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1、UCG,UCG Engineering Research Center of Coal Industry,煤炭地下气化技术研究与应用,梁 杰,煤炭工业地下气化工程研究中心 2015年11月,内 容,1,2,3,4,5,6,结束语,1 背 景, 中国能源现状 石 油: 还能使用20至30年, 到2020年缺口达45% 天然气: 2015年缺口达43%以上 煤 炭: 在今后很长一段时间内仍然以煤为主,中国的煤炭资源开采现状 遗弃的煤炭资源: 超过500亿吨 低品位煤: 褐煤, 高硫煤 “三下”压煤 深部煤炭资源: 主要是埋藏深度在1000米以下的资源（约2.7万亿吨）,中国环境现状 地表塌陷量:
2、300,000 公顷 煤矸石的累积: 覆盖12000公顷的区域, 约30亿吨 煤燃烧排放物: 占SO2 总排放的87%,占CO2总排放的71%,占NOx 总排放的67%,占灰尘总排放的60%，雾霾,煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。它集建井、采煤、气化三大工艺为一体，变传统物理采煤为化学采煤。,煤炭地下气化过程,1 背 景,全球地下气化发展历史,6,反应区变化示意图,煤炭地下气化技术体系,特点：（1）地面气化气固相可以在小颗粒条件下均匀接触，而地下气化是在不均匀的大尺度煤块中完成气固反应；（2）地下气化料层(煤层)不发生移动，而是气
3、化工作面随时间和空间移动，反应区面积不断变化；（3）地下气化过程当反应区扩展到一程度后，导致顶板冒落，地下水进入气化区，影响气化区温度，同时导致气化污染物扩散，影响地下水环境。,2 煤炭地下气化技术体系,工艺类型：矿井式（有井式）,工艺类型：钻井式（无井式）,煤矿开采技术和煤气化技术的结合,石油钻井技术和煤气化技术的结合,中国矿业大学（北京）于1984年成立了煤炭工业地下气化工程研究中心。,2 煤炭地下气化技术体系,模型试验平台,监控系统,模型试验研究平台,煤气净化和改制系统,参数采集与分析系统,2 煤炭地下气化技术体系,气化开采煤层资源评价体系,煤炭地下气化基础理论研究,实体煤层燃烧气化特性
4、及其演化规律,高温煤岩性质及燃空区扩展规律,计算机模拟及仿真,煤炭地下气化工程技术开发,气化工作面综合探测技术,气化炉结构设计与施工技术,燃空区扩展及水控制技术,污染物监测与控制技术,设计、施工、运行技术规范，能效、环境、经济全生命周期评价模型，煤炭地下气化工艺包,动态监测与分析控制技术,产业化示范与推广,煤层条件,地质水文条件,煤炭地下气化技术体系,污染物富集及迁移规律,气化过程稳定控制工艺,2 煤炭地下气化技术体系,10,10,夹矸情况,主要考虑夹矸层数、单层厚度等。煤层夹矸过多，单层夹矸厚度过大影响气化稳定性，热效率低，经济性较差；夹总厚度小于煤层厚度的20%。,地质构造,主要影响因素为
5、褶皱、断层、岩浆岩等，其中断层对地下气化的影响最大，断层带易发生导水裂隙，产生环境问题，要求不能断开煤层。,煤层厚度及粘结性,煤层厚度决定钻井和气化工艺的具体实施 ，煤厚过薄，时围岩的冷却作用对煤气热值的影响剧烈；经济性不合理；煤质的粘结性不能过高。,煤层埋深,主要和环保、气闭性有关。埋深太浅，气闭性差，造成环境污染；煤层埋深过深，则建炉成本增高；根据现场试验及国内外资料表明：200-1200m较适合地下气化。,储量,储量评估依据为根据煤气产量计算服务年限，考虑投资经济性。理论上讲，矿区储量越大，服务年限越长，具体情况视设计要求而定。,2 煤炭地下气化技术体系,2.1 煤炭地下气化地质评价模型
6、,（一）影响因素,（二）地质评价模型,2.1 煤炭地下气化地质评价模型,二级权重输入和评价结果输出窗口,89.87,良好,采用模糊两级综合评判法对结果进行评价。评判总值大于80的，适合进行地下气化；评判总值大于50小于80的，比较适合进行地下气化，评判小于50的，不适合进行地下气化。,2.1 煤炭地下气化地质评价模型应用实例,（三）地质评价模型软件开发,空气煤气组成及热值,富氧煤气组成及热值（氧浓度93%）,2.2 气化工艺,2 煤炭地下气化技术体系,垂直孔压裂,控制注气点后退,褐煤-富氧CO2-顶板淋水,a-渗滤通道；b-自由通道（初始通道高度是煤层高度的1/4） 1-自由通道；2-反应区；
7、3-煤层,分离控制注气点后退-水雾化 煤炭地下气化技术 Discrete Control Technology of Receding Injection Point and Water Atomization for UCG（DCRA）,2 煤炭地下气化技术体系,2.2 气化工艺,15,自由通道富氧（60%）-CO2连续气化过程温度场演化,气化工作面沿气化通道(横向)扩展速率远大于沿煤层(纵向)扩展速率。平均横纵速率比为7.42：1。当纵向扩展速度比达到12.5:1时，煤气有效组分降至34.87%，说明反应条件变差。,b-点火20h,a-点火10h,（1）自由通道,2.3 煤层地下气化过程特
8、征场演化规律温度场,2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律,16,（2）渗流气化温度场分布与扩展,渗流气化横纵扩展速率比为（3.13-3.64）:1，小于自由通气化横纵扩展速率比。,2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律温度场,（3）分离控制注气点后退-水雾化气化（DCRA）温度场扩展,DCRA气化工艺横纵扩展速率比为（0.25-1.14:1），小于自由通道和渗流气化过程。,17,自由通道气化出口煤气组分,渗流气化出口煤气组分,2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律浓度场,浓度场,18,（a）煤气有效组分含量,（b）煤气热值,DCRA气化过程出口有效气体组成及热稳定性特征,DCRA气化过程有效
9、气(H2+CO+CH4)含量在59%-75%之间，平均67.03%，高于自由通道和渗流（有效气含量在48.5051.15%之间，平均49.83%，）的25.66%。,2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律浓度场,燃空区净高度 = 6m， H冒= 13m14m H裂= 3040m 顶板为软岩,2.4 燃空区扩展,2 煤炭地下气化技术体系,测控系统构成,仪表系统,采集系统,分析系统,控制系统,温度、压力 流量 煤气组分 燃烧区扩展 污染物含量,信号转换 信号传输 显示、报警 存储 数据库,气化机理 实验数据 数学模型 专家系统 控制参数,信号转换 信号传输 动力系统 执行机构 执行反馈,网络传输,
10、2.5 煤炭地下气化测控与分析技术,2 煤炭地下气化技术体系,（一）系统总体架构,地下气化过程测控与分析系统整体框架与构成,2.5 煤炭地下气化测控与分析技术,（三）专家分析技术,（1）专家知识处理系统开发架构,2.5 煤炭地下气化测控与分析技术-专家分析,专家分析软件系统总体架构,污染物产生、迁移规律及控制、防治 技术体系,模型预测,气化过程污染控制,2.6 污染物监测与控制技术,2 煤炭地下气化技术体系,2.6 污染物监测与控制技术-污染物控制与处理,污染控制,污染抽提,自然衰减,化学处理,原位包埋,抽提效果,控制效果,2.7 煤炭地下气化过程全生命周期评价模型,（1）全生命周期评价技术框
11、架,全生命周期评价的ISO技术框架,UCG-LCA系统边界,2 煤炭地下气化技术体系,2.7 全生命周期评价模型-环境影响评价,（2）环境影响评价,UCG-LCIA的简化流程,27,各影响类型对各阶段的贡献图,环境影响综合指标,2.7 全生命周期评价模型-UCG-LCA系统应用,（3）评价（UCG-LCA）系统软件开发,公司名称信息,2.8 煤炭地下气化工业化装置工艺包,气流通道,注气点控制,2 煤炭地下气化技术体系,2.9 CO2的利用和处置方法,地下气化气体分离CO2,燃空区回填,碱性废水吸收CO2 高钙煤灰固定CO2,流程图,固定CO2的灰水比与煤灰之间的各种比例（3#碱）,2 煤炭地下
12、气化技术体系,UCG-CCUS,UCG-EOR,地下苦咸水吸收CO2,UCG-CBM,煤炭地下气化现场试验项目,1、江苏徐州 2、河北唐山 3、山东新汶 4、山西昔阳 5、内蒙古乌兰察布,1,3,2,4,中国矿业大学（北京）,5,承担单位 新奥气化采煤有限公司 新汶矿业集团 徐州矿务局,3.1 新河2#井半工业试验,煤层条件：煤种：气煤；厚度：3.8米；倾角：70度；深度：100m,气化炉结构（通道长度）168m,3 有井式地下气化试验,新河2#井的气体成分、热值及流量,No. 煤气组分(%) 热值 流量 H2 CO CH4 CO2 N2 MJ/Nm3 m3/h 1 58.29 8.59 9.
13、28 19.63 4.21 12.22 1920 2 58.38 10.35 14.32 13.38 3.57 14.45 1400 3 57.10 11.66 14.89 13.85 2.50 14.70 1500 4 62.07 14.43 10.13 11.07 2.30 13.78 1650 5 54.25 15.72 10.65 15.26 4.12 13.14 1810 6 64.07 11.31 9.94 11.13 3.55 13.57 1900 7 60.42 16.57 9.54 12.52 0.95 13.61 1550 8 64.63 12.47 9.65 11.70
14、1.55 13.69 1850,3.1新河2#井半工业试验,3.2 刘庄矿工业试验,（气化通道长度210m）,生产时间：五年多 平均产量：14万m3/d 煤气用途：锅炉、工业窑炉 1997年10月通过国家级技术专家鉴定,煤层条件 煤种：气煤 厚度：4米 倾角：45度 深度：85m,刘庄LLTS地下气化炉,刘庄矿空气煤气的热值及流量,气化时间/天 - - - 气流量/10000m3/d -气体热值/MJ/m3,Gas flow/10000m3/d,气体热值/MJ/m3,3.2 刘庄矿工业试验,3.3 新汶地下气化试验,新汶示范项目,制氧系统,燃气涡轮发电机,地下气化站,测控分析系统,煤气供200
15、00 户家庭做饭、 发电(4400kw 内燃机),新汶鄂庄煤矿富氧煤气组成、热值及流量,富氧浓度,3.3 新汶地下气化试验,3.4 曹庄共气化试验,曹庄气化炉,9 coal seam,10 coal seam,曹庄空气煤气组成、热值及气体流量,煤气供2000 户家庭做饭,昔阳气化炉（气化通道长度110m、130m）,煤气用于锅炉燃烧和合成氨,空气煤气组分、热值和流量,第二阶段煤气组分、热值和流量,煤层条件 煤种：无烟煤 厚度：6米 倾角：20度 深度：200m,3.5 山西昔阳地下气化示范项目,4.1 江苏马庄试验,4 无井式地下气化试验,气化通道贯通参数 点火方式：盲孔式电点火 供气压力： 0.75MPa 供气流量： 600 m3 /h 贯通速度： 0.34m/d 通道直径： 0.39m 总产量： 160,000m3 热值： 3.344.18MJ/m3,气化炉,4.2 乌兰察布煤炭地下气化技术示范项目,4 无井式地下气化试验,系统从2007年10月开始运行，煤气用作发电,乌兰察布空气煤气组成、热值及气体流量,乌兰察布空气-富氧煤气组成、热值及气体流量,4.2 乌兰察布煤炭地下气化技术试验,掌握了煤炭地下气化过程燃烧、气化、传热、传质、气化区扩展、燃空区扩展、污染物产生与迁移等方面的基本规律。 完成了不同煤层条件下的现场试验。煤种：褐煤、烟煤、无烟煤；厚度1.15m12m；倾角
