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1、煤炭地下气化技术Underground Coal Gasification河南省神源煤炭气化科技发展有限公司目 录引 言31 煤炭地下气化基本原理41.1 氧化区41.2 还原区51.3 干馏干燥区51.4 地下气化炉的类型61.4.1 有井式61.4.2 无井式71.4.3 混合式71.5地下气化和煤层气开采的区别72 煤炭地下气化影响因素72.1 气化炉温度场82.2 鼓风速率82.3 水涌入速率92.4 气体通道的长度和断面92.5 操作压力112.6 煤层厚度112.7 空气动力学条件和气化炉结构112.8 煤质对气化的影响123 国外煤炭地下气化技术的发展123.1 国外技术发展13
2、3.1.1 早期的有井(筒)式气化工艺133.1.2 UCG描述133.1.3 贯通技术143.1.4 煤层勘测和模型研究153.1.5 气化过程控制153.1.6 环境影响评价及防治技术153.2 美国的CRIP气化工艺153.3 国外重要UCG项目163.3.1 俄罗斯南阿宾斯克气化站163.3.2 美国汉那地下气化试验163.3.3 美国罗林斯地下气化试验173.3.4 美国森特雷利亚地下气化试验173.3.5 比利时图林煤炭地下气化试验173.3.6 西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验183.4 结论184 国内煤炭地下气化技术的发展205 煤气综合利用前景215.1化工合成联产225.1
3、.1 合成氨225.1.2 合成二甲醚225.1.3 合成油235.2 提取纯氢235.3 地下气化煤气联合循环发电245.4 经济效益分析255.5几个工程实例的效益分析266 国家对发展煤炭地下气化技术的政策277 几个比较关心的问题308 本公司技术人员对该项目的研究与发明专利34引 言中国一次能源消费总量中煤炭占65以上（美国23），是世界上最大的煤炭生产国和消费国。中国已经探明煤炭可采储量约1900亿吨，但总储量估计可能高达四万亿吨，如果加紧查清资源家底，运用先进科技合理化开发，可望维持供应一百甚至数百年之久。中国要初步实现现代化，至少需要人均一个千瓦的电力，以15亿人口计，将有15
4、亿千瓦的需求，为现有发电能力的三倍以上。根据“十六大”提出的到2020年GDP翻两番，达到四万亿美元的经济发展目标估计，届时全国约需发电装机容量为89亿千瓦左右。但来自政府部门的信息显示，到2020年，预计水电总容量可达1亿千瓦，核电总容量达3600万千瓦。风能和生物能都只有约2千万千瓦，太阳能仅1百万千瓦，加上其他各种可能资源提供的电力，不到总发电能力的20。据此，今後整个“能源峡谷”时期中国电力供应必然主要依靠火力发电，由于石油、天然气资源即将见底，除了主要指望煤炭，别无选择。近年中国煤炭产量上去了，但技术装备和管理水平相当落后，全国采煤机械化程度仅为45；为数相当多的小煤矿，技术手段和开
5、采方式尤其落后，难以保障安全经济运行。中国煤矿事故频繁，矿工死亡率是美国的百倍，已成不可承受之痛。据查全国有安全保障的煤炭生产能力仅为12亿吨，去年约有7.5亿吨是在不具备安全生产条件下生产出来的，其中相当一部分是非法违规生产的煤炭。在这种情况下，中国现在年产近20亿吨，实际上已经大大超过了安全生产容许的极限。中国煤矿资源极为浪费严重，目前资源回收率仅在30%左右，小煤矿回收率只有15%左右，可以比拟为“猴子吃苹果”咬一口就扔。估计1980年到2000年，全国煤炭资源浪费280亿吨，扔掉的煤炭几乎是被利用资源的两倍。长此以往，到2020年，全国将有560亿吨煤炭资源被浪费，实际上相当于每年耗用
6、50亿吨煤炭。在这种极端粗放型暴殄天物的同时，精查储量却一直上不去，不消四十余年，已知可采储量就会消耗殆尽。煤炭行业现状，显示现行能源战略部署同客观需求大有南辕北辙之势，前景极其堪忧。同时，传统煤炭开采涉及一系列环境问题及健康问题，如：地面沉陷，矿工的健康和安全，脱硫、灰尘的污染，废物（水）的排放等。煤炭加冕第一，不是简单重复早年粗放、肮脏、低效的利用方式，必须极大地提高能量转化效率，减少环境污染，并转变为可以方便运用的其他能源形态，作为充分合理利用宝贵的煤炭资源，维持社会可持续发展的必要基本政策。煤炭地下气化集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，变传统的物理采煤为化学采煤，省去了庞大的煤炭开
7、采、运输、洗选、气化等工艺的设备，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。与传统采煤和地面气化相比，煤炭的地下气化技术有以下优势：（1）可以回收传统方法开采不经济和无法开采的煤炭资源；（2）由于煤炭无须人工开采，地下气化最大限度的减少了矿工的健康和安全问题；（3）减少了地面沉陷，以及固体废物排放很少；（4）减少了对社会经济的影响；（5）投资省，煤气成本低。江泽民总书记曾题词：“煤炭地下气化试验，从煤炭资源的充分利用以及经济效益来讲值得进一步研究”。著名科学家钱学森曾说：“煤炭地下气化的试验成功，无疑是煤炭工业的巨大革命”。随着煤炭地下气化技术的推广
8、应用，一个以煤炭地下气化为“龙头”的大型煤、电、化工联合企业将展现在世人面前。对保障国民经济的可持续发展具有十分重要的战略意义。鉴于煤炭地下气化技术的显著优点，前苏联、英国、美国、德国、法国等世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和使用，取得了丰硕的成果。我国也由实验室试验研究、现场试验研究，逐步向工业化生产迈进。1 煤炭地下气化基本原理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而产生可燃气体的过程。该过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的，如图1.1所示。1.1 氧化区由进气孔鼓入气化剂(空气、O2和H2O(g) ，并在进气侧点燃煤层，气化剂中的O
9、2遇煤燃烧产生CO2，并释放大量的反应热，燃烧区称为氧化区，当气流中O2浓度接近于零时，燃烧反应结束、氧化区结束。主要反应列式如下:氧化反应(燃烧反应)：C+O2 = CO2 +393.8 MJ/kmol碳的部分氧化反应(不完全燃烧反应) ： 2C+ O2 = 2CO + 221.1 MJ/kmolCO氧化反应(CO燃烧反应)： 2CO+ O2 = 2CO2 + 570.1 MJ/kmol1.2 还原区氧化区结束后，则进入还原区，氧化区使还原区煤层处于炽热状态，在还原区CO2与炽热的C还原成CO，H2O(g)与炽热的C还原成CO、H2等，由于还原反应是吸热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度
10、降低到使还原反应程度较弱时，还原区结束。主要反应列式如下:CO2还原反应(发生炉煤气反应) ： CO2+C = 2CO 162.4 MJ/kmol水蒸汽分解反应(水煤气反应)： H2O+C = H2+CO 131.5 MJ/kmol水蒸汽分解反应 ：2H2O+C = 2H2+CO2 90.0 MJ/kmolCO变换反应：CO+ H2O = H2+CO2 + 41.0 MJ/kmol碳的加氢反应 ：C+2 H2 = CH4 + 74.9 MJ/kmol1.3 干馏干燥区还原区结束后，气流温度仍然很高，对下流即干馏干燥区煤层进行加热，释放出热解煤气，同时产生甲烷化反应。主要反应列式如下:煤热解反应
11、 ：煤- CH4 + H2 + H2O +CO+CO2+甲烷化反应 ：CO+3H2 = CH4 + H2O + 206.4 MJ/kmol2CO+2H2 = CH4 + CO2 + 247.4 MJ/kmolCO2+4H2 = CH4 +2 H2O + 165.4 MJ/kmol图1.1 煤炭地下气化原理示意图从化学反应角度来讲，三个区域没有严格的界限，氧化区、还原区也有煤的热解反应，三个区域的划分只是说在气化通道中氧化、还原、热解反应的相对强弱程度。经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分主要是H2、CO、CH4的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见可燃
12、气体的产生主要来源于三个方面：即煤的燃烧热解、CO2的还原和水蒸汽的分解，这三个方面作用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气组分和热值。1.4 地下气化炉的类型1.4.1 有井式有井式气化建炉先从地面开凿井筒，然后在地下开拓平巷，用井筒和平巷把地下煤气发生炉和地面联接起来，在平巷里将煤层点燃，从一个井筒鼓风，通过平巷，由另一个井筒排出煤气。图1.2 有井式煤炭地下气化示意图1.4.2 无井式利用钻孔揭露煤层，并利用特种技术在煤层中建立气化通道而构成的地下煤气发生炉叫无井式地下气化炉。无井式气化炉从进排气点和气化通道相对位置来分可把它们分为几种基本炉型，即V型炉、盲孔炉、
13、U型炉等。图1.3 无井式地下气化炉示意图 图1.4 混合式地下气化炉示意图1.4.3 混合式由地面打钻孔揭露煤层或利用井筒辅设管道揭露煤层，人工掘进的煤巷作为气化通道，利用气流通道(人工掘进的煤巷)连接气化通道和钻孔或管道，所构成的气化炉为混合式气化炉。1.5地下气化和煤层气开采的区别煤层气的开采是通过“井下抽采”与“地面钻采”的方式，把煤中吸附的瓦斯抽出，受煤层中瓦斯气存量的影响，风险很大；往往是钻孔达到煤层后气量很少，抽采时间不长就没气了，造成钻孔等费用的巨大损失；而煤炭地下气化是通过热作用，把煤炭转化成煤气采出，只要地下有煤炭资源，就能产出煤气，煤炭资源越多，煤气采出越多，生产周期越长
14、；煤炭地下气化也包括“井下巷道开采”和“地面钻采”两种生产方式，与煤层气的“井下抽采”相比，地下气化的“井下巷道开采”工程简单，投资少。在“地面钻采”方面，地下气化的钻孔直径较大，一般都在500mm以上，从而保证了煤气的大量生产。另外，通过煤炭地下气化技术，不仅把煤炭转变成了煤气，同时，煤层中原有的瓦斯气也同时被采出，成为煤气中重要组分。2 煤炭地下气化影响因素煤的地下气化系非常复杂的物理和化学过程，影响煤气质量的因素很多，既有地下气化所采用的工艺措施，又有煤层自身的特性及煤层顶地板的移动状态。一般来讲，影响煤炭地下气化过程的主要因素包括以下几个方面：2.1 气化炉温度场煤炭地下气化过程实际上
15、是一个自热平衡过程，依靠煤燃烧产生的热量使地下气化炉内建立起理想的温度场，进而发生还原反应和分解反应，产生煤气。因此，在地下气化过程中起关键作用的是炉内的温度场，尤其是对于生产高热值水煤气的两阶段地下气化更是如此。两阶段气化是一种循环供给空气和水蒸气的地下气化方法，每个循环由两个阶段组成，第一个阶段为鼓空气燃烧蓄热生产空气煤气，第二个阶段为鼓水蒸气生产地下水煤气，只有第一阶段积蓄足够量的热能以后才能使第二阶段水蒸气的分界反应得以顺利进行，从而产生高热值地下水煤气，同时，煤层热分解的程度以及热解煤气的产量，完全取决于煤层内的温度分布。2.2 鼓风速率气化过程的稳定主要决定于单位时间内起反应的碳量，又决定于固体碳和二氧化碳的化学反应
