一、煤炭地下气化的发展概况
煤炭地下气化是一种综合性,多学科生产能源的高新技术,它将地下煤炭资源在原地转变为可燃气体。将建井、采煤、建气化炉三大工艺合而为一,将物理采煤方法转变为化学采煤法,将人在地下生产转变为人在地面管理生产,将固体煤转变为气体燃料或化工原料,将铁路运输煤炭转变为管道运输煤气。煤炭地下气化具有投资少、安全度高、效率高、成本低、见效快、污染少等优点。因而深受世界各采煤国家的重视。
煤炭地下气化技术的发展,已有近百年的历史。早在1888年俄国化学家门捷列也夫在“北方通报”杂志第八期上,以“长眠在顿涅茨河两岸的未来力量”专题文章中写到:“看来,这样的时代是会到来的,那时煤将不从地下采出,而能在地下把它变成可燃气体”。
之后英国科学家拉姆塞于1912年在拉塞姆煤田首次获得地下气化现场的试验成功。1931年苏共中央通过关于煤炭地下气化试验方案的决议。1932年到1941年间原苏联先后在莫斯科近郊煤田、顿涅茨克煤田等地建成几个半工业性和工业性的煤炭地下气化站,并投入生产。还设计了几座大型新式地下气化站。莫斯科近郊气化站在1941年从技术上第一次解决了无井式地下气化的技术问题,解决了地下气化的大量难题,积累了丰富的经验,第二次世界大战后,原苏联仍继续进行地下气化试验研究和生产工作。煤炭地下气化的工艺技术基本过关,并投入了较大规模的工业生产。下面列出5座地下气化站。
1. 莫斯科近郊地下气化站。
此站距图拉城3公里,煤层接近水平,倾角5°。煤种属褐煤。发热量11.39MJ/kg,第二次世界大战前建成。1943年恢复到战前年产气4400万m3,1945年扩建生产能力为18000万m3/年,1949年再次扩建为46000万m3/年,1955年日产煤气112.7万m3,煤气热值3.3MJ/m3,每千立方米干煤气需空气1086m3,耗电65.2千瓦时,煤气不间断地供给图拉热电站、许多工业单位和公共福利企业。从1951年起从煤气中回收硫,1955年已生产产品硫代硫酸钠。
2. 顿巴斯利西昌斯克气化站。
该站于战前建成,采用蒸汽一氧鼓风生产工业用煤气。战后于1948年4月恢复开工,用空气和富氧鼓风,煤种属烟煤,煤层薄,厚度为0.4-1.5米,倾角30-45°。1955年日产煤气29.9万m3,煤气热值3.7MJ/m3,鼓风中含氧34.5%,每千立方米干煤气需空气978m3。
3. 库兹巴斯南阿宾斯克气化站。
该站于1955年5月投入生产,煤种属肥气煤,发热量29.14MJ/kg。该站煤层有23层,厚度1-20米,煤层倾角28-70°,生产的煤气热值为4.19-5.02MJ/m3,日产煤气150万m3,直至日前仍在生产,已超过45年,年产煤气5亿m3。
4. 沙茨基气化站。
设计能力为210万m3/天煤气,相当于每天耗700吨褐煤,生产的煤气供4.8万KW的燃气轮机发电及动力燃料使用。燃气轮机由列宁格勒金属工厂制造,功率为1.2万千瓦/台。该电站已于1959年投入生产,发电11000伏已并入莫斯科电网。煤气消耗量为88000m3/时,煤气热值为3.77MJ/m3。
5. 安格兰气化站。
设计能力为700万m3/天煤气,相当于每天耗1900吨安格兰褐煤。煤气供火力发电厂锅炉使用,煤气热值为3.18-3.56MJ/m3,该站于1961年建成投产。本站煤层厚2-30米,埋深120-200米,煤的发热量为9.63MJ/kg,已连续生产40年,年产煤气最高达14亿m3,目前仍在生产中。
美国的地下气化晚于前苏联,始于1949年,是由美国矿务局和阿拿巴马公司共同开发的。开始采用井式,由于地下气化炉密闭性差,试验未取得预期效果,煤气热值仅为1.67-2.09MJ/m3。从1957年起,采用无井式钻孔气化法,煤气热值提高到3.77MJ/m3,1968年后他们先后开发了四种不同类型的地下气化炉。特别是七十年代出现的石油能源危机后,加速了地下气化炉的研究和试验。投入大量资金在怀俄明州等地进行试验,取得了较好的进展,采用多通道、富氧空气和水蒸汽鼓风的气化方法获得热值高达12.5MJ/m3的煤气,八十年代采用九对钻孔日产煤气达225万m3,已接近工业生产规模。最引人注目的是1987年11月至1988年2月进行的洛基山-1号试验,为地下气化技术走向商业化道路创造了条件。
英国从五十年代以来,进行了几十次煤的地下气化试验。首先进行了无井式试验,认为该气化方法不够经济,故转为有井式地下气化试验,创造了盲孔气化技术,并在纽曼斯平尼的试验中获得成功。长期获得稳定的煤气,煤气热值为3.35MJ/m3,57年建成一座小规模地下气化发电站,能力为5000千瓦,结果令人十分满意,不仅在技术上取得成功,而且在经济上也十分合算。
日本对煤炭地下气化极为重视,1961年起在赤平住友矿进行三次规模较大的现场试验,煤层倾角52°,埋深13米,第一次气化200小时,煤气热值2.76MJ/m3,第二次气化126小时,煤气热值3.22MJ/m3,第三次气化煤气热值达4.19MJ/m3。1969年决定建两座地下气化站。一座在北海道奈井江地区,一座在九州市高松地区,年产气量分别为3000万m3和5000万m3。其目的是充分利用采掘条件恶劣的煤炭资源,最终建立地下气化电站联合企业。
捷克1956年开始在北部布里兹诺1.4米厚的褐煤层进行地下气化试验,采用无井式方法,获得煤气热值为3.17-3.66MJ/m3,气化总煤量为1867-3103吨,煤气产率2.36m3/kg试验完成后解剖了地下气化发生炉,发现:
(1)煤层垂直厚度全部被烧空。
(2)煤层燃烧后留下的空间被部分矿渣及从顶板陷落的岩石所填充。
(3)当采用钻孔直线排列气化时,燃烧煤壁宽10米,有时可达13.14米。
(4)顶板变形。
(5)钻孔发生显著的变形,因此不能加深钻孔来气化几层煤。
(6)煤层顶板的可钻性起了变化,原来粘土顶板的可钻性由气化前的3级变为气化后的9级。
(7)气化结束6个月后,发生炉的温度没有完全降下来。
1961年以后捷克又在维尔撒赤地区布拉梯斯利夫煤田、南马拉维煤田等地进行了试验,生产规模达1.6亿m3/年,煤气热值3.35-3.77MJ/m3。
波兰1955年在卡拉维辛城郊建立了第一座试验站,波兰采用的井式煤气发生炉费用比英国井式炉还低。用标立方米氧气化褐煤和烟煤。褐煤回收16.75MJ的热量,而烟煤则回收40.19MJ的热量。因此认为对烟煤层富氧鼓风不仅在技术上可行,经济上也是合算的。
西德与比利时于1976年10月签订了关于共同开发煤炭地下气化技术的协定,他们的主要目标是1000米以下深部煤层的气化。西德亚琛工业大学和比利时林堡大学从1979年起在图林进行了现场试验,对约870米深的煤层进行了高压气化,煤气用于发电,经济上比采煤合算。
二、煤炭地下气化技术的成就和存在问题。
近六十多年来苏、美、英、日、捷、波、德、中国等国对煤炭地下气化进行了长期的大量的实验室和自然条件下的研究,取得的成就主要有以几个方面:
1.对不同煤种、不同矿床、水文地质条件埋藏的煤,采用不同的煤层气化方法和流程,生产出大量的煤气,基本上实现了工业化。前苏联到1990年底已气化用掉了1500多万吨煤,生产了500多亿立方米的煤气。美国到1990底,累积气化时间达800天,气化用掉了近5万吨煤。
2.从技术上基本解决了不同煤种褐煤、烟煤到无烟煤的气化方法,煤气热值可从3.35-4.19MJ/m3(空气鼓风),提高到11.72MJ/m3(氧-蒸汽鼓风)。
3.掌握了烟煤、褐煤层中开拓气化通道的各种方法,并研究出新的贯通方法与薄煤层中深达500米的定向钻孔联通技术,并生产了相应的各种设备。由于定向钻进,定向爆破技术的发展,可使钻孔间距由35米增大到50米、60米甚至100米,而不增大气化煤的损失。美国最大的定向钻进距离已高达270米。
4.高效率大容量燃气透平风机已经成批生产,容量达2800-3260m3/min,基本上解决了气化站电耗问题,一般电力鼓风耗电相当于煤气总量的25%,而燃气透平只耗8-10%。
5.低热值燃气轮机已成批生产,除俄罗斯圣彼得堡金属工厂制造外,欧洲阿尔斯通公司、英国林肯燃气轮机厂都生产各种规格的低热值燃气轮机,分4.35-13MW、17-43MW以及57.7-262MW等规格。这就为动力煤气用于电厂燃料创造了良好条件,扩大了地下气化煤气的市场。
6.成功地掌握了气化煤田勘探与疏干方法,并相应地设计与生产了大批适合于地下气化的勘探设备,钻孔设备和排水设备。
7.对地下气化过程的管理与控制有了一批自动化仪表,如测量火焰工作面前沿位置,形状和温度,测量煤气泄漏的指示仪,测量地面下沉的自动化工具等,为控制和管理气化过程创造了条件。
8.基本上解决了生产动力煤气的经济问题。已有少数气化站生产煤气的成本低于相同条件的矿井开采的生产成本。
煤炭地下气化虽取得上述成就,但由于发展历史较短,还有许多工程问题、技术问题、经济问题以及理论问题需要解决。
(1)传统的煤炭地下气化工艺的一个缺点是大量的热量散失到气化炉周围的岩层中,另一热损失是随生成的煤气带走大量的热。当用空气作气化剂时,其组分的79%是氮气,空气煤气带走大量的热,煤的化学能仅仅55-65%转换成煤气。这种煤气在出气孔前温度高达700-800°C,为了改善出气孔的运行条件,不得不人为的将温度冷却到150-250°C,这部分热能也未被充分利用。被冷却煤气中水的热函达15-20%。而当用空气做气化剂时,地下气化过程中损失到周围岩石的热量,在热量平衡中占15%。俄罗斯南一阿宾斯克两个气化炉执量平衡表1列出了这些数据(煤层厚度2.2m,烟煤)。降低非生产性的热量损失15-20%(从30-35%降到15%)则可将空气气化剂气化的有效利用系数从55-65%提高到75-85%。而当用纯氧气化时,还可在此数据基础上再提高5.10%。
表1地下气化过程的热平衡
| 热量来源 | 气化炉% | 热量消耗 | 气化炉% | ||
| No7 | No7 | No9 | No9 | ||
| 燃烧热: | |||||
| 煤的燃烧热 | 99.05 | 99.2 | 干煤气 | 52.4 | 64.8 |
| 泄漏的煤气 | 3.91 | 4.8 | |||
| 热函: | 热函: | ||||
| 干煤 | 0.08 | 0.08 | 干煤气 | 3.74 | 3.77 |
| 湿煤 | 0.02 | 0.02 | 泄漏煤气 | 0.28 | 0.74 |
| 空气气化剂 | 0.43 | 0.37 | 煤气水份 | 21.76 | 12.35 |
| 外来水 | 0.28 | 0.16 | 泄漏煤气水份 | 1.61 | 1.1 |
| 冷凝水 | 0.14 | 0.16 | 抽出的水 | 0.39 | 0.27 |
| 合计 | 100 | 100 | 灰渣 | 0.07 | 0.07 |
| 向周围岩石损失的热量 | 15.8 | 12.1 | |||
| 合计 | 100 | 100 | |||
(2)传统的煤炭地下气化工艺的另一个缺点是用空气鼓风时所获得的煤气热值太低。
苏联的五个地下气化站,美国早期试验的地下气化以J及英国、日本、捷克、波兰等所生产的煤气热值都很低,只能作为动力燃料,不能作其它用,更无法作为合成原料气。另外鼓风和煤气的漏损较大,一般达10-20%。表2列出了俄罗斯库兹巴斯矿区南阿宾斯克气化站1956.1991年近40年的数据。
表2南—阿宾斯克地下气化站煤地下气化结果1956-1991年
| 地下气化炉的深度 | 气化炉编号No | 煤层厚度 m |
工业储量万吨 | 已气化煤 | 所产气体 亿m3 |
煤气漏失 % |
煤气热值 MJ/m3 |
产气率 m3/kg煤 |
空气消耗 m3/m3 |
|
| 万吨 | % | |||||||||
| 50 | 1 | 8-9 | 2.24 | 1.543 | 68.9 | 0.554 | 27.0 | 4.84 | 3.5 | 0.83 |
| 145 | 5B(Ⅰ),5,598 | 8-9 | 40.121 | 35.548 | 88.9 | 12.718 | 21.3 | 4.3 | 3.6 | 0.94 |
| 200 | 5B(ⅡⅢ),8,10,11,16 | 8-9 | 113.423 | 77.647 | 68.5 | 30.793 | 15.0 | 4.09 | 4.0 | 0.86 |
| 300 | 11,14,16 | 8-9 | 54.44 | 28.065 | 51.6 | 12.577 | 9.6 | 3.68 | 4.5 | 0.82 |
| 230 | 11,12,13,15 | 3.8 | 59.45 | 58.276 | 98.0 | 26.773 | 13.4 | 3.45 | 4.6 | 0.88 |
| 134 | 2,3,6,9,7 | 2.2 | 22.107 | 16.654 | 75.3 | 7.07 | 12.1 | 3.24 | 4.2 | 0.89 |
| 300 | 17 | 3.0 | 6.6 | 6.98 | 106.0 | 2.94 | 8.9 | 3.18 | 4.6 | 0.84 |
(3)传统的煤炭地下气化工艺的缺点还在于地下气化过程稳定性差和可控制性差。由于煤炭地下气化过程本身的复杂性及地下煤层赋存条件、周围岩石结构复杂,可变因素太多,加上地面监测仪器跟不上实际需要,无法全面了解地下气化炉的工况,加上气化过程中顶板冒落与地表塌陷还不能人为控制,直接影响了地下气化炉的气化工况和气化炉的密闭性能,再加上很难控制气化过程中水的渗入,不能完全杜绝地下水过多浸入火焰工作面而中断气化过程。
(4)气化工作面的准备工作速度落后于气化反应速度,钻孔工作量与准备工作量太大,约占煤气成本的30-35%。为此,必须提高气化工作面的准备速度包括钻孔和贯通技术,有井式气化炉的开拓技术等。
(5)目前气化炉的结构,供风方式也存在需要改进的地方,钻井式气化炉,钻孔直径若太小,不能保证足够的供风量和煤气大量生产的需要,供风后,新鲜风不能立即到达燃烧工作面,而需经燃空区,气化剂已在沿途被消耗了一部分,到气化区时,氧的浓度已大大降低,加上沿途的扩散和渗漏,气化剂不能充分在气化段发挥作用。
三、国际上煤炭地下气化产业化开发的动向
俄罗斯地下气化专家克列宁一直从事煤炭地下气化新工艺的研究,他总结了前苏联煤炭地下气化的全过程,对库茨巴斯煤田烟煤气化有如下一些规律:
1)随煤层厚度减小,煤气的热值显著降低;
2)过量的地下水对煤炭地下气化产生不利的影响,在疏干很好的地段1号地下气化炉,获得煤气热值高达4.4MJ/m3,随着煤炭地下气化往深部进行,气化区地下水在加大,煤气的热值在降低。这从2号煤层和9号煤层看得非常清楚。
原苏联近60年煤炭地下气化历史得出的主要结论是:采用传统的钻井式工艺可以保证煤炭地下气化企业连续生产,用空气鼓风可获得热值3.2-4.2MJ/m3的煤气。这一结果的获得是大量的科学研究、工艺开发、现场试验、半工业性煤炭地下气化试验的结果,为此也投入了大量的人力、物力和财力,历时半个世纪,图1是原苏联试验过的各种形式的煤炭地下气化方案。很显然,不是所有的方案都获得实际运用。例如煤先进行人工破碎的方案,鼓风和煤气经天然储藏的孔隙和裂缝过滤的方案。
图1前苏联煤炭地下气化试验过的流程分类
然而,传统的煤炭地下气化工艺的不稳定性和不够持久性,它的惯性大,产生的煤气热值低,气化效率低(50-60%),损失在地下的煤和煤气多(分别为20和15%)以及工艺的生态保证差,仍是它的主要负面特征。
上述这些缺点促使人们寻找煤炭地下气化的新工艺,克列宁和俄罗斯其他专家已开发了具有下列特征的煤炭地下气化新工艺。新工艺的每个单元都在天然条件下进行了试验,目前正在库兹茨巴斯建工业试验装置。
1.完善气化流程和地下气化炉结构,以便达到使气化剂与燃烧的反应工作面在积极的和定向的相互作用。煤炭地下气化新工艺气化炉的示意图见图2。
图2煤炭地下气化新工艺气化炉示意图
1、沿煤层设置的供风钻孔;2、沿煤层布置的出气孔;
3、煤层;4、气化通道;5、由冒落片邦充填的燃空区;
6、最初的气化通道;7、沿送风钻孔可移动的供风点。
新的地下气化炉由一个进气孔,一个出气孔和气化通道构成,气化通道长数百米,进气孔的供风点随气化通道的变化而变化,始终实现向反应的煤层面直接供给气化剂。由于气化剂与清洁的工作面进行剧烈的能量交换,这就提高了燃烧带的温度和煤气中CO对CO2的比值。
2.扩大气化空间和进出气孔直径。气化通道可达数百米,而不是原来的30-40米。进出口由原设计的150-200mm的直径,扩大到0.5-1米的直径,特别对挥发份高,焦油含量高的煤更需扩大出气孔的直径,以便能使1.5万m3/时的煤气输出气化炉。
3.在煤炭地下气化新工艺中,为了提高煤气的热值,采用富氧(40-60%)或纯氧(95-98%)鼓风,这时煤气热值达到8.10MJ/m3,大大的扩大了煤气的应用范围。
4.在煤炭地下气化新工艺中,充分利用一切热能。1)充分利用出口处煤气的物理潜热,通过水环式套管与煤气管进行热交换,使煤气温度由原来的600-700°C降到150-200°C,所得到的热蒸汽用于地面或加热进气化炉的气化剂。这可以提高有效利用系数10%;2)对气化炉周围集蓄的热量可通过两阶段地下气化来回收这部分热能。两阶段地下气化的实质是先向进气孔送富氧水蒸汽,使反应在高温下进行,而后向进气口只通水蒸汽或CO2,通过周围岩石集蓄的热量,使水蒸汽和CO2与碳反应分解为H2和CO;3)气化区域已结束10-15年后,地下水的温度仍达60-70°C,这部分水可抽出来使用,也可抽热气进行利用,因为地下气化炉平均在岩石中集蓄了约1亿兆焦的热能。
5.新的地下气化工艺按指定的方向和燃烧层面进行气化,因而可大大减少煤的丢失,老的气化方式由于气流任意串流,有的煤块可能未进行反应,有的也可能反应不完全而被丢弃。
6.新的工艺还考虑降低进气的压力和利用压抽系统来减少气体的损失。
7.老的地下气化工艺会造成生态方面的缺陷,如地下水的化学污染和热污染,地下气化区域大气遭气化产品和煤热分解产品污染,矿体的整体性和地表遭到破坏。而地下气化新工艺吸取老工艺中环保的不足,从大量的有价值的数据中找出了办法和工程措施,例如地下水受气化产品的污染问题,建立了专用水文观测系统,从中找出解决的办法,在新工艺中采用这些结构设计和工艺参数,使地下气化进行中和完成地下气化以后,地下水遭化学污染和热污染达到最小程度。
美国出于社会、经济和生态考虑,地下气化在八十年代后期进行得非常活跃,大部分用富氧一水蒸汽气化,所得煤气热值达10-12MJ/m3。美国劳伦斯国家实验室研究提出了一种新的气化工艺CRIP,气化炉设计采用气化剂直接鼓到反应工作面。1981年在急倾斜煤层(靠近考林沙城),经65天试验,气化用掉8370吨煤,干煤气的平均热值为11.72MJ/m3。后来在水平煤层进行了试验,其中最引人注目的是1987年11月至1988年2月进行的洛基山-1号试验,历时100天,平均气化煤量为130吨/天。煤气平均热值为9.5MJ/m3。
美国“国际能源公司”总裁辛克侗1989年9月8日在肯塔基路易斯维尔召开的国家能源战略会议上就煤炭地下气化在美国的可能性作了报告,并提出了某些战略性的观点。报告中列出了煤炭地下气化和地面气化结果的比较,引起了予会者极大的兴趣。作者认为,煤炭地下气化气体组成非常接近地面固定床气化炉,见表3。
表3煤炭地下气化与地面气化主要工艺参数比较
| 参数 | 煤炭地下气化 | 鲁奇地面气化 | |
| 急倾斜煤层 | 倾斜煤层 | ||
| 气体组成% | |||
| CO2 | 32.6 | 35.6 | 31.6 |
| CO | 17.4 | 12.3 | 16.9 |
| H2 | 30.2 | 39.6 | 39.4 |
| CH4 | 18.2 | 9.4 | 9.0 |
| C2H6 | 0.9 | 1.6 | — |
| H2S | 0.2 | 0.8 | 0.2 |
| N2 | 0.1 | 0.1 | 1.6 |
| 热值MJ/m3 | 11.72 | 9.5 | 8.98 |
| 氧耗KgO2/kg煤 | 0.4 | 0.6 | 0.5 |
| 热效率% | 83 | 85 | 76 |
以天然气为原料重整以及地面煤气化和地下煤气化生产合成气的经济指标列于表4。地面气化的数据取自7种不同类型气化炉的生产结果,而利用煤炭地下气化生产各种产品原料与地面煤气化法相比的运行费用列于表5。
表4煤炭地下气化和地面气化以及天然气重整生产合成气的投资比较(566万m3合成气的基础生产体积)
| 指标 | 天然气重整 | 地面气化方法 | 地下气化方法 | |||||||
| ГKT | 德士古 | BГK | 西屋 | 鲁奇 | 高温 温克尔 |
壳牌 | 缓倾斜煤层 | 急倾斜煤层 | ||
| H2/CO | 5.4 | 0.45 | 0.85 | 0.58 | 0.8 | 2.2 | 0.7 | 0.47 | 1.1 | 1.7 |
| 生产热量,1000MJ/天 | 75.4 | 67.8 | 68.2 | 80.9 | 85.9 | 112.4 | 75.1 | 67.8 | 68.2 | 26.0 |
| 基建投资,百万美元 | 229 | 716 | 691 | 518 | 636 | 922 | 552 | 602 | 403 | 38 |
| 原料成本,美元/克焦尔 | 4.76 | 1.65 | 1.65 | 1.65 | 1.65 | 0.99 | 0.99 | 0.99 | 0.10 | 0.08 |
| 合成气(CO+H2) 成本其中原料和燃料 |
5.94 | 3.13 | 2.6 | 2.33 | 2.39 | 1.83 | 1.5 | 1.5 | 0.15 | 0.08 |
| 其它生产费用 | 0.8 | 2.66 | 2.26 | 1.4 | 1.88 | 1.29 | 1.98 | 2.1 | 2.07 | 1.24 |
| 折旧 | 2.32 | 8.6 | 8.25 | 5.22 | 6.03 | 6.68 | 6.0 | 7.24 | 5.17 | 1.14 |
| 总计美元/克焦尔 | 9.06 | 14.39 | 13.11 | 8.95 | 10.31 | 9.80 | 9.48 | 10.84 | 7.39 | 2.46 |
表5煤炭地下气化与地面气化工艺效益的比较
(按运行费用)
| 产品—原料 | 地面气化工艺 | 煤炭地下气化的成本/煤炭地面气化的成本·100% |
| 合成气 | 德士古气化 | 57 |
| 替代天然气 | 鲁奇气化 | 87 |
| 替代天然气 | 西屋气化 | 90 |
| 替化天然气 | 其它气化方法 | 82-88 |
| 电能 | 蒸汽透来联合循环发电 | 73 |
美国研究者得出如下主要结论:
(1)生产合成气(CO+H2)的运行成本,煤的地下气化法比地面气化法要低;
(2)煤炭地下气化的基建投资,按相近规模企业比较,要低得多;
(3)煤炭地下气化的经济指标,在较低生产能力的企业为最好;
(4)煤炭地下气化所得合成气完全可以和天然气重整获得的类似产品竞争。
美国的研究同样指出:煤炭地下气化企业具有可变特性,即在不需要增加太大投资的情况下可扩大生产能力;煤炭地下气化的原料基地比传统可能开采的煤要大好多倍;煤炭地下气化企业能满足环境保护所有新提出的各种要求。
英国和欧共体共同开发煤炭地下气化,其目标为1000米以下深部煤层的气化。1979-1987年在图林(比利时)进行了试验,1993-1998年在泽玛达(西班牙)进行了现场试验,建立了第三代煤炭地下气化炉,技术水平属世界先进。
1)地下气化炉建造技术。由地面向煤层施工定向钻孔,已完成在深500米的煤层建造气化炉。钻孔内置注气管,管内置熵断管。
2)化学点火技术。由熵断管注入硅烷,硅烷遇氧自燃,温度1300°C将煤层点燃,可重复点火,工艺简单。
3)管线注气技术。定向钻孔内置放注气管,解决了煤炭地下气化注水蒸汽的问题,使生产中热值煤气成为可能,实现了精密注气和煤气生产的连续、稳定可靠。注氧量1500m3/h,注蒸汽量300m3/h,煤气产量7500m3/h,煤气热值10.89MJ/m3,煤气组成CO 14-16%,H239.2-41%, CH4 9.3-11.4,CO231.5-37.5%。
4)注气点可控后退技术。将熵断管拉出20米,注硅烷,硅烷自燃,将注气管烧断,则注气点后退20米,实现气化过程的精确控制。
5)提高生产能力。气化炉日产中热值煤气15-25万m3,日气化煤100-180吨。目前正发展导向钻进技术,降低定向钻孔造价(定向钻孔每米成本1260美元)和完善定向钻孔气化炉,实现规模生产。
四、我国煤炭地下气化开发概况
我国在58年至60年间,曾在鹤岗等16个矿区进行了煤炭地下气化试验,取得了一些初步结果,此后相当长时间再未进行试验。85年中国矿大在徐州马庄矿用无井式气化,八十年代末中国矿大余力教授等又提出“长通道,大断面,两阶段煤炭地下气化工艺”,94年3月在徐州新河二号井进行了煤炭地下气化半工业试验,此后又在唐山刘庄、山东孙村矿、曹庄矿、山西昔阳等地进行了试验,原煤炭部柴兆喜同志97年9月在哈尔滨依兰矿试验了“气化矿井”技术,以后河南义马、鹤岗、新密等地进行了试验。总共点火十处,均获得了成功。从这些试验中可以看到:
1.这十处试验的煤种从长焰煤到无烟煤,煤牌号范围较宽,比国外任何一个国家试验的煤种都宽,煤层厚度从1.8到4米左右,倾角从13-14°到70°均进行了试验。均可较稳定地生产出热值为5MJ/m3左右的空气煤气和12MJ/m3左右的水煤气。这为我们大范围推广积累了经验。
2.在山东新汶的孙村矿、曹庄矿已将煤气用于城镇居民烧饭,并开展了煤气发电的试验研究工作,山西昔阳已将煤气用于化肥厂的锅炉,取得了一定的经济效益和环境效益。
3.国内实施的这两种气化方法起点较高,不少已实施的措施是国际上正在开始研究和实施。如气化通道加长加大,两阶段气化,压抽相结合,出气孔环形夹套水冷却,双炉交替运行,正反向燃烧气化,多功能钻孔的应用,注气点后退工艺等,我们具有不少自主知识产权的气化技术。
4.气化炉产气的稳定性、连续性以及控制气化炉气化的手段,气化炉各种参数的测控技术,气化炉的运行规律,包括煤炭地下气化的气化理论,煤炭地下气化产业化等方面还需要作大量的工作。
5.地下气化炉的炉体设计,结构尺寸,如何适应大工业生产的需要,地下气化炉的冷态试验,点火开工都需要制定出规范性的文本,再在实验中不断充实完善。
6.煤炭地下气化所得煤气的净化处理还不系统,还不完备,煤气的利用也有待于进一步开发,煤炭地下气化的规模还太小,完整的技术经济指标还无法得到。
7.深部煤层的地下气化研究与开发在我国目前还是空白,也应引起地下气化工作者的关注。
有关这方面的专题论著已有不少,这里仅仅提出一些看法供讨论。
参考文献:
〔1〕煤炭地下气化新工艺的研究
胡益之闫守三等太原煤炭气化总公司1993.11
〔2〕苏联煤炭综合利用新方法——煤的地下气化和煤制液体燃料
鲁、苏、彭、冀、晋四省一市煤炭加工利用学术交流会资料
胡益之闫守三1989年7月
〔3〕煤炭地下气化技术调研报告
山西煤炭工业管理局
山西煤炭工业厅1998年5月
〔4〕煤炭地下气化
李耀娟田玉璋王在平东北工学院1982年
〔5〕煤炭地下气化文献报告
吴奇虎中科院煤炭研究室1959年2月
〔6〕两阶段煤的地下气化
克列宁固体燃料化学1990年6期
〔7〕煤炭地下气化的近况及发展趋势
克列宁固体燃料化学1992年3期
〔8〕煤层地下气化新工艺
克列宁固体燃料化学1995年6期
〔9〕煤炭地下气化技术新工艺理论与实践体系
余力煤炭工业地下气化技术研讨会论文集2001年11月
〔10〕开发矿井气化技术建立煤基优质能源结构
柴兆喜煤炭工业地下气化技术研讨会论文集2001年11月
〔11〕关于煤炭地下气化技术发展的探讨
王敦曾煤炭工业地下气化技术研讨会论文集2001.11
〔12〕矿井报废煤炭资源地下气化技术的研究
梁杰、余力煤炭工业地下气化技术研讨会论文集2001.11