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

煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析(2014-11-1109:29:45)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（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，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)過處理通過管道輸送，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)、生態(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)超地面氣化， 這也使其風(fēng)險(xiǎn)程度增加。 目前，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)域的一些關(guān)鍵技術(shù)。１ 煤炭地下氣化（ＵＣＧ）基本原理及相關(guān)技術(shù)１.１ 基本原理煤炭地下氣化的過程主要是在地下氣化爐的氣化通道中實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)氣化過程可以分為氧化、還原、干餾干燥３個(gè)反應(yīng)區(qū)（圖１）。從化學(xué)反應(yīng)角度來講，３個(gè)區(qū)域沒有嚴(yán)格的界限，氧化區(qū)、精選范本,供參考！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，氣化反應(yīng)區(qū)逐漸向出氣口移動(dòng)，因而保持了氣化反應(yīng)過程的不斷進(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 關(guān)鍵技術(shù)類型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（促使定精選范本,供參考！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)，通過平巷，由另一個(gè)井筒排出煤氣。此法只應(yīng)用于關(guān)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)行前期工作的絕大部分ＵＣＧ項(xiàng)目都是有井式的。２）無井式氣化技術(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，“無井式”精選范本,供參考！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。無井式煤炭地下氣化法從地面向煤層打直徑１５０～４００ｍｍ、間距１０～４０ｍ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低壓火力滲透貫通法、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等有關(guān)（表１）。一般來說，氣化煙煤時(shí)，如果采用空氣作為氣化劑，煤氣熱值１２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３，產(chǎn)氣效率大約為３８３０Ｎｍ３／ｔ，若采用富氧水蒸氣作為氣化劑，煤氣熱值２２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３， 產(chǎn)氣效率大約為２１００Ｎｍ３／ｔ。精選范本,供參考?。玻┊a(chǎn)品氣的組成。煤炭地下氣化產(chǎn)品氣的組分與煤階、氣化劑類型以及工程技術(shù)等因素相關(guān)，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，精選范本,供參考！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)展起來的。前蘇聯(lián)最初試驗(yàn)于１９３３年，到２０世紀(jì)６０年代初期，在莫斯科近郊、頓巴斯和庫茲巴斯已有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１５００萬ｔ煤，生產(chǎn)煤氣超過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)成功無井式地下氣化爐，同時(shí)還發(fā)展了各種貫通技術(shù)，由過去的滲透技術(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)，由過去的鼓入空氣得到低熱值煤氣轉(zhuǎn)向鼓入氧氣得到中熱值煤氣，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（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ，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１９７６年開始研究地下煤氣化，在模擬研究和實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)出受精選范本,供參考！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：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εＵＣＧＴＭ技術(shù)。成立于１９９４年的加拿大ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司的地下煤氣化技術(shù)是目前最受關(guān)注的技術(shù)之一，近年其專有的εＵＣＧＴＭ技術(shù)已被多個(gè)國(guó)家的多個(gè)公司選用來建設(shè)試驗(yàn)裝置（表３）。精選范本,供參考！該方法基于前蘇聯(lián)地下煤氣化開采技術(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)井之間的通道來解決無法建立有效貫通通道問題。２.２ 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 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(chǎng)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(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 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)?。?２００１—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 ｍ３，煤氣熱值達(dá)到 １１.２６ＭＪ／ｍ３。２００２年 地下煤層氣化申報(bào)了精選范本,供參考！國(guó)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(guó)“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(guó)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(guó)首套日產(chǎn)煤氣１５萬ｍ３／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(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ｍ３／ｄ，富氧連續(xù)氣化生產(chǎn)氣量１５萬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Ｌｉｎｃ能源公司、ＣａｒｂｏｎＥｎｅｒｇｙ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Ｃ精選范本,供參考?。瑁椋睿悖瑁椋欤欤犴?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εＵＣＧＴＭ技術(shù)。該項(xiàng)目于１９９９年１２月２６日開始產(chǎn)氣，２００３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１０ｍ，深約１４０ｍ，共氣化煤３５０００ｔ，最大產(chǎn)氣量約８００００ｍ３／ｈ，相當(dāng)于７０ＭＷ電力。最近Ｃｈｉｎｃｈｉｌｌａ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。Ｌｉｎｃ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１１０ｋＰａ、溫度３００℃，典型組成（剔除氮?dú)夂笥?jì)算）為Ｈ２３２％，ＣＯ１７％，ＣＨ４１８％。Ｈ２／ＣＯ摩爾比為１:８１，很適合用于通過ＧＴＬ工藝合成油。２００７年Ｌｉｎｃ公司收購(gòu)了烏茲別克斯坦的Ａｎｇｒｅｎ地下煤氣化廠（目前唯一運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)化裝置），并獲其相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。Ｌｉｎｃ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)模將來可能擴(kuò)大到４００ＭＷ。正在與美國(guó)合成石油公司合作開展煤制油，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４～２４ｍ，煤灰分含量２５％～２８％，含水３１％～３５％，熱值３６５０ｋｃａｌ／ｋｇ，煤層傾角５°～１５°，深１１０～２５０ｍ，井間距２精選范本,供參考！５ｍ。系統(tǒng)壓力 １５６ｋＰａ（平均）。設(shè)計(jì)規(guī)模 １４億 ｍ３／ａ，最大年產(chǎn)氣量達(dá) １４.１億 ｍ３（１９６５年）。產(chǎn)品氣熱值為 ８００～８５０ｋｃａｌ／ｍ３。目前已被澳大利亞 Ｌｉｎｃ能源公司收購(gòu)，日產(chǎn)合成氣 １００萬 ｍ３。３）南非 ＭａｊｕｂａＵＣＧ項(xiàng)目。 該項(xiàng)目由 Ｅｓｋｏｍ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ公司實(shí)施，采用 ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙ公司的 εＵＣＧＴＭ技術(shù)。于２００７年１月投產(chǎn)，初始３０００ｍ３／ｈ，最終將提高到 ２５萬 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 （ＵＣＧ）技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：精選范本,供參考?。保┟禾康叵職饣夹g(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。精選范本,供參考?。玻┟禾康叵職饣夹g(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(guó)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)由于實(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(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。由此沒有運(yùn)輸過程中的燃料損失和煤塵等污染物排放，并減少相應(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、沒有三廢外排問題等很多優(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)。精選范本,供參考?。保┟禾康叵職饣^程的控制不能達(dá)到像地面煤氣化的程度，很多的過程變量，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，只能通過測(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