國外煤炭地下氣化調(diào)查

國外煤炭地下氣化調(diào)查2002-06-11歷史1年，德國科學家威廉?西蒙斯首先提出了煤炭地下氣化 的概念。1年，俄羅斯化學家門捷列夫提出了地下氣化的基本工藝。1 年，通過鉆孔向點燃的煤層注入空氣和蒸汽的技術(shù)在英國取得專利權(quán)。1年，前蘇聯(lián)開始進行現(xiàn)場試驗。1 ?1年建成5個試驗性氣化站。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安格連斯克氣化站。這個氣化站都采用無井筒氣化工藝。前蘇聯(lián)的試驗性氣化站，生產(chǎn)的煤氣熱值低，產(chǎn)量不穩(wěn)定，成本高。1 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1 年累計產(chǎn)氣億，煤氣平均熱值1 l安格連斯克氣化站氣化褐煤，1年恢復運行，生產(chǎn)低熱值燃料氣供發(fā)電。世紀5年代，美、英、日、波、捷等國也都進行試驗，但成效不大。到5年代末都停止了試驗。?年代，除前蘇聯(lián)外美國、德國、比利時、英國、法國、波蘭、捷克、日本等國都進行試驗。美國 研究試驗投入大量資金。勞倫斯?利弗莫爾、桑迪亞國家實驗等研究機構(gòu)，應用高技術(shù)進行 的實驗室研究和現(xiàn)場試驗。到世紀年代中期，共進行次現(xiàn)場試驗，累計氣化煤炭近萬，煤氣最高熱值達1 m勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室開發(fā)成功的受控注入點后退 氣化新工藝，是技術(shù)的一項重大突破，使美國技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。美國 試驗，證實了 的技術(shù)可行性，但產(chǎn)氣成本遠高于天然氣，據(jù)美國能源部1年評估報告，地下氣化成本為 美元，而天然氣井口價僅1美元 年11 天然氣，漢那商業(yè)性地下氣化站設(shè)計預估成本高達1美元。西歐國家英國、德國、法國、比利時、荷蘭、西班牙深度1 以下和北海海底煤炭儲量很大。石油危機后，這些國家試圖采用 技術(shù)從不能用常規(guī)方法開采的深部煤層取得國產(chǎn)能源。1 年，比利時和原西德簽署了共同進行深部煤層地下氣化試驗的協(xié)議，1年在比利時成立了地下氣化研究所，進行 實驗室研究和現(xiàn)場試驗。1?1 年，在比利時的圖林進行現(xiàn)場試驗。氣化煤層厚，傾角15。，深。第一階段采用反向燃燒法，試驗失敗。后來采用小半徑定向鉆孔和 工藝，試驗基本成功。1年，個歐盟成員國組成歐洲煤炭地下氣化工作組，進行驗證深部煤層地下氣化可行性的商業(yè)規(guī)模示范。1年1月到1年1月，在西班牙特魯埃爾進行現(xiàn)場試驗。氣化煤層厚，深5? ，采用定向鉆孔和工藝。羅馬尼亞正在日烏河谷煙煤煤田進行 試驗，目的是彌補天然氣供應不足。除上述國家外，計劃進行 試驗或建設(shè)氣化站的國家有：印度、巴西、泰國、保加利亞、新西蘭。技術(shù)進展1早期的有井筒式氣化工藝試驗采用有井筒式工藝，需要開鑿井筒、掘進巷道，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采作業(yè)的初衷，而且準備工作量大，產(chǎn)氣量小。19，年5以后，發(fā)展無井筒式工藝，即從地面向煤層鉆孔。過去5年，國外所有試驗和可行性研究都采用無井筒式工藝。描述最簡單的 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。然后通過一個鉆孔把煤層點燃，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。蒸汽提供反應所需的氫，并降低反應溫度。產(chǎn)生的煤氣從另一個鉆孔引出，煤氣的主要成分是 、二氧化碳、、 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 ? ；注入氧和蒸汽可得中熱值煤氣? 。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，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。 的關(guān)鍵技術(shù)問題是連續(xù)鉆孔的方法，即貫通技術(shù)、煤層勘測和氣化過程的控制。貫通技術(shù)迄今已試驗種貫通方法：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。（）電力貫通。這是早期采用的方法，因煤層電阻大，耗電太多，而效果不好，早已淘汰。（）爆炸破碎法。年代，美國試驗爆炸破碎法，未能使煤層產(chǎn)生足夠的滲透性，而且難以控制。（）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、法國、比利時、德國等都曾進行水力壓裂試驗，均以失敗告終。年法國進行水力壓裂試驗，煤層深7壓力達 ，結(jié)果水砂倒流，發(fā)生堵塞。（）反向燃燒。反向燃燒是從甲孔點火，從乙孔鼓風，燃燒面的推進方向與氣流方向相反，煤氣從甲孔引出。美國煤炭公司在懷俄明州吉利特附近進行試驗，煤層厚4深3為次煙煤。注入空氣，煤氣熱值達 /（5定向鉆孔。定向鉆孔是石油工業(yè)開發(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，形成水平孔。定向鉆孔有兩種方法：一是逐漸拐彎，一般每拐?6°，不需特制的鉆具，曲率半徑約 。另一種是小半徑拐彎鉆進，需采用撓性鉆具和孔內(nèi)導向裝置，曲率半徑可小到 5英國采用天然伽瑪射線傳感器導向，在厚度和傾角變化的煤層中進行定向鉆孔試驗，水平孔長達50。0比另德地下氣化研究所在比利時圖林大深度煤層 試驗中，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)計方案。見圖1圖圖林 試驗定向鉆孔布置（略）此方案可用一個逐漸拐彎鉆孔聯(lián)接若干垂直鉆孔，在氣化幾個煤層時尤其方便，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)。英國設(shè)想用定向鉆孔技術(shù)氣化北海海底煤層，水深?，煤層厚，從地面或近海鉆井平臺打定向鉆孑L。煤層勘測和模型研究待氣化煤層的精細勘測和氣化反應帶的預測和監(jiān)測，是能否成功的關(guān)鍵要素。在煤層勘測方面，已采用鉆孔溫差電偶、孔間地震儀等進行三維精細勘測。在地面用電阻率方法進行勘測也能取得良好效果，而且成本較低，有效深度約1，，。，深另部煤層用高頻電磁波進行勘測，已證明是一種有效而經(jīng)濟的方法。目前， 試驗通常都采用計算機模型模擬氣化過程。已開發(fā)出多種模型。應用這些模型，有可能相當精確地模擬氣化反應過程，預測能夠氣化的煤量、煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及生產(chǎn)成本。美國能源國際公司采用 經(jīng)濟性模型和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對擬建的懷俄明州漢那商業(yè)性氣化站設(shè)計方案的經(jīng)濟性進行預測和優(yōu)化。氣化過程控制是受多種因素影響的復雜的物理化學過程，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。氣化過程控制的主要問題是冒落矸石對氣流的影響，以及氣化效率隨氣化帶的推進而降低。美國在地下氣化機理和氣化過程方面進行大量的研究開發(fā)工作，包括氣化過程監(jiān)測、自控和搖感技術(shù),應用聲學、地震學和電子技術(shù)，取得化學、熱力學和地質(zhì)學等方面的數(shù)據(jù)。環(huán)境影響評價及防治技術(shù)美國和歐盟重視對健康和環(huán)境影響的評價以及防治技術(shù)的研究。主要問題是氣化區(qū)地面塌陷，地下水污染，煤氣凈化系統(tǒng)排放物對環(huán)境的影響。美國能源部對懷俄明州70年代末進行試驗的地下氣化站對健康和環(huán)境的影響進行專項評估。對氣化站附近地下水中的異丙基苯含量進行測量，并采用生物技術(shù)需氧菌群進行分解苯的示范試驗，結(jié)果地下水中的苯含量下降0%氣化工藝美國勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室 7年開始研究 ，在模擬研究和實驗室研究的基礎(chǔ)上， 76 7年在懷俄明州吉利特附近進行了次現(xiàn)場試驗，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。這些試驗除爆炸破碎效果不佳外，煤氣熱值都超過 ，最高達0 ,但都發(fā)生冒頂、漏氣和水流入等問題。為解決這些問題，提高氣化效率，該實驗室研究開發(fā)出受控注入點后退氣化工藝 。這種新工藝把定向鉆進和反向燃燒結(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；開始氣化時，用移動點火器在靠近產(chǎn)氣孔的第一個注入點燒掉一段套管，并點燃煤體，燃燒空穴不斷擴展，一直燒到煤層頂板，待頂板開始塌落時，注入點后退相當于一個空穴寬度的距離，再用點火器燒掉一段套管，形成新的燃燒帶，如此逐段向垂直注入孔推進。見圖2。點火器用引火氣體硅烷點燃丙烷噴嘴，在地面拖曳移動。圖 工藝示意圖（略）比利時圖林地下氣化試驗設(shè)計的注入管和點火器結(jié)構(gòu)見圖，。注入管采用雙層套管，蛇管在撓性套管內(nèi)移動。蛇管內(nèi)裝根熱電偶電線和根可燃的空心管，一根空心管輸送三乙基硼遇空氣即燃燒和 4另一根空心管注氧。蛇管端部固定點火器。圖注入管結(jié)構(gòu)（略）年，在美國華盛頓州森特雷利亞附近的韋特柯煤礦進行首次全規(guī)?，F(xiàn)場試驗。氣化煤層厚，氣化上部的，煤質(zhì)為高灰分0、低滲透性次煙煤。試驗歷時（天,開始注入空氣和蒸汽，第天注入氧和蒸汽，氣化煤量為 1煤氣熱值 /工藝的最大優(yōu)點是氣化過程能夠有效地得到控制。因為水平注入孔位于煤層底部，氣化過程在受控條件下由注入點后退逐段進行。這一特點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，一個產(chǎn)氣孔可連接一組垂直注入孔，煤氣可通過已燒過的空穴流動，解決了在極高的巖層壓力下保持通道的問題。氣化厚煤層時，當空穴擴大并發(fā)生大冒頂時，可保持垂直注入孔的完整性。 工藝的另一個突出優(yōu)點是產(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。 工藝的主要缺點是點火操作