開(kāi)采，地下氣化最大限度的減少了礦工的健康和安全問(wèn)題；（3）減少了地面沉陷，以及固體廢物排放很少；（4）減少了對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響；（5）投資省，煤氣成本低。江澤民總書(shū)記曾題詞：“煤炭地下氣化試驗(yàn)，從煤炭資源的充分利用以及經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講值得進(jìn)一步研究”。著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森曾說(shuō)：“煤炭地下氣化的試驗(yàn)成功，無(wú)疑是煤炭工業(yè)的巨大革命”。隨著煤炭地下氣化技術(shù)的推廣應(yīng)用，一個(gè)以煤炭地下氣化為“龍頭”的大型煤、電、化工聯(lián)合企業(yè)將展現(xiàn)在世人面前。對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。鑒于煤炭地下氣化技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)，前蘇聯(lián)、英國(guó)、美國(guó)、德

17、國(guó)、法國(guó)等世界許多國(guó)家相繼投入了大量的人力和物力進(jìn)行研究和使用，取得了豐碩的成果。我國(guó)也由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，逐步向工業(yè)化生產(chǎn)邁進(jìn)。1 煤炭(mitn)地下氣化基本原理煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)(tnggu)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過(guò)程。該過(guò)程主要是在地下氣化爐的氣化通道中實(shí)現(xiàn)的，如圖1.1所示。1.1 氧化(ynghu)區(qū)由進(jìn)氣孔鼓入氣化劑(空氣、O2和H2O(g) ，并在進(jìn)氣側(cè)點(diǎn)燃煤層，氣化劑中的O2遇煤燃燒產(chǎn)生CO2，并釋放大量的反應(yīng)熱，燃燒區(qū)稱(chēng)為氧化區(qū)，當(dāng)氣流中O2濃度接近于零時(shí)，燃燒反應(yīng)結(jié)束、氧化區(qū)結(jié)束。主要反應(yīng)列式如下:氧化反應(yīng)(

18、燃燒反應(yīng))：C+O2 = CO2 +393.8 MJ/kmol碳的部分氧化反應(yīng)(不完全燃燒反應(yīng)) ： 2C+ O2 = 2CO + 221.1 MJ/kmolCO氧化反應(yīng)(CO燃燒反應(yīng))： 2CO+ O2 = 2CO2 + 570.1 MJ/kmol1.2 還原區(qū)氧化區(qū)結(jié)束后，則進(jìn)入還原區(qū)，氧化區(qū)使還原區(qū)煤層處于熾熱狀態(tài)，在還原區(qū)CO2與熾熱的C還原成CO，H2O(g)與熾熱的C還原成CO、H2等，由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，使煤層和氣流溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降低到使還原反應(yīng)程度較弱時(shí)，還原區(qū)結(jié)束。主要反應(yīng)列式如下:CO2還原反應(yīng)(發(fā)生爐煤氣反應(yīng)) ： CO2+C = 2CO 162.4 MJ/km

19、ol水蒸汽分解反應(yīng)(水煤氣反應(yīng))： H2O+C = H2+CO 131.5 MJ/kmol水蒸汽分解反應(yīng) ：2H2O+C = 2H2+CO2 90.0 MJ/kmolCO變換反應(yīng)：CO+ H2O = H2+CO2 + 41.0 MJ/kmol碳的加氫反應(yīng)(fnyng) ：C+2 H2 = CH4 + 74.9 MJ/kmol1.3 干餾(gnli)干燥區(qū)還原區(qū)結(jié)束后，氣流溫度仍然(rngrn)很高，對(duì)下流即干餾干燥區(qū)煤層進(jìn)行加熱，釋放出熱解煤氣，同時(shí)產(chǎn)生甲烷化反應(yīng)。主要反應(yīng)列式如下:煤熱解反應(yīng) ：煤 CH4 + H2 + H2O +CO+CO2+甲烷化反應(yīng) ：CO+3H2 = CH4 + H2

20、O + 206.4 MJ/kmol2CO+2H2 = CH4 + CO2 + 247.4 MJ/kmolCO2+4H2 = CH4 +2 H2O + 165.4 MJ/kmol圖1.1 煤炭地下氣化原理示意圖從化學(xué)反應(yīng)角度來(lái)講，三個(gè)區(qū)域(qy)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)，三個(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)這三個(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(q hu)反應(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。由此可見(jiàn)可燃?xì)怏w的產(chǎn)生主要來(lái)源于三個(gè)方面：即煤的燃燒熱解、CO2的還原和水蒸汽的分解，這三個(gè)方面

21、作用的程度，正比于反應(yīng)區(qū)溫度(wnd)和反應(yīng)比表面積，同時(shí)也決定了出口煤氣組分和熱值。1.4 地下氣化爐的類(lèi)型1.4.1 有井式有井式氣化建爐先從地面開(kāi)鑿井筒，然后在地下開(kāi)拓平巷，用井筒和平巷把地下煤氣發(fā)生爐和地面聯(lián)接起來(lái)，在平巷里將煤層點(diǎn)燃，從一個(gè)井筒鼓風(fēng)，通過(guò)平巷，由另一個(gè)井筒排出煤氣。圖1.2 有井式煤炭地下氣化示意圖1.4.2 無(wú)井式利用鉆孔揭露煤層，并利用特種技術(shù)在煤層中建立氣化通道而構(gòu)成的地下煤氣發(fā)生爐叫無(wú)井式地下氣化爐。無(wú)井式氣化爐從進(jìn)排氣點(diǎn)和氣化通道相對(duì)位置來(lái)分可把它們分為幾種基本爐型，即V型爐、盲孔爐、U型爐等。圖1.3 無(wú)井式地下氣化爐示意圖 圖1.4 混合式地下氣化爐示意

22、圖1.4.3 混合式由地面打鉆孔揭露煤層或利用(lyng)井筒輔設(shè)管道揭露煤層，人工掘進(jìn)的煤巷作為氣化通道，利用氣流通道(人工掘進(jìn)的煤巷)連接氣化通道和鉆孔或管道，所構(gòu)成的氣化爐為混合式氣化爐。1.5地下(dxi)氣化和煤層氣開(kāi)采的區(qū)別煤層氣的開(kāi)采(kici)是通過(guò)“井下抽采”與“地面鉆采”的方式，把煤中吸附的瓦斯抽出，受煤層中瓦斯氣存量的影響，風(fēng)險(xiǎn)很大；往往是鉆孔達(dá)到煤層后氣量很少，抽采時(shí)間不長(zhǎng)就沒(méi)氣了，造成鉆孔等費(fèi)用的巨大損失；而煤炭地下氣化是通過(guò)熱作用，把煤炭轉(zhuǎn)化成煤氣采出，只要地下有煤炭資源，就能產(chǎn)出煤氣，煤炭資源越多，煤氣采出越多，生產(chǎn)周期越長(zhǎng)；煤炭地下氣化也包括“井下巷道開(kāi)采”和“

23、地面鉆采”兩種生產(chǎn)方式，與煤層氣的“井下抽采”相比，地下氣化的“井下巷道開(kāi)采”工程簡(jiǎn)單，投資少。在“地面鉆采”方面，地下氣化的鉆孔直徑較大，一般都在500mm以上，從而保證了煤氣的大量生產(chǎn)。另外，通過(guò)煤炭地下氣化技術(shù)，不僅把煤炭轉(zhuǎn)變成了煤氣，同時(shí)，煤層中原有的瓦斯氣也同時(shí)被采出，成為煤氣中重要組分。2 煤炭地下氣化影響因素煤的地下氣化系非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，影響煤氣質(zhì)量的因素很多，既有地下氣化所采用的工藝措施，又有煤層自身的特性及煤層頂?shù)匕宓囊苿?dòng)狀態(tài)。一般來(lái)講，影響煤炭地下氣化過(guò)程的主要因素包括以下幾個(gè)方面：2.1 氣化爐溫度場(chǎng)煤炭地下氣化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)自熱平衡過(guò)程，依靠煤燃燒產(chǎn)生的熱量

24、使地下氣化爐內(nèi)建立起理想的溫度場(chǎng)，進(jìn)而發(fā)生還原反應(yīng)和分解反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣。因此，在地下氣化過(guò)程中起關(guān)鍵作用的是爐內(nèi)的溫度場(chǎng)，尤其是對(duì)于生產(chǎn)高熱值水煤氣的兩階段地下氣化更是如此。兩階段氣化是一種循環(huán)供給空氣和水蒸氣的地下氣化方法，每個(gè)循環(huán)由兩個(gè)階段組成，第一個(gè)階段為鼓空氣燃燒蓄熱生產(chǎn)空氣煤氣，第二個(gè)階段為鼓水蒸氣生產(chǎn)地下水煤氣，只有第一階段積蓄足夠量的熱能以后才能使第二階段水蒸氣的分界反應(yīng)得以順利進(jìn)行，從而產(chǎn)生高熱值地下水煤氣，同時(shí)，煤層熱分解的程度以及熱解煤氣的產(chǎn)量，完全取決于煤層內(nèi)的溫度分布。2.2 鼓風(fēng)( fn)速率氣化過(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，又決定于固體碳和二氧化碳的化

25、學(xué)反應(yīng)速度，決定于二氧化碳向固體碳表面的擴(kuò)散速度。前者與氣化帶的溫度有關(guān)，后者則與送風(fēng)流的速度(鼓風(fēng)量)有關(guān)。氣流運(yùn)動(dòng)速度越大，擴(kuò)散速度也越大。煤的氣化強(qiáng)度增加；另外，鼓入風(fēng)速的增加，初級(jí)產(chǎn)物一氧化碳的燃燒可以部分避免，而從氧化區(qū)帶走，從圖可以看出(kn ch)，提高鼓風(fēng)速度可以相應(yīng)地提高煤氣熱值。煤層中水的涌入速率很難控制(kngzh)，但可通過(guò)改變鼓風(fēng)速率來(lái)抑制水涌入所造成的影響，在相同水涌入速率的情況下，鼓風(fēng)速率越高，氣化區(qū)溫度越高，煤氣中水含量越少。無(wú)論在什么條件下，鼓風(fēng)速率的增加都是有限的，過(guò)高時(shí)系統(tǒng)壓力增大，煤氣熱值隨著鼓風(fēng)速率的增加而提高，但超過(guò)一定數(shù)值，煤氣熱值反而降低，而二氧

26、化碳含量卻增加，這說(shuō)明部分氣化產(chǎn)物被燃燒了，所以應(yīng)選擇適宜的流速和壓力，以避免煤氣的泄漏和一氧化碳被氧化。一般認(rèn)為變空氣鼓風(fēng)為富氧鼓風(fēng)可以大大提高煤氣的熱值，令人意外的是CO/CO2比率并不隨著鼓風(fēng)中氧含量的增加而有明顯的變化。雖然燃燒區(qū)的溫度由于鼓風(fēng)中氧含量的增加而升高，但因?yàn)檠醯呐月坊蚋郊拥乃魵廪D(zhuǎn)換CO為CO2的反應(yīng)并不完全。2.3 水涌入速率氣體煤層中水的來(lái)源有：1.煤本身的含水量2.在熱分解中產(chǎn)生的水分3.圍巖的含水量4.地下水的滲入5.人為注入的水煤氣含水量反映出地下水從煤層周?chē)咳霘饣瘏^(qū)域的速率，水涌入速率是由圍巖的滲透率和整段地帶的靜水壓力所決定的。通常條件下，靜水壓力隨時(shí)間變

27、化緩慢，基本上是穩(wěn)定的。判明水涌入的實(shí)際軸向分布范圍一般比較困難，而其分布情況對(duì)煤氣組成有很大影響。氣化(q hu)爐中存在少量的水，對(duì)氣化過(guò)程的進(jìn)行是有利的，在高溫下水被分解，使煤氣中富含CO和H2，同時(shí)又能適當(dāng)降低煤的燃燒溫度，從而降低了煤灰的熔融溫度，保證了良好的析氣條件。如果水涌入量比較大，即超過(guò)一定(ydng)的限度，高溫氣流的冷卻作用及CO/CO2平衡轉(zhuǎn)換占優(yōu)勢(shì)，可燃組分相對(duì)減少，從而使煤氣熱值降低，此外，水涌入量增加，容易使孔道內(nèi)形成水層，堵塞狹窄的氣流通道。在煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，我們一般從兩個(gè)方面來(lái)抑制水涌入的影響：一是適當(dāng)提高(t go)鼓風(fēng)壓力，而是在操作系統(tǒng)中始終

28、保持氣化通道足夠高的溫度，以蒸發(fā)所涌入的水，使所有涌入的水均以煤氣中的水蒸氣或水與煤之間反應(yīng)物等形式出現(xiàn)。地下水的存在，直接影響煤層的含水(充水)程度，其對(duì)地下煤層貫通和氣化影響在于：在貫通時(shí)貫通通道的空間小，內(nèi)部表面不大，只有比較少的地下水進(jìn)入貫通的通道，影響不大；但在氣化通道貫通以后，煤層開(kāi)始?xì)饣瑲饣目臻g迅速增大，因而進(jìn)入地下煤氣爐系統(tǒng)地水量也增大，將嚴(yán)重影響著氣化過(guò)程的進(jìn)行。當(dāng)煤層中的水分含量超過(guò)一定限度時(shí)，還原帶的溫度及氣化過(guò)程遭到強(qiáng)烈的破壞，同時(shí)在反應(yīng)區(qū)中燃料的燃燒熱分配不當(dāng)，化學(xué)熱降低而物理熱升高，造成很大的熱損。在進(jìn)行地下氣化的準(zhǔn)備工作時(shí)，地下水，特別是流砂層常會(huì)給打鉆工作帶

29、來(lái)困難，并且常因地下水改變鉆孔內(nèi)煤層的物理化學(xué)性質(zhì)而妨礙貫通工作的進(jìn)行。據(jù)地質(zhì)鉆探方面資料可知：在一般含水量的情況下，對(duì)鉆孔工作沒(méi)什么困難，而影響鉆孔工作的主要是流砂層，特別是含水的礫巖層，在這種巖石中鉆進(jìn)，不但時(shí)常發(fā)生漏水現(xiàn)象，而且往往因鉆孔壁陷落妨礙鉆進(jìn)。2.4 氣體通道的長(zhǎng)度和斷面可燃?xì)怏w的產(chǎn)生在氣化通道中經(jīng)歷了三個(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，使煤氣中的H2，CO，CH4等成分增加，煤層熱值提高。若氣化通道過(guò)短，只有氧化區(qū)和還原區(qū)得到發(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

30、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。對(duì)于國(guó)內(nèi)外氣化通道長(zhǎng)度短、斷面小的試驗(yàn)，其產(chǎn)量小，地下煤氣中可燃組分含量少，熱值低。比利時(shí)由于加大了氣化通道的長(zhǎng)度和斷面，其煤氣質(zhì)量明顯得到改善。我國(guó)一改20世紀(jì)50年代的建爐模式，采用有井推進(jìn)式大型(dxng)爐結(jié)構(gòu)，通道長(zhǎng)，斷面大，使產(chǎn)品煤氣中可燃組分大幅度增高，煤氣熱值提高。分析其原因，主要包括以下幾方面：大型爐煤體燃燒后，形成大而穩(wěn)定的高溫場(chǎng)，氧化帶和還原帶的范圍擴(kuò)大，可燃組分增多，從而使煤氣(miq)熱值提高；由于通道長(zhǎng)、斷面(dun min)大，所以干餾煤氣產(chǎn)量大， CH4含量高；因由較長(zhǎng)的干餾干燥帶，煤氣顯熱大多用于

31、加熱煤層，故熱效率高；大型爐為兩階段地下氣化創(chuàng)造了良好的條件。但是氣化通道亦不可過(guò)長(zhǎng)，蘇聯(lián)的操作表明，過(guò)長(zhǎng)的氣化通道則因煤氣被冷卻，CO/CO2之比率降低，而甲烷在過(guò)低溫度下生成速率很小，易發(fā)生如下反應(yīng)：2CO+H2OCO2+H2+41.03KJ/gmoL 2COCO2+ C+172.5 KJ/gmoL 所以，對(duì)于某一特定的氣化煤層來(lái)說(shuō)，氣化通道應(yīng)滿(mǎn)足各反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度的要求。2.5 操作(cozu)壓力在傾斜、緩傾斜或近水平煤層中進(jìn)行地下氣化時(shí)，氣化劑僅限于在貫通通道內(nèi)流動(dòng)，而不能提供有效燃燒氣化所需要的大反應(yīng)表面。實(shí)踐證明，通過(guò)改變操作(cozu)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，可以得到較大程度的補(bǔ)償，即通過(guò)周

32、期性變化的操作壓力可以提高煤氣的質(zhì)量。模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均表明，在壓力周期變化條件下，流體主要以對(duì)流方式傳遞給煤層熱量，這樣，一方面對(duì)氣化反應(yīng)帶前某一距離內(nèi)的煤層起到預(yù)熱作用，有利于煤層的燃燒(rnsho)與氣化；另一方面增加了熱解的產(chǎn)物，且避免了熱解氣體的燃燒。Mohtadi(1981)使用無(wú)煙煤分別在恒壓和周期變化的壓力下進(jìn)行了試驗(yàn)，其結(jié)果如表2-2所示。從下表可以看出，周期變化壓力條件下，熱損失減少約60%，熱效率和氣化效率分別為恒壓時(shí)的1.4倍和2倍，產(chǎn)品煤氣的熱值約提高1倍。由此證明了在壓力變化的條件下，氣化過(guò)程得到了較大程度的改善。2.6 煤層厚度在地下氣化過(guò)程中，燃燒區(qū)和煤氣不僅

33、因水的涌入而被冷卻，而且其中一部分熱量散失到煤層和圍巖(底板、頂板等)中去。當(dāng)煤層厚度小于2m時(shí)，圍巖的冷卻作用劇烈變化對(duì)煤氣熱值影響甚大。對(duì)于較薄煤層，增加鼓風(fēng)速率或富氧鼓風(fēng)可以提高煤氣熱值，蘇聯(lián)Lischansk地下氣化站在小于2m的煤層中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，即采用富氧鼓風(fēng)。后煤層進(jìn)行地下氣化不一定經(jīng)濟(jì)，一般以1.33.5m厚的煤層進(jìn)行地下氣化比較經(jīng)濟(jì)合理，煤層的傾斜度對(duì)其氣化難易也有影響，一般說(shuō)來(lái)急傾斜煤層易于氣化，但開(kāi)拓條件鉆孔工作較困難。試驗(yàn)證明，煤層傾角為35時(shí)，便于進(jìn)行煤的地下氣化。2.7 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，均勻地向

34、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。在氣化過(guò)程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨著煤層和頂板的冒落而不斷發(fā)生變化。因此，氣化工作面的大小、形狀、位置和空氣動(dòng)力學(xué)條件也在不斷地發(fā)生變化，從而影響氣化過(guò)程的穩(wěn)定。順利送風(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。2.8 煤質(zhì)對(duì)氣化(q hu)的影響氣化反應(yīng)過(guò)程與煤的性質(zhì)和組成有著密切的關(guān)系，又與煤層情況和地質(zhì)條件有關(guān)，如無(wú)煙煤由于透氣性差，氣化活性差，脆性(cuxng)很高，在外力作用下最容易分解，因此一般不適于地下氣化；而褐煤最適于地下氣化方法，由于褐煤的機(jī)械強(qiáng)度差

35、，易風(fēng)化，難于保存，且水分大，熱值低等特點(diǎn)，不宜于礦井開(kāi)采，而其透氣性高，熱穩(wěn)定差，沒(méi)有粘結(jié)性，較易開(kāi)拓氣化通道，故有利于地下氣化。影響氣化過(guò)程穩(wěn)定性的因素還有許多，如圍巖受熱變形、塌裂、擴(kuò)展的影響，煤質(zhì)煤層賦存條件的影響等。這些因素對(duì)氣化盤(pán)區(qū)的選擇和氣化爐的建立過(guò)程影響較大，對(duì)于氣化過(guò)程控制煤氣成分和熱值的影響不大。煤層頂?shù)装鍘r石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)地下氣化有重要影響，要求臨近巖層(yncng)完全覆蓋氣化煤層。當(dāng)氣化過(guò)程進(jìn)行到一定程度時(shí)頂板往往在熱力、重力和壓力的作用下破碎而垮落，造成煤氣大量泄漏，影響到氣化過(guò)程的有效性和經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，氣化爐溫度場(chǎng)、鼓風(fēng)速率、氣化通道長(zhǎng)度、煤層涌水量是影響氣

36、化過(guò)程穩(wěn)定性的主要因素。因此，將通過(guò)模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究這些因素的變化規(guī)律以及對(duì)氣化過(guò)程穩(wěn)定性的影響程度，從而認(rèn)識(shí)地下氣化過(guò)程的一般規(guī)律，并研究合理的氣化爐結(jié)構(gòu)和工藝措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣化過(guò)程的控制，已達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。3 國(guó)外煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展1868年，德國(guó)科學(xué)家威廉西蒙斯首先提出了煤炭地下氣化(UCG)的概念。1888年，俄羅斯 化學(xué)家門(mén)捷列夫提出了地下氣化的基本工藝。1907年，通過(guò)鉆孔向點(diǎn)燃的煤層注入空氣和蒸 汽的UCG技術(shù)在英國(guó)取得專(zhuān)利權(quán)。1933年，前蘇聯(lián)開(kāi)始進(jìn)行UCG現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。19401961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

37、安格連 斯克氣化站。這2個(gè)氣化站都采用無(wú)井(筒)氣化工藝。前蘇聯(lián)的試驗(yàn)性氣化站，生產(chǎn)的煤氣 熱值低，產(chǎn)量不穩(wěn)定，成本高。1977年,安格連斯克等氣化站被關(guān)閉。南阿賓斯克氣化站氣 化煙煤，到1991年累計(jì)產(chǎn)氣90億m3，煤氣平均熱值3.82MJ/m3(1600kcal/m3)。安格連 斯克氣化站氣化褐煤，1987年恢復(fù)運(yùn)行，生產(chǎn)低熱值燃料氣供發(fā)電。 20世紀(jì)(shj)50年代，美、英、日、波、捷等國(guó)也都進(jìn)行UCG試驗(yàn)，但成效不大。到50年代末都停止了試驗(yàn)。7080年代，除前蘇聯(lián)外,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)都進(jìn)行試驗(yàn)。 美國(guó)(mi u)UCG研究試驗(yàn)投入大量資金。勞倫斯

38、利弗莫爾、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)等研究機(jī)構(gòu)，應(yīng)用高 技術(shù)進(jìn)行UCG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29次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，累計(jì) 氣化煤 炭近4萬(wàn)t，煤氣最高熱值達(dá)14MJ/m3。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)成功的受控注入 點(diǎn) 后退(CRIP)氣化新工藝，是UCG技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，使美國(guó)UCG技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。美國(guó) UCG試驗(yàn)，證實(shí)(zhngsh)了UCG的技術(shù)可行性，但產(chǎn)氣成本遠(yuǎn)高于天然氣，據(jù)美國(guó)能源部1986年評(píng)估報(bào) 告，地下氣化成本為4.8美元/MBtu，而天然氣井口價(jià)僅1.7美元/MBtu(1989年，1MBtu=28m 3天然氣)，漢那商業(yè)性地下氣化站設(shè)計(jì)預(yù)估成本高達(dá)10.4

39、美元/MBtu。 西歐國(guó)家(英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、西班牙)深度1000m以下和北海海底煤炭?jī)?chǔ)量 很大。石油危機(jī)后，這些國(guó)家試圖采用UCG技術(shù)從不能用常規(guī)方法開(kāi)采的深部煤層取得國(guó)產(chǎn) 能源。1976年，比利時(shí)和原西德簽署了共同進(jìn)行深部煤層地下氣化試驗(yàn)的協(xié)議，1979年在比利時(shí)成立了地下氣化研究所，進(jìn)行UCG實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。19781987年，在比利時(shí)的圖林進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。氣化煤層厚2m，傾角15，深860m。第一階段采用反向燃燒法，試驗(yàn)失敗。后來(lái)采用小半徑定向鉆孔和CRIP工藝，試驗(yàn)基本成功。1988年，6個(gè)歐盟成員國(guó)組成歐洲煤炭地下氣化工作組，進(jìn)行驗(yàn)證深部煤層地下氣化可行性的商業(yè)規(guī)

40、模示范。1991年10月到1998年12月，在西班牙特魯埃爾進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。氣化煤層厚2m，深500700m，采用定向鉆孔和CRIP工藝。 羅馬尼亞正在日烏河谷(hg)煙煤煤田進(jìn)行UCG試驗(yàn)，目的是彌補(bǔ)天然氣供應(yīng)不足。 除上述國(guó)家外，計(jì)劃進(jìn)行UCG試驗(yàn)或建設(shè)氣化站的國(guó)家有：印度、巴西(b x)、泰國(guó)、保加利亞、 新西蘭。3.1 國(guó)外技術(shù)(jsh)發(fā)展3.1.1 早期的有井(筒)式氣化工藝 UCG試驗(yàn)采用有井(筒)式工藝，需要開(kāi)鑿井筒、掘進(jìn)巷道，或利用老礦的井巷。這違背了地下氣化的基本宗旨是避免井下開(kāi)采作業(yè)的初衷，而且準(zhǔn)備工作量大，產(chǎn)氣量小。1935年以后，發(fā)展無(wú)井(筒)式工藝，即從地面向煤層鉆孔

41、。過(guò)去50年，國(guó)外所有UCG試驗(yàn)和可行性研究都采用無(wú)井(筒)式工藝。3.1.2 UCG描述 最簡(jiǎn)單的UCG工藝是按一定距離向煤層打垂直鉆孔，再使孔間煤層形成氣化通道。然后通過(guò)一個(gè)鉆孔把煤層點(diǎn)燃，注入空氣或氧/蒸汽，煤炭發(fā)生熱解、還原和氧化等氣化反應(yīng)。蒸汽 提供反應(yīng)所需的氫，并降低反應(yīng)溫度。產(chǎn)生的煤氣從另一個(gè)鉆孔引出，煤氣的主要成分是H 2 、二氧化碳、CO、CH4和蒸汽，各種組分的比例取決于煤種、氣化劑和氣化效率。注入空氣和蒸汽產(chǎn)生低熱值煤氣(3.96.3MJ/m3)；注入氧和蒸汽可得中熱值煤氣(8.211.0MJ/m3)。 低熱值煤氣可就地發(fā)電或做工業(yè)燃料；中熱值煤氣可作燃料氣或化工原料氣，

42、原料氣可轉(zhuǎn)化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然氣等產(chǎn)品。UCG的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是連續(xù)鉆孔的方法，即貫通技術(shù)、煤層勘測(cè)和氣化過(guò)程的控制。3.1.3 貫通技術(shù) 迄今已試驗(yàn)5種貫通方法：電力貫通，爆炸破碎，水力壓裂，反向燃燒，定向鉆孔。只有后兩種方法證明是可行的。 （1）電力貫通。這是早期(zoq)采用的方法，因煤層電阻大，耗電太多，而效果不好，早已淘汰 。 （2）爆炸破碎法。70年代，美國(guó)試驗(yàn)爆炸破碎法，未能使煤層產(chǎn)生足夠的滲透性，而且難以(nny)控制。 （3）水力壓裂。水力壓裂是從鉆孔向煤層注入帶支撐劑(砂子等)的高壓水，使煤層壓裂， 排水后砂子留在煤層裂隙中，從而提高煤層滲透性。美國(guó)、法國(guó)、

43、比利時(shí)、德國(guó)等都曾進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，均以失敗(shbi)告終。1980年法國(guó)進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，煤層深1170m，壓力達(dá)750ba r，結(jié)果水砂倒流，發(fā)生堵塞。 （4）反向燃燒。反向燃燒是從甲孔點(diǎn)火，從乙孔鼓風(fēng)，燃燒面的推進(jìn)方向與氣流方向相反 ，煤氣從甲孔引出。美國(guó)ARCO煤炭公司在懷俄明州吉利特附近進(jìn)行試驗(yàn)，煤層厚34m，深213 m，為次煙煤。注入空氣，煤氣熱值達(dá)7.9MJ/m3。 （5）定向鉆孔。定向鉆孔是石油工業(yè)開(kāi)發(fā)的一種鉆井新技術(shù)，它是從地面打垂直鉆孔，鉆 到一定深度后，鉆孔可以拐彎，變成水平方向鉆進(jìn)，形成水平孔。定向鉆孔有兩種方法：一是逐漸拐彎，一般每30m拐36，不需特制的鉆具，曲

44、率半徑約500m。另一種是小半徑拐彎鉆進(jìn)，需采用撓性鉆具和孔內(nèi)導(dǎo)向裝置，曲率半徑可小到15m。英國(guó)采用天然伽瑪射線(xiàn)傳感器導(dǎo)向，在厚度和傾角變化的煤層中進(jìn)行定向鉆孔試驗(yàn)，水平孔長(zhǎng)達(dá)500m。比-德地下氣化研究所在比利時(shí)圖林大深度煤層UCG試驗(yàn)中，采用垂直鉆孔、逐漸彎鉆孔和小半徑拐彎鉆孔相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。 此方案可用一個(gè)逐漸拐彎鉆孔聯(lián)接若干垂直鉆孔，在氣化幾個(gè)煤層時(shí)尤其方便，而且垂直孔與層內(nèi)水平孔的交接比較精確，兩者距離可控制在小于煤層厚度的范圍內(nèi)。英國(guó)設(shè)想用定向鉆孔技術(shù)氣化北海海底煤層，水深25130m，煤層厚12m，從地面或近海鉆井平臺(tái)打定向鉆孔。3.1.4 煤層勘測(cè)和模型研究 待氣化煤層的精

45、細(xì)勘測(cè)和氣化反應(yīng)帶的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)，是UCG能否成功的關(guān)鍵要素。在煤層勘測(cè)方面，已采用鉆孔溫差電偶、孔間地震儀等進(jìn)行三維精細(xì)勘測(cè)。在地面用電阻率方法進(jìn)行勘測(cè)也能取得良好效果，而且成本較低，有效深度約1000m。深部煤層用高頻電磁波進(jìn)行勘測(cè)，已證明是一種有效而經(jīng)濟(jì)的方法。目前，UCG試驗(yàn)通常都采用計(jì)算機(jī)模型模擬氣化(q hu)過(guò)程，已開(kāi)發(fā)出多種模型。應(yīng)用這些模型，有可能相當(dāng)精確地模擬氣化反應(yīng)過(guò)程，預(yù)測(cè)能夠氣化的煤量、煤氣(miq)的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及生產(chǎn)成本。美國(guó)能源國(guó)際公司采用UCG經(jīng)濟(jì)性模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)擬建的懷俄明州漢那商業(yè)性氣化站設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。 3.1.5 氣化過(guò)程(gu

46、chng)控制 UCG是受多種因素影響的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，難以控制。主要影響因素包括：煤層地質(zhì)條件，煤質(zhì)特征，涌水量，礦山壓力，氣化劑及其注入壓力和流量等。氣化過(guò)程控制的主要問(wèn)題是冒落矸石對(duì)氣流的影響，以及氣化效率隨氣化帶的推進(jìn)而降低。美國(guó)在地下氣化機(jī)理和氣化過(guò)程方面進(jìn)行大量的研究開(kāi)發(fā)工作，包括氣化過(guò)程監(jiān)測(cè)、自控和搖感技術(shù)，應(yīng)用聲學(xué)、地震學(xué)和電子技術(shù)，取得化學(xué)、熱力學(xué)和地質(zhì)學(xué)等方面的數(shù)據(jù)。3.1.6 環(huán)境影響評(píng)價(jià)及防治技術(shù) 美國(guó)和歐盟重視UCG對(duì)健康和環(huán)境影響的評(píng)價(jià)以及防治技術(shù)的研究。主要問(wèn)題是氣化區(qū)地面 塌陷，地下水污染，煤氣凈化系統(tǒng)排放物對(duì)環(huán)境的影響。美國(guó)能源部對(duì)懷俄明州70年代末進(jìn)行試

47、驗(yàn)的地下氣化站對(duì)健康和環(huán)境的影響進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估。對(duì)氣化站附近地下水中的異丙基苯含量進(jìn)行測(cè)量，并采用生物技術(shù)(需氧菌群)進(jìn)行分解苯的示范試驗(yàn)，結(jié)果地下水中的苯含量下降80。3.2 美國(guó)的CRIP氣化工藝美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1976年開(kāi)始研究UCG，在模擬研究和實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，19761979年在懷俄明州吉利特附近進(jìn)行了6次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，先后采用爆炸破碎、反向燃燒和定向鉆孔貫通技術(shù)，注入空氣和氧/蒸汽。這些試驗(yàn)除爆炸破碎效果不佳外，煤氣熱值都超過(guò)4MJ/m3，最高達(dá)10.3MJ/m3，但都發(fā)生冒頂、漏氣和水流入等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題， 提高氣化效率，該實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)發(fā)出受控注入點(diǎn)后退氣化工藝(

48、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)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推進(jìn)。 1983年，在美國(guó)華盛頓州森特雷利亞附近的韋特柯煤礦進(jìn)行首次全規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(shyn)。氣化煤層厚11m，氣化(q hu)上部的6m，煤質(zhì)為高灰分(20)、低滲透性次煙煤。試驗(yàn)歷時(shí)(l sh

49、)30天，開(kāi)始注入空氣和蒸汽，第14天注入氧和蒸汽，氣化煤量為1814t，煤氣熱值9.5MJ/m3。CRIP工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是氣化過(guò)程能夠有效地得到控制。因?yàn)樗阶⑷肟孜挥诿簩拥撞?，氣化過(guò)程在受控條件下由注入點(diǎn)后退逐段進(jìn)行。這一特點(diǎn)使它特別適用于大深度煤層和特厚煤層。氣化大深度煤層時(shí)，一個(gè)產(chǎn)氣孔可連接一組垂直注入孔，煤氣可通過(guò)已燒過(guò)的空穴流動(dòng)，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問(wèn)題。氣化厚煤層時(shí)，當(dāng)空穴擴(kuò)大并發(fā)生大冒頂時(shí)，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP工藝的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氣量大，還有可能回收因發(fā)生大冒頂從旁路逸出的煤氣。CRIP工藝的主要缺點(diǎn)是點(diǎn)火操作比較復(fù)雜。CRIP工藝在美國(guó)試驗(yàn)成功

50、以后，國(guó)外所有地下氣化試驗(yàn)或可行性研究項(xiàng)目都采用這種新工藝。3.3 國(guó)外重要UCG項(xiàng)目國(guó)外UCG試驗(yàn)和商業(yè)性示范項(xiàng)目主要有俄羅斯的南阿賓斯克氣化站，美國(guó)的漢那、羅林斯和森特拉利亞氣化試驗(yàn)，以及比利時(shí)的圖林和西班牙的特魯埃爾氣化試驗(yàn)。3.3.1 俄羅斯南阿賓斯克氣化站南阿賓斯克氣化站位于俄羅斯庫(kù)茲巴斯礦區(qū)。煤層厚29m，傾角5570，深50300 m，煤種為氣肥煤。1955年建成試驗(yàn)性氣化站，設(shè)計(jì)年產(chǎn)氣能力5億m3，采用井(筒)氣化工藝。到1991年累計(jì)氣化煤炭3Mt，產(chǎn)氣90億m3，煤氣平均熱值3.82MJ/m3(1600Kcal/ m3)。煤氣供附近12個(gè)工礦企業(yè)用作燃料。 3.3.2 美國(guó)

51、漢那地下氣化試驗(yàn) 19721979年，美國(guó)能源部拉勒米能源技術(shù)中心在懷俄明州漢那附近進(jìn)行地下氣化試驗(yàn)。氣化煤層為次煙煤，厚9m，深49122m。首次采用反向燃燒法，注空氣，氣化煤炭15741t，煤氣熱值4.06.6MJ/m3。19871988年，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用CRIP工藝在漢那進(jìn)行試驗(yàn)，獲得成功。 3.3.3 美國(guó)(mi u)羅林斯地下氣化(q hu)試驗(yàn)19791981年，Gulf研究與發(fā)展公司在懷俄明州羅林斯附近的一個(gè)急傾斜(qngxi)煤層進(jìn)行地下氣化試驗(yàn)。氣化煤層厚7m，傾角63，深30m，煤種為次煙煤，鉆孔貫通。試驗(yàn)分3個(gè)階段進(jìn)行。第一階段注空氣，煤氣熱值5.9MJ/m

52、3；第二階段注氧氣，煤氣熱值9.8MJ/ m3；第一、 第二階段的注入壓力為485795kPa；第三階段注氧氣，最大壓力提高到1100kPa，煤氣熱值12.9MJ /m3，有19天平均達(dá)14MJ/m3。累計(jì)氣化煤炭7766t。這是美國(guó)最成功的一次地下氣化試驗(yàn)。 3.3.4 美國(guó)森特雷利亞地下氣化試驗(yàn)1983年，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在華盛頓州森特雷利亞附近進(jìn)行地下氣化試驗(yàn)。氣 化煤層厚11m，氣化上部6m，煤層深75m。采用CRIP工藝，運(yùn)行30天，氣化煤炭13315t，煤氣熱值9.5MJ/m3。3.3.5 比利時(shí)圖林煤炭地下氣化試驗(yàn)這是比利時(shí)和德國(guó)深部煤層地下氣化試驗(yàn)合作項(xiàng)目。試驗(yàn)地點(diǎn)在比

53、利時(shí)波利納日煤田的圖林。氣化煤層厚4m，深860m，煤種為瘦煤。19781980年打了4個(gè)鉆孔，呈星形布置，2號(hào)孔居中，1、3、4號(hào)孔沿圓周布置，與2號(hào)孔相距35m。第一階段采用反向燃燒法進(jìn)行貫通試驗(yàn)，由1號(hào)孔注入高壓空氣(最大壓力260bar)。由于地層壓力高達(dá)200bar，煤層剛被燒通，周?chē)后w即在高壓作用下產(chǎn)生蠕動(dòng)，將通道封死，注入孔底附近的煤層發(fā)生自燃，試驗(yàn)失敗。1983年改用小曲率半徑定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行貫通試驗(yàn)。采用多節(jié)撓性鉆管，依靠鉆孔中的導(dǎo)向裝置導(dǎo)向，使垂直注入孔逐漸轉(zhuǎn)向，進(jìn)入煤層中繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆到距垂直生產(chǎn)孔24m處停止，用175bar高壓水打通，完成貫通。曲率半徑僅15m。198

54、6年定向鉆孔順利完成。氣化試驗(yàn)采用美國(guó)的CRIP工藝。為適應(yīng)深部煤層，對(duì)此工藝作了一些修改。從垂直注入孔下套管，在套管中用350bar壓力推入蛇管。蛇管內(nèi)裝有3根熱電偶電線(xiàn)和2根可燃的空心管，一根空心管用來(lái)輸氧，另一根空心管用來(lái)輸送三乙基硼和甲烷。蛇管端部固定點(diǎn)火器。氣化時(shí)，通過(guò)熱電偶點(diǎn)火，使鋼管和蛇管一起反向燃燒，第一段燒掉11m，然后以80bar壓力、7000 m3/h流量注入空氣，待氣化約10t煤以后，壓力降至2030bar。第二段和第三段再?gòu)淖⑷朦c(diǎn)分別后退11m，第二段注入40氧氣、30 二氧化碳和40 N2混合氣體，第三段注入40氧氣、60二氧化碳混合氣體，壓力均為25bar，流量2

55、000 m3/h。最后階段以25bar壓力、10000 m3/h流量注入空氣，若溫度太高，注入1200 m3/h的N2。氣化劑采用氧氣和二氧化碳，不用蒸汽。因?yàn)檎羝?250下輸送，成本高，而且在到達(dá)氣化帶前會(huì)因巖層的熱交換而冷凝。采用氧氣和二氧化碳注入孔不用絕熱，孔徑可減少35。3.3.6 西班牙特魯埃爾煤炭地下(dxi)氣化試驗(yàn)1988年，6個(gè)歐盟成員國(guó)組成歐洲煤炭地下氣化工作組，進(jìn)行(jnxng)驗(yàn)證歐洲典型煤層地下氣化可行性的商業(yè)規(guī)模示范。項(xiàng)目選定西班牙特魯埃爾礦區(qū)中等深度煤層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間7年零3個(gè)月，從1991年10月到1998年12月。氣化煤層(micng)為次煙

56、煤，厚約2m，深500700 m，硫分高達(dá)7.26。采用CRIP工藝。用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行小半徑定向鉆進(jìn)，注入孔和生產(chǎn)孔相距150m，注入管和點(diǎn)火器與圖林項(xiàng)目基本相同，在地面用特制的滾筒使其在注入孔內(nèi)移位。氣化試驗(yàn)從1997年6月30日開(kāi)始，共進(jìn)行3次(即注入點(diǎn)后退3次)，到10月6日結(jié)束。氣化劑為氧 和水。氣化過(guò)程對(duì)氣化劑流量、產(chǎn)氣孔壓力、煤氣流量和組分等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。根據(jù)參與氣化的元素質(zhì)量平衡測(cè)量氣化煤量、煤氣損失量和地下水涌入量，用示蹤氣體氦監(jiān)測(cè)煤層空穴的擴(kuò)展動(dòng)態(tài)。氣化試驗(yàn)完成后，在地面鉆孔并取芯，勘測(cè)氣化空穴的形狀和氣化殘留物。對(duì)氣化區(qū)周?chē)叵滤械奈廴疚镆约懊簹廨斔凸艿赖母g進(jìn)行取樣分析

57、。試驗(yàn)結(jié)果表明：定向鉆孔適于建立氣化通道，CRIP工藝效果良好，運(yùn)行順利；煤氣產(chǎn)出率隨注氧量增加而增大，反應(yīng)靈敏，因此有可能使氣化過(guò)程暫停幾天時(shí)間，這對(duì)發(fā)電很有利；煤氣熱值達(dá)10.9MJ/ m3，與地面氣化相當(dāng)，約為天然氣的1/3；煤炭地下氣化的環(huán)境影響應(yīng)引起重視。這次試驗(yàn)解決了一系列技術(shù)問(wèn)題。如果現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題得以解決，并證明經(jīng)濟(jì)合理，煤炭地下氣化可在1015年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，這是歐洲(u zhu)利用自有煤炭資源發(fā)電的戰(zhàn)略選擇。此外，歐洲地下氣化技術(shù)還有良好的出口前景，包括鉆井、完井所用特種鋼，氣化工程技術(shù)等。 3.4 結(jié)論(jiln) （1）發(fā)展UCG的基本宗旨。開(kāi)發(fā)利用本土能源資源、從根

58、本上杜絕礦井傷亡事故以及減少煤炭(mitn)開(kāi)采和利用對(duì)環(huán)境的損害，是各國(guó)發(fā)展UCG共同追求的目標(biāo)。最初提出UCG的一個(gè)根本出發(fā)點(diǎn)，就是使煤炭直接在地下轉(zhuǎn)化成氣體燃料，完全取消井下作業(yè)，從根本上杜絕礦井傷亡事故和井下作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)病。因此，雖然早期的UCG試驗(yàn)曾采用有井(筒)式工藝，但1935年以后就開(kāi)始發(fā)展無(wú)井(筒)式工藝。過(guò)去60多年國(guó)外所有UCG試驗(yàn)和可行性研究，都采用無(wú)井(筒)工藝路線(xiàn)。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織/國(guó)際能源機(jī)構(gòu) (OECP/IEA)1999年出版的非常規(guī)開(kāi)采認(rèn)為：有井(筒)式工藝違背了UCG避免井下作業(yè)的初衷，采用油氣工藝的定向鉆進(jìn)技術(shù)解決了氣化通道的貫通問(wèn)題。 （2）UCG不

59、能替代常規(guī)采煤方法。國(guó)外普遍的看法是UCG不能替代常規(guī)采煤方法，只可用來(lái)開(kāi)采常規(guī)方法不可采或開(kāi)采不經(jīng)濟(jì)的煤層，包括大深度煤層、高灰高硫劣質(zhì)煤、急傾斜煤 層和薄煤層，成為提供潔凈能源的一種可供選擇的途徑。 （3）UCG煤氣有多種用途。氣化過(guò)程注入空氣和蒸汽，生產(chǎn)低熱值煤氣(3.96.3MJ/m3) ，可就地發(fā)電或用作工藝燃料。注入氧和蒸汽可得中熱值煤氣(8.211.0MJ/m3)，可用作燃料氣或化工原料氣，原料氣可轉(zhuǎn)化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然氣等產(chǎn)品。（4）UCG是一項(xiàng)涉及多種學(xué)科的高技術(shù)。多項(xiàng)高技術(shù)的應(yīng)用，是歐美國(guó)家UCG研究試驗(yàn)取得重大進(jìn)展的關(guān)鍵。這些技術(shù)包括：應(yīng)用聲學(xué)、地質(zhì)學(xué)、

60、地震學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)和電子技術(shù)，研究地下氣化機(jī)理；UCG計(jì)算機(jī)模型，模擬氣化過(guò)程，測(cè)算煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量、生產(chǎn)成本；待氣化煤層的精細(xì)勘探、三維勘測(cè)技術(shù)；氣化過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)；耐高溫、抗腐蝕特種合金鋼管和特種泥漿；適于UCG的先進(jìn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)；UCG環(huán)境監(jiān)測(cè)和防治技術(shù)。（5）UCG技術(shù)尚不成熟。UCG雖已證實(shí)技術(shù)和工程可行性，但技術(shù)尚不成熟，存在一系列有待解決的問(wèn)題，主要是氣化過(guò)程很難控制；冒頂可能?chē)?yán)重干擾氣化過(guò)程，地下水進(jìn)入氣化帶；煙煤(ynmi)加熱膨脹產(chǎn)生塑性變形，會(huì)阻塞氣化通道，煤氣中的固體顆粒和焦炭會(huì)堵塞和腐蝕管道。（6）目前沒(méi)有發(fā)展新一代UCG技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)活動(dòng)。定向