第二十二章煤炭地下气化.docx

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第二十二章煤炭地下气化

第二十二章煤炭地下气化

第一节煤炭地下气化原理

煤炭地下气化是开采煤炭的一种新工艺。

其特点是将埋藏在地下的煤炭直接变为煤气，通过管道把煤气供给工厂、电厂等各类用户，使现有矿井的地下作业改为采气作业。

煤炭地下气化的实质是将传统的物理开采方法变为化学开采方法。

煤炭地下气化因具有安全、高效、低污染等优点，所以世界各国对此都非常重视。

我国于1958年在几个矿区曾进行过地下气化的实验，最近又在马庄矿、新河矿进行了试验，取得了一些经验。

煤炭地下气化的原理如图22-1所示。

首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的巷道1和2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称之为气化盘区，或称地下发生炉。

图22-1煤炭地下气化原理

1——鼓风巷道；2——排气巷道；3——灰渣；4——燃烧工作面；

I——氧化带；

——还原带；

，

——干馏-干燥带

最初，在水平巷道中用可燃物质将煤引燃，并在该巷形成燃煤工作面。

这时从鼓风巷道1吹入空气，在燃烧工作面与煤产生一系列的化学反应后，生成的煤气从另一条倾斜的巷道即排气巷道2排出地面。

随着煤层的燃烧，燃烧工作面逐渐向上移动，而工作面下方的采空区被烧剩的煤灰和顶板垮落的岩石所充填，但塌落的顶板岩石通常不会完全堵死通道而仍会保留一个不大的空间供气流通过，只需利用鼓风机的风压就可使气流顺利通过通道。

这种有气流通过的气化工作面被称为气化通道，整个气化通道因反应温度不同，一般分为气化带、还原带和干馏-干燥带三个带。

1.气化带

在气化通道的起始段长度内，煤中的碳和氢与空气中的氧化合燃烧，生成二氧化碳和水蒸气：

C+O2→CO2；2H2+O2→2H2O。

在化学反应过程中同时产生大量热能，温度达1200℃到l400℃，致使附近煤层炽热。

2.还原带

气流沿气化通道继续向前流动，当气流中的氧已基本耗尽而温度仍在800～l000℃以上时，二氧化碳与赤热的煤相遇，吸热并还原为一氧化碳CO2+C→2CO。

同时空气中的水蒸气与煤里的碳起反应，生成一氧化碳和氢气以及少量的烷族气体：

4C+3H2O→CH4+3CO+H2，这就是还原区。

3.干馏-干燥带

在还原反应过程中，要吸收一部分热量，因此气流的温度就要逐渐降低到700～400℃，以致还原作用停止。

此时燃烧中的碳就不再进行氧化，而只进行干馏，放出许多挥发性的混合气体，有氢气、瓦斯和其他碳氢化合物。

这段称为干燥带的干馏部分。

在干馏之后是脱水干燥。

混合气体此时仍有很高的温度可气化其中的水分，混合气体干燥后，最后可得到：

CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合气体，其中CO，H2，CH4等是可燃气体，它们的混合物就是煤气。

气化通道的持续推移，使气化反应不断地进行，这就形成了煤炭地下气化。

根据国内外资料，燃烧1kg煤约产生3～5m3（热值4200kJ/m3）左右的煤气。

国内外煤炭地下气化煤气的成分见表22-1所列。

表22-1各国地下气化煤气的主要参数

国家

地点

气化剂

出口煤气主要成分/%

热值

CH4

H2

CO

CO2

N2

O2

kJ/m3

前苏联

安格兰

空气

1.8～1.9

17.6～17.9

4.5～7.5

17.2～20

42.7～58

0.3～0.4

3192～3570

前苏联

莫斯科近郊

富氧65%

1.9

35.0

15.3

28.1

16.2

0.2

6728.4

美国

佳怀明北

空气

0.4

20

10

16

50

——

3780～5460

中国

头山矿

空气

0.3～6.3

6.4～14.3

4.6～18.5

3.9～16.4

45.5～65

2.3～4.8

3251～5515

中国

马庄矿

空气

3.0～9.0

10～20

10～25

20～35

40～60

0.0～0.2

4200～5250

中国

实验室

空气+水蒸气

0.9～2.0

10.6～21.7

12.2～54.1

4.6～12.8

29.5～57.2

0～1.19

4943～8583

第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统

一、煤炭地下气化方法

气化方法通常可分为有井式和无井式两种。

所谓有井式地下气化法如前所述（见图22—1）。

无井式地下气化是应用定向钻进技术，由地面钻出进、排气孔和煤层中的气化通道，构成地下气化发生炉，如图22-2所示。

图22-2无井式地下气化法

有井式气化法需要预先开掘井筒和平巷等，其准备工程量大、成本高，坑道不易密闭，漏风量大，气化过程难于控制，而且在建地下气化发生炉期间，仍然避免不了要在地下进行工作。

而无井式气化法是用钻孔代替坑道，以构成气流通道。

避免了井下作业和有井式气化的其它问题，使煤炭地下气化技术有了很大提高。

目前它己在世界上被广泛采用。

二、无井式地下气化法的生产工艺系统

无井式气化法的准备工作包括两部分：

即从地面向煤层打钻孔和在煤层中准备出气化通道。

从地面向煤层打钻孔可以采用三种形式的钻孔：

垂直钻孔、倾斜钻孔和曲线钻孔。

当钻孔钻至煤层后，在钻孔底部的煤层里，准备出气化通道的工作叫做钻孔贯通工作。

贯通的方法目前有以下几种：

空气渗透火力贯通法、电力贯通法、定向钻进贯通法和水力压裂法。

根据煤层赋存条件的不同，其生产工艺系统也有差异。

对于近水平煤层和缓斜煤层，在规定的气化盘区内，先打好几排钻孔。

钻孔采用正方形或矩形布置方式，孔距20～30m，如图22-3中的（a）所示。

钻孔沿煤层倾向成排地布置，每排钻孔的数目取决于气化站所需的生产能力。

图22-3逆流火力作业方式

按作业方式的不同，生产工艺系统可分为两种，即逆流火力作业方式和顺流火力作业方式。

（1）逆流火力作业方式

如图22-3（b）所示，首先贯通第一排钻孔，形成一条点燃线。

然后将第二排钻孔与此点燃线贯通，如图22—3（c）所示，贯通后即可进行气化。

气化时向第二排钻孔鼓风，由第一排钻孔排煤气。

在气化第一二排钻孔之间的煤层时，还要进行第二三排钻孔间的贯通工作，如图22-3（d）所示。

此项贯通工作应在一二排之间的煤层全部气化以前结束，以便按时向第三排钻孔鼓风，而由第二排钻孔排出煤气，如图22-3（e）所示。

以后的火力作业顺序依此类推。

这种燃烧方式的特点是两个钻孔都按照下列顺序起三种作用：

贯通、鼓风和排出煤气。

这种方式煤层的气化方向与鼓风和煤气的运动方向相反，所以称为逆流式火力作业方式。

（2）顺流火力作业方式

钻孔布置与逆流火力作业方式相同。

气化开始前先将第一排钻孔贯通，如图22-4（b）所示。

随后将第二排钻孔与第一排的点燃线贯通，如图中的（c）所示，贯通后即可进行气化。

气化时先由第一排钻孔鼓风，由第二排钻孔排出煤气，如图中的（d）所示。

第一二排钻孔进行气化的同时，贯通第二三排钻孔。

当—二排钻孔间煤层气化所得的煤气热值降低到最低标准时，就开始把第三排钻孔投入生产。

此时向第二排钻孔鼓风，而由第三排钻孔排出煤气，如图中的（e）所示。

余下依次类推。

图22-4顺流火力作业方式

顺流火力作业方式的特点是：

煤层气化方向与鼓风和煤气运动方向相同。

由于顺流火力作业方式能够利用煤气的余热，使煤层受到顶热，因而能够改善气化过程，提高煤层气化程度，从而使煤层的生产成本降低。

三、地下气化效果的主要影响因素

影响地下气化的因素很多，但主要的影响因素有以下几个方面。

（一）供氧量

鼓风的压入强度和鼓风中的氧气浓度对地下气化的效果有直接影响。

前苏联分别用空气和富氧空气作为气化剂进行试验，所得的煤气成分见表22-2所列。

实验表明，供风量越大，气化剂含氧量越高，煤气的热值就越高。

表22-2烟煤气化数据

气化剂种类

生成气体所占体积/%

热值/kJ·m-3

H2

CH4

CO

CO2

O2

N2

空气

14.0

1.8

16.2

10.2

0.2

57.6

4229

富氧空气（O2，37%）

21.0

2.5

22.1

15.5

0.2

38.7

5987

富氧空气（O2，48%）

28.2

3.5

26.1

15.4

0.3

26.5

7645

采用富氧鼓风，不仅可以提高煤气的热值，而且在制氧过程中还可以从空气中分离出氩气、氙气和氖气等惰性气体，这不仅在技术上可行，经济上也是合理的。

（二）温度与含水量

气化通道中的温度，煤田的含水量也是影响地下气化的因素。

保持高温是提

高地下气化强度的必要条件之—。

高温可以加快物质之间的化学反应速度，但目前对温度的控制比较困难。

另外，在相同的条件下，气化通道内气体流动状态也直接影响着气化反应速度，采用脉动鼓风可以使煤气的热值提高2～3倍。

适量含水有助于提高煤气质量，而含水过多将使温度降低，影响气化效果。

含水量的适宜性随气化工作面温度的高低而变，目前，在温度不易控制的条件下，其含水量功亦难以控制。

（三）其他因素

气化通道的长度是影响气化的另一个重要因素。

目前定向钻进技术限制了通

道的贯通长度，但一致认为，通道应满足气化反应四个区的要求，一般认为通道长些较为有利，100m以上才能满足气化的实际要求。

对于不同的煤层，不同的通道断面，不同的气化剂，气化通道存在一个合理的长度范围。

此外，煤层的赋存条件也是影响气化过程的一个因素。

通道的断面大小对气化过程也有影响。

第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向

煤炭地下气化可以使埋藏过深或过浅不宜用井工开采的煤层得到开发，它不但改善了矿工的劳动条件，而且气化对地表破坏较小，没有废矸，还有利于防止大气污染。

煤炭地下气化的经济效益较好，其投资仅为地面气化站的1/2～1/3。

一般来说，多孔而松软的褐煤及烟煤厚煤层比较容易气化，而薄煤层，含水分多的煤层和无烟煤较难气化。

稳定而连续的煤层，顶底板透气性小于煤层的透气性以及倾角超过35°的中厚煤层对气化更为有利。

利用气化去回收报废矿井的煤柱、边角煤业是国内外气化的一个方向。

煤炭地下气化自实验以来，得到了较迅速的发展，但至今尚未进入实用推广阶段。

世界各国对煤炭地下气化均相当重视，投入广大员的物力和人力来发展这一新型采矿技术。

因此地下气化也出现了许多新的动向。

一、无井式长壁气化法

为了提高煤气的质星和产量，国外实验了无井式长壁气化法。

它是从地面钻定向弯曲钻孔，当钻孔到达煤层后，在煤层中直接贯通。

贯通后，在钻孔的底部点火进行地下气化。

由钻孔的一端鼓风，从钻孔的另一端排出煤气，如图22-5所示。

图22-5长壁气化法及地面电站简图

1—压缩空气；2一气液分离器；3—热交换器；4—发电厂；5—煤气净化设备；

6—水净化循环装置；7一压缩与燃烧气体混合器；8—空气；9—煤气；10一煤层；

11—气化带；12—监测与控制钻孔

这种方式完全取消地下作业，但钻孔和定向弯曲钻孔要求技术水平高。

该站的煤层条件是煤厚2m，埋藏深度300m，钻孔水平钻进50m。

实际上水平钻进可达90～100m。

二、煤炭地下燃烧工艺

用煤炭地下燃烧工艺来回收被以注采煤所遗弃的煤柱。

目前，该试验正在国外几个煤田进行工业性实验，其目的是将煤的热值转化为热能，以供民用或工业使用，提高煤炭资源的利用率，同时还可以获得化学能（H2、CO、CH4）所采用的煤炭地下燃烧工艺如图22-6所示。

图22-6煤炭地下燃烧工艺

该工艺主要是采用抽风机造成负压，将燃烧产生的高温气体（300～600℃）通道热交换器使水变为蒸气供发电和民用。

钻孔为过气孔，根据煤层的赋存条件进行布置。

三、对地下气化区燃烧面位置与温度的控制

地下气化燃烧面位置与温度的控制是一个难题，目前美国已使用卫星红外摄影进行监控。

它可以探明燃烧面的确切位置和温度情况，从而用调节供氧量和供水蒸气量来控制其温度，提高或降低燃烧面的气化强度，提高煤气热值，试用效果良好。

该矿气化产品价格已达商业应用标准，但卫星监控费较高，若计入卫星租用费成本仍太高，而不用卫星监控地下气化情况不明，气化效果和煤气质量难以控制。

四、气化、化工联合企业的发展

地下气化得到的煤气不仅可供民用，还可发电。

煤气中除可燃气体以外，还伴生有许多重要的化学物质，如酚、苯、吡啶、油酸、硫等物质。

因此地下气化站不仅可以作为动力企业，而旦作为化学联合企业也是合适的。

表22-3为煤进行气化和焦化时产生的化学产品资料。

表22-3煤气化或焦化的产品

化学产品

吨煤产量

地下气化

焦化

氨/kg

3～12

2～4

吡啶基/kg

0.3～2.4

0.12～0.20

苯系碳化氢/kg

3～12

9～16

硫化氢/kg

1～2

0.6～2

树脂/kg

1.5～2

20～50

煤炭地下气化作为一种开发地下煤炭资源的新技术，目前在世界各主要产煤国均在进—步研究，煤炭地下气化的理论也在不断地深化与完善。

复习思考题

1．叙述煤炭地下气化的原理和过程。

2．试分析缓倾斜煤层无井式气化工艺系统的特点。

3．如何提高煤炭地下气化的效果和煤气的质量。

4．试分析煤炭地下气化的使用条件和发展前景。