采矿新技术煤炭地下气化技术研究现状.docx
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采矿新技术煤炭地下气化技术研究现状
（采矿新技术）煤炭地下气化技术研究现状
煤炭地下气化技术研究现状
摘要：
文章简要介绍了国内外煤炭地下气化的发展概况，与传统的煤炭地下开采相比，煤炭地下气化技术具有安全、高效、污染少等优点，是我国开展节能减排、调整能源结构和发展绿色经济的重要途径，积极推进煤炭地下气化技术研究和示范应用具有战略意义。
为探讨不同煤层条件下地下气化技术，深入研究了煤炭地下气化有井式和无井式气化炉结构及其工艺参数技术，最终得出有井式“长通道、大断面、两阶段”气化工艺较为成熟，在我国有很好的应用前景，无井式气化技术以其的独特的优势最终会取代有井式气化。
关键字：
煤炭地下气化；绿色生产；有井式；无井式
中图分类号:
TD841文献标志码:
A
PresentStatusofUndergroundCoalGasificationTechnology
Abstract:
Thispaperbrieflypresentsthedevelopmentsituationofundergroundcoalgasification（UCG）technologyathomeandabroad.Comparedtotraditionalundergroundcoalexploitation,theUCGtechnologyhasadvantagesofsecurity,highefficiencyandlesspollutionandisanimportantapproachforChinatocon-serveenergy,reducepollutionemission,adjustenergymixanddevelopgreeneconomy.ItisofstrategicsignificancetoactivelypushtheexperimentalstudyanddemonstrationapplicationofUCGtechnology.Inordertodiscussthestructureandgasificationtechniqueoftheundergroundcoalgasifierunderdifferentseamconditions，In-depthstudythestructureandthetechnicalparametersoftheshafttypeandnoshafttypegasifierwerestudiedandcomingtothewelltypelongchannel，largecrosssection，twostagegasificationtechniquetechnologyismorematureattheend，thereisagoodprospectinourcountry,nowelltypegasificationtechnologywillreplaceawelltypegastechnologyeventuallyforitsuniqueadvantages.
Keywords:
undergroundcoalgasification;greenproduction；welltype;nowelltype
前言
煤炭地下气化（UndergroudCoalgasification，UCG简称UCG）技术是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤层的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程，以建井、井工采煤和地面煤气化理论和技术为基础，变传统的物理采煤为化学采煤，适用于回收老矿井遗弃煤炭资源，井工开采困难或开采经济性差、安全性较低的低品位煤层（高灰、高硫、低发热量等）、深部煤层等，可提高煤炭资源利用率，是煤炭开采利用技术的重要补充，是新型的绿色采矿技术[1]。
其主要优点表现在：
煤炭地下气化后燃烧的灰渣留在地下，减少了对地面塌方、地下水的流失等对地表环境造成的破坏[2]；煤气可作为燃料用于民用、发电、工业锅炉燃烧，也可作为原料气生产甲烷、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等，或用于提取纯氢，是开发煤基清洁能源的新技术［3］。
鉴于UCG技术的显著优点，自20世纪初，世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和应用，并取得了丰硕的成果［4］。
1国内外研究现状
煤炭地下气化技术研究与发展至今，形成了2种技术类型，即有井式UCG技术、无井式UCG技术。
我国在实验室试验研究的基础上，完成了多次现场试验，并取得了良好效果。
1.1国外研究现状
1979年联合国“世界煤炭远景会议”明确指出，“发展煤炭地下气化是世界煤炭开采的研究方向之一，是从根本上解决传统开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径”。
多年来世界各国都在积极研究试验，探索发展UCG技术的有效途径。
特别是前苏联，20世纪30年代，已成功地发展了煤炭地下气化技术，1955年投产的“南阿宾斯克”气化站正常运行了40年，1961年投产的乌兹别克“安格林”气化站，至今还在商业化运营。
1999年开始，澳大利亚的Cougar、Carbon以及Linc等3家能源公司，相继在该国的昆士兰州建立了UCG现场试验项目，生产的煤气用来发电以及合成天然气[5]。
进入21世纪以来，许多国家意识到发展UCG对环境、能源有着非同寻常的意义，美国、英国、南非、印度等国的UCG工作进展较快，均取得工业性试验的成功，并已经运用UCG建成了几个大型发电站[6]。
UCG分为有井式、无井式以及两者兼有的混合式3种基本气化模式。
国外多采用“无井式”UCG技术，贯通期长，成本高，适合用于10m以上特厚煤层或千米深处。
而有井式适合用在矿井或报废煤矿中，可满足我国报废煤矿井进行再利用的需要。
UCG开发运营模式主要是以英国为代表的在政府直接领导下的开发模式和以澳大利亚为代表的在州政府监控下的能源公司开发模式。
国外UCG的发展趋势是:
（1）UCG与燃气蒸汽联合循环发电结合（UCG-CC），如英国已装机346.2万kW,南非已装机210万kW，新西兰已装机36万kW等；
（2）UCG提取廉价氢气产业、UCG制氢与燃料电池（AFC）发电产业的结合。
波兰的Barbara煤矿已实现UCG制氢，并于2010年4月用于燃料电池发电；（3）UCG与碳捕捉、利用、储存产业的结合（UCG-CCS）。
通过对CO2的分离可以使CO2得到捕捉、利用和储存[7]。
如美国利用UCG得到的CO2提高采油的回收率，英国利用UCG得到的CO2提高煤层气的回采率等[8]。
1.2国内研究现状
UCG技术研究在我国始于1958年。
在学习前苏联经验的基础上，中国煤炭科学研究院开展了UCG的研究和试验工作，并在鹤岗、大同等16个矿区进行了UCG试验。
从1984年开始，中国矿业大学余力教授等开始了“有井式”UCG技术研究和工业试验工作，大大推进了我国的UCG事业。
1990年，UCG半工业性试验被列入国家“八五”科技攻关项目。
中国矿业大学“煤炭地下气化清洁能源技术研究所”、“煤炭工业地下气化工程研究中心”等研究单位，承担了UCG技术的研究工作。
另外，上海交大、西安交大、太原理工大学等数十个大学亦开展过有关课题研究。
1992年，原国家科委颁布的我国科学技术中长期发展纲要“白皮书”中明确了UCG技术发展方向，即到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化试验研究并建立商业性煤炭地下气化站。
据不完全了解，我国先后在徐州、唐山、新汶、肥城、昔阳等矿井进行了UCG的工业性试验和产业化探索。
山东新汶矿至今已持续10年生产煤气供民用和发电，内蒙古乌兰察布、甘肃华亭等UCG项目目前也在生产煤气和发电[9]。
至此，UCG技术在我国不同煤层地质条件下已完成了工业性试验及初步的商业化推广应用，所生产的低热值、中热值的煤气以及水煤气已被开发用于民用及发电。
在基础理论、工程设计和仪器装备各方面都进行了配套的系统研发[10]。
应该说，我国已基本掌握了UCG技术，具备了原国家科委要求在2020完成UCG产业化的条件，需要尽快由目前的工业化试验阶段进入示范应用阶段，在我国节能减排、资源的综合利用、煤炭安全生产和矿区生态环境改善中发挥重要作用。
2有井式煤炭地下气化技术
有井式地下气化技术特点是可以在井下加工煤层，并可实现在井下就近操作，以控制注气点和气流流动区域。
煤层加工方法主要有2种：
一是在煤层内放置炸药，爆破松动煤层，以提高煤层渗透性；二是在煤层中施工疏松巷道，以避免煤层全部松动后，气流难以控制的缺点。
有井式气化炉进/排气通道是钻孔、井筒、巷道或是在井筒和巷道中铺设的管道，气化通道是人工掘进的煤巷。
2.1爆破松动煤层气化工艺
20世纪50年代，前苏联进行了3次爆破松动煤层气化工艺［11］。
在莫斯科近郊煤田进行了2次气化区全爆破松动煤层气化试验，气化煤量1000t，气化剂为空气，气化盘区用坑道和砖墙包围（图2—1），盘区1长×宽为10m×10m，盘区2长×宽为25m×16m；试验过程产气成分为：
体积分数2.5%～7.5%的CO2，12.0%～18.0%的O2，0.1%～1.0%的CO。
试验表明，煤气生产过程不稳定，煤气质量较差，煤气中氧含量较高，说明空气发生了窜流，即气化炉进口空气没有经过燃烧区，通过松动的煤层裂隙直接流动到了气化炉出口。
在顿涅茨克里希查煤田进行了第3次温控爆破松动煤层气化试验，采用炸药自动引爆，产气成分为：
体积分数10%～12%的CO2，1%～2%的O2，12%～14%的CO，1%～3%的CH4，14%～17%的H2，热值为3.17～4.52MJ/Nm3；由于燃烧时间较短，被松动的煤层很不均匀，导致难以连续获得可燃气体[12]。
图2—1有井式气化炉
2.2“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺
在研究总结各国UCG工艺的基础上，结合我国报废煤炭资源逐年增多的国情，1990年以余力教授为首的科研团队提出了具有世界先进水平的“长通道、大断面、两阶段”的UCG新工艺，以钻孔作为气化炉的进/排气孔，以矿井已有的井巷条件施工气化通道[13]。
“长通道、大断面”气化炉结构如图2—2所示，由于气化通道是人工掘进的煤巷，因此通道可根据煤层条件而延长，断面相对于定向钻进等方法形成的气化通道断面要大得多。
两阶段工艺则是向气化炉循环供给空气（或富氧空气）和水蒸气，每个循环由2个阶段组成，第1阶段鼓空气燃烧蓄热，并产生鼓风煤气；第2阶段鼓水蒸气发生还原反应产生干馏煤气和水煤气。
在第2阶段，原第1阶段的高温氧化区成为水蒸气分解的还原区，水蒸气分解率提高，生产煤气中氢组分含量明显提高，煤气热值也相应提高，该工艺为煤在地下直接制氢开辟了一条新的技术途径[14]。
图2—2“长通道、大断面”气化炉结构
采用“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺，先后在江苏徐州新河二号井、河北唐山刘庄煤矿、山东新汶孙村煤矿、鄂庄煤矿、山西昔阳杏丹峪煤矿等，针对不同的煤层赋存条件进行了现场试验和生产，在此基础上，进一步完善和发展了“长通道、大断面、两阶段”气化工艺，形成了“分离控制注气点煤炭地下气化炉及其工艺方法”。
刘庄煤矿现场试验第1阶段鼓风煤气和第2阶段水煤气组分、热值和产量分别见表2—1和表2—2。
表2—1鼓风煤气组分、热值和产量测定结果
体积分数/%
热值/
（MJ.Nm-3）
煤气流量/
（Nm3.h-1）
H2
CO
CH4
CO2
N2
10～20
10～25
2～4
7～25
40～65
4.18～5.86
10～12
表2—2水煤气组分、热值和产量测定结果
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