第一課 采煤新方法

1、第一課采煤新方法煤地下氣化由于人類工業(yè)化的過程，大量使用化石燃料，致使CO2等氣體組分增大，產(chǎn) 生了嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。為此，在聯(lián)合國主持下，從1992年起，召開了一系（15 次）國際會議與相應(yīng)的國際條約。直到2009年12月7日至18日在丹麥哥本哈根 召開聯(lián)合國氣候變化框架公約，并形成其，哥本哈根協(xié)議。目標(biāo)是減少溫室 氣體CO2,的排放，防止全球平均氣溫再上升20C。溫家寶總理在哥本哈根會上 也明確表示:應(yīng)對氣候變化必須在可持續(xù)發(fā)展的框架下統(tǒng)籌安排，絕不能以延續(xù) 發(fā)展中國家的貧窮和落后為代價。我國是個富煤、少氣、缺油的國家，這決定了中國能源結(jié)構(gòu)以煤為主， 低碳能源資源的選擇有限。電力中，火電占有

2、比達77%以上，一次動力在一段時 期內(nèi)仍然占有60% 70%的比重。盡管太陽能、風(fēng)能等可再生能源在大力發(fā)展 中，但一時都很難充當(dāng)主角。那么，讓煤的使用變得干凈、少污染成為當(dāng)務(wù)之急， 發(fā)展煤地下氣化不失為好的選擇。1 .什么是煤層地下氣化煤地下氣化是一種把機械采煤變成化學(xué)采煤的方法。簡言之，就在地下直接 打孔，孔間進行連接，有效控制燃燒，在高溫下注人水蒸氣，期間發(fā)生以下一系 列反應(yīng)：碳燃燒 C+O2= CO2，部分氧化C+l/2 O2=CO CO 再進一步氧化 CO+1/2 O2= CO2遇到水汽 co+h2o=co2+h2甲烷化 CO+3H2=CH4+ H2O碳被氫化C+2H2=CH4形成可燃

3、氣體后，引到地面，可直接發(fā)電，以供民用。煤地下氣化與地面發(fā)生爐內(nèi)煤 氣化的原理及過程基本相同。兩者不同之處 在于煤層本身直接就可以作為發(fā)生反應(yīng)的爐，氣化過程在地下完成。由于地下氣化是一個化學(xué)過程，這樣就可以使復(fù)雜的煤組分得到有效分離， 如硫在煤中除了以黃鐵礦形式出現(xiàn)外，還有大量的有機硫、碳、氮等。這些采用 通常固體狀態(tài)的方法是無法從煤中分離出來的，而且煤在燃燒過程中，這些成分 還會產(chǎn)生污染氣體排放。煤氣化后，才有可能把煤中的不同成分得到分離、集中、 轉(zhuǎn)換、處理。2世界各國都重視煤直接地下氣化在1935年后，蘇聯(lián)己經(jīng)開展了煤地下氣化，在莫斯科、頓巴斯、庫茲巴斯、 烏茲別克等地先后建立了 5個氣化

4、站，并與地面的發(fā)電站連接，一直運行至今。20世紀(jì)70-80年代，美國在懷俄明漢那、羅林斯、森特雷利亞開展了煤地下 氣化試驗，其中有些技術(shù)是從蘇聯(lián)(俄羅斯)引進。1978-1986期間，德國和比利時合作在比利時圖林煤礦進行地下氣化試驗。1988年6個歐盟成員國組成歐洲煤炭地下氣化工作組，在西班牙特魯埃爾 煤炭地下氣化試驗，驗證歐洲典型煤層地下氣化可行性的商業(yè)規(guī)模示范。英國的北海南部的近海和遠海，有大片無法開采的海底大煤田。對于瀕臨 枯竭的北海油氣田來說，其煤儲量足以提供未來所需的能量。在英國貿(mào)易、工業(yè) 部(DTI)響應(yīng)的一個EU的試驗中，論證了歐洲深層煤地下氣化的可行性，其結(jié) 論是，地下氣化處理

5、對英國煤炭資源有較大的潛力，特別是，遠離海岸的煤能被 利用。這項技術(shù)假如成功的話，有潛在的輸出國，諸如中國和印度，在那里煤的 儲量超過了油氣。英國地下煤氣化可行性的評價報告于2004年出版，在2007年時，從商務(wù)、 企業(yè)和管理統(tǒng)一的角度重新組合了一個新的部門，有來自DTI的某些功能，包 括對能源的責(zé)任，與內(nèi)閣辦公部分(Better RegulationExecutive)合并，可見其重視 程度。其他國家，如澳大利亞、南非、加拿大、印度、捷克和斯洛伐克等都在積極開展煤地下氣化的研究。3 國內(nèi)長通道、大斷面、兩階段工藝具舉世創(chuàng)新在國內(nèi)，由中國礦業(yè)大學(xué)余力教授為代表的科研專家，與礦區(qū)、各企業(yè)等學(xué) 者

6、、工程技術(shù)人員組成團隊在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）支持下于 1994-2000年期間，在江蘇徐州新河二號井、河北唐山劉莊、山東新汶孫村等地 成功地作了煤地下氣化半工業(yè)化到工業(yè)化的實驗。此外在山西昔陽、太原小東山、 甘肅華亭等地正在利用煤地下氣化成分建立甲乙醚、氨等化工廠研究。我國采取了與國外不同的長通道、大斷面、兩階段的獨特的思路，使得 可燃?xì)庵袣涞某煞譃?0%- 70%，明顯高于國外（一般為10% 30%）。為我國氫能 源的發(fā)展也開辟了一條可行的道路。4煤地下氣化最治理大氣污染和溫室效應(yīng)的金鑰匙燃煤治污花費很大。我國十五期間的燃煤電廠治污費1262億元 但也僅治其標(biāo)，而非治本。如果

7、能夠大力發(fā)展煤地下氣化，那么治標(biāo)治本即可兼 得。目前國內(nèi)從網(wǎng)上幾個招商項目估算，如果要建立一個20萬噸煤的地下氣 化站，投資約1億，如果投人入1000億，就可以建立1000個氣化站，這樣就可 以解決2億噸煤的凈化問題。如果投入5000億，就可以解決10億噸煤的氣化問 題，這就相當(dāng)2009年煤產(chǎn)量為27.93億噸的36%煤的污染問題。屆時，大氣狀 況是會發(fā)生顯著改變的。由此可見，煤地下氣化的前景是不言而喻的。全世界每年因工業(yè)化生產(chǎn)排放的二氧化碳總量超過240億噸，其中150 億噸被植物吸收，凈增90億噸，由此造成的大氣污染日趨嚴(yán)重。煤炭地下氣化 可以使CO2，得到分離，這樣就可以使CO2向大氣的

8、排放得到管理和利用。為 碳的捕獲、利用和儲存提供了一種低成本、零排放的煤開采方式。在今天把。02，當(dāng)做老鼠一樣人人喊打的時代，還是應(yīng)當(dāng)看到:首先，二氧 化碳既是最主要的溫室氣體，又是最廉價的資源。其次，耍相信科學(xué)技術(shù)發(fā)展的力量，如國內(nèi)已成功地發(fā)展了二氧化碳聚合 物的研究及生產(chǎn)線-可降解塑料。C02,中的碳與水中的氫是石油的基礎(chǔ)成分， 使其形成甲烷也是人們的夢想。第三，注重生物儲存，海洋、森林、江湖、濕地是最大的CO2,天然儲存庫。 保護好森林、濕地、草原植被當(dāng)然是首選目標(biāo)。第四，煤氣化過程中采用CO2,回填技術(shù)（圖2）也在研究之中。其目的就是 減少CO2排放，在溫度可控條件下，增加可燃?xì)饨M分：

9、CO2+C=2CO h2o+c=h2+co 2H2O+C=2H2+CO2 第五，地質(zhì)儲存（圖3）:圖3二氧化碳的地質(zhì)儲存的選擇 注1空的油氣田;2.用CO2增加油氣產(chǎn)量;3。深部無用 鹽水和飽和鹽水庫;4 深部不可采煤層;5.用CO2增加煤層的甲烷;6其他支撐選擇（玄武巖、 油頁巖、巖洞）。紅色：油或氣的生產(chǎn)井；藍色:二氧化碳注入井;粉藍色:氧化碳儲存井據(jù)文獻報道二氧化碳的儲存可有如下選擇：（1）將二氧化碳注人鄰近煤層，增加煤層氣的回采率;將二氧化碳儲存在由地下氣化產(chǎn)生的上覆層的應(yīng)力區(qū)；注人廢棄的地下氣化燃空區(qū)進行永久儲存。粗略的計算表明，1000米深的煤層氣化，煤氣中分離的二氧化碳，大約有

10、2/3可以儲存在廢棄的地下氣化燃空區(qū)及其上覆應(yīng)力區(qū)，其余的可集中利用。因 此，碳捕獲及碳儲存將產(chǎn)生一個零排放的化石燃料加工過程，這是一個很有前途 的研究方向。綜上所述，地下煤氣化具有較好的環(huán)境效益。因此，是一把治理煤 燃料污染的金鑰匙。5我國發(fā)展地下煤氣化的意義深遠煤地下氣化是一條可確保能源安全的戰(zhàn)略。煤地下氣化可直接投供廉價的潔凈的無碳能源-氫能(H2,)。長通道、 大斷面、兩階段地下氣化工藝，實際上是吸取了地表煤氣化原理，使用我國特 有的二階段氣化后組分中的氫含量可高達60% 70%，與國外地下煤氣化 (7.6%31.2%，平均為17%)相比具有明顯的優(yōu)勢。因此，煤地下氣化，可以直 接提供

11、非常廉價的氫的來源。地下氣化煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。地下氣化煤氣用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是 合理使用地下氣化煤氣熱能的有效途徑。煤炭地下氣化產(chǎn)生煤氣發(fā)電，在俄羅斯 已應(yīng)用近50年，莫斯科近郊等煤田先后建立的5座地下氣化站，生產(chǎn)2930 4187kJ/m的低熱值煤氣用來燒鍋爐或發(fā)電井積累了豐富的經(jīng)驗。(鄂莊煤礦氣化站一角)早在2002年時，我國科研人員柴兆喜等就認(rèn)為發(fā)展氣采一燃?xì)廨啓C無 水發(fā)電（UGTG）具有廣闊前景。對現(xiàn)有電廠進行擴建和技術(shù)改造，實施改造20 萬千瓦以下發(fā)電機組的目標(biāo)，現(xiàn)有電廠改裝機容量70%左右的蒸汽輪機為燃?xì)?輪機，與所余機組構(gòu)成氣采一聯(lián)合循環(huán)發(fā)電（UGCC）。預(yù)測2020年全

12、國燃煤發(fā)電 裝機總量將達到5億千瓦左右，約年耗水100億噸、燃煤15億噸。若采用上述 擴建UGCC改造方案，需氣采能力10億噸煤/年，約年節(jié)水70億噸，并可消 除燃煤15億噸/年的煤污染全程。煤炭使用成本有明顯的降低。煤炭地下氣化技術(shù)的成本為0 - 20- 25元/m3，比地面氣化的成本（0.40。5 元/m3降低50%。氫的成本為05元/m3，而利用一般方法制取氫氣則為1。52。 0元/m3。與地下采煤到地面上氣化相比，煤地下氣化生產(chǎn)合成氣成本可下降43%， 生產(chǎn)天然氣代用品成本可下降10%18%，發(fā)電成本可下降27%。采用長通道、 大斷面新工藝可大大節(jié)省建爐的初期投資和運行費用，煤氣成本就

13、更低。我國 山東孫村地下氣化水煤氣成木為0 - 193元/m3，年獲利稅375萬元，利潤311萬 元，投資利潤率25.83%，投資回收期3 - 9年。可以較充分地利用能源資源，礦井采煤都不會百分之百采凈，目前報廢資 源儲量已有300億噸以上。這些報廢資源一般為井工開采遺留的煤柱、薄煤層、 劣質(zhì)（高硫、高灰）煤層、高瓦斯煤層等，用井工開采不安全或經(jīng)濟性差，但可以 用長通道、大斷面、兩階段等地下氣化技術(shù)進行部分回收氣、T業(yè)燃料氣、 城市民用煤氣等。（山東里能煤炭地下氣化發(fā)電機組試運行）提高安全生產(chǎn)程度。煤炭地下氣化不僅經(jīng)濟效益顯著，同時還改善了能源 結(jié)構(gòu)，因不需要工人下井挖煤，增強了煤礦生產(chǎn)人員的

14、安全性。煤炭氣化后灰碴 留在原地，避免造成廢氣、廢水、廢碴等污染，并可減少因煤炭采空造成的地面 下沉。此技術(shù)可大大提高資源回收率，使傳統(tǒng)工藝難以開采的邊角煤、深部煤、 三下壓煤和己經(jīng)或即將報廢礦井遺留的保護性煤柱得到開采，同時深部開采條 件極其惡劣的煤炭資源也可得到很好的利用。煤資源的綜合利用放豐明顯如強。我國實踐表明，在地面以上引進先進 技術(shù)所作生產(chǎn)的合成氨，二甲醚、合成油等化工產(chǎn)品成本很高，以至于沒有競爭 力。目前，我國正在進行昔陽煤炭地下氣化暨合成氨聯(lián)產(chǎn)示范工程的現(xiàn)場試 驗，甘肅華亭煤集團煤炭地下氣化合成氨項目的可行性論證巳完成，太原東山 煤礦煤炭地下氣化實驗工程-年產(chǎn)5000噸二甲醚的可行性研究報告正待立項。有望擺脫長期依賴油