煤炭地下气化的发展前景

朱 劼，阚士凯

(中国矿业大学)

·专题综述·

煤炭地下气化的发展前景

朱 劼，阚士凯

(中国矿业大学)

介绍了煤炭地下气化的原理及其发展状况。从技术角度，论述了煤炭地下气化的经济效益和环境效益，阐述了煤炭地下气化具有广阔的发展前景。

煤炭地下气化；发展状况；环境效益；前景

煤炭地下气化技术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，综合开发清洁能源与生产化工原料的新技术。其实质是仅仅提取煤中的含能组分，而将灰渣等污染物留在井下。煤炭地下气化技术集建井、采煤、转化等多种工艺为一体，大大提高了煤炭资源的利用效率和利用水平，深受世界各国重视，被誉为新一代采煤方法。我国蕴藏着丰富的煤炭资源，目前不仅利用率低，而且井工开采对环境和安全都有很大影响。通过煤炭地下气化，将地下煤炭资源转变成可利用的煤炭及其它产品是解决能源问题的重要途径之一。

1 煤炭地下气化的原理

煤炭地下气化与地面气化原理相同，煤气成分也基本相同，但其工艺型态不同，地面气化过程在气化炉内的煤块中进行，而地下气则在煤层中的气化通道中进行。将气化通道的进气孔一端煤层点燃，从气孔鼓入气化剂(空气、氧气、水蒸气等)。煤层燃烧后，则按温度和化学反应的不同，在气化通道形成3个带，即氧化带、还原带、干馏干燥带。经过3个反应带后，就形成了主要含有可燃组分CO、H2、CH4的煤气。这3个反应带沿气流方向逐渐向出气口移动，因而保持气化反应的不断进行。地下气化炉的主要建设是进、排气孔的施工和气化通道的贯通，根据气化通道的建设方式，把煤炭地下气化分为有井式和无井式，前者以人工开采的巷道为气化通道，后者以钻孔作为气化通道。

2 目前煤炭地下气化的研究状况

前苏联是世界上进行地下气化现场试验最早的国家，也是地下气化工业应用成功的国家之一。1940年在顿巴斯和莫斯科近郊气化站从技术上第一次解决了无井式地下气化问题，并第一个变成煤炭地下气化工业企业。到20世纪60年代末，前苏联已建站12座，所生产的煤气用于发电或作为工业燃料气。二次大战后，煤炭地下气化在美国引起了很大兴趣。1946年，美国首先在亚拉巴马州的浅部煤层进行试验。1987-1988年完成了洛基山—1号试验，获得了加大炉型，提高生产能力，降低成本，提高煤气热值等方面的成果。英国自1949-1956年，先后共进行6次试验。1988年6个欧共体成员国组成了1个欧洲煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,简称UCG)小组，于1998年12月在西班牙Alcorisa完成了深煤层地下煤气化试验。

我国煤炭地下气化试验起步也较早，但技术发展主要在20世纪80年代后。1958-1962年，我国先后在大同、皖南、淮北等许多矿区进行过自然条件下煤炭地下气化的试验，取得了一定的成果。1985年，中国矿业大学在徐州马庄矿遗弃煤柱中进行了现场试验，此后中国矿业大学研究并提出了适用于我国矿井煤炭资源地下气化的“长通道，大断面，两阶段”煤炭地下气化新工艺，先后完成了徐州新河二号井煤炭地下气化半工业性试验和河北唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验。2000年以后“长通道，大通道”煤炭地下气化新工艺在山东新汶孙村、协庄、张庄、鄂庄，山西昔阳，辽宁铁法和阜新等地取得了较好的应用效果，气化煤气用于居民燃气、发电、合成氨和甲醇等。其中，孙村气化站目前日产气量6×104m3,除供1万多户居民用外，还建成400 kW发电机2座，平均月发电量18×104 kW·h;协庄气化站日产气量4×104m3供6 000多户居民民用；张庄气化站，设计日产量15×104m3，规划采用一步法合成二甲醚新技术，建设年产2 000 t二甲醚项目；鄂庄气化站一期工程日产气量10×104m3，供矿区1 000多户居民民用及建成的1台400 kW发电机组使用。

3 煤炭地下气化相关技术

煤炭地下气化相关技术据生产阶段及技术类型可分为煤层勘探、煤炭地下气化炉建设、煤炭地下气化控制、气化煤气的处理等技术。

1) 煤层勘探技术：与其它勘探技术相同，主要利用地质、二维和三维地震及钻井研究煤层在地下的分布状态、厚度等。我国目前发展的主要是有井式气化(即通过人工巷道进行气化)，利用废气煤矿进行地下气化，气化煤的分布状态在煤矿开采过程中多已清楚，所以这一环节在我国目前的煤炭地下气化中也不重要，但随着无井式气化(即通过钻孔进行气化)的发展，配合无井地下气化的独立的煤层勘探技术将被提到重要位置，目前的勘探技术完全能适应煤层勘探的需要。

2) 建炉技术：地下气化炉分为“有井式”和“无井式”两种。“无井式”气化是指气化通道通过钻孔来实现，建炉工艺简单，建设周期短，可用于深部及水下煤层气化，国外大都采用无井式炉型，但由于气化通道窄小，影响出气量，钻探成本高。国内目前所建气化炉都采用有井式，气化炉建在运行中的矿井煤田上，借助矿井的巷道向气化煤层中延伸，气化炉的井下通道建好后，在气化炉与矿井巷道连接的通道中筑一道密闭墙，然后再进行气化炉的点火工作。“有井式”气化可利用老的竖井和坑道，减少建气化炉的投资，可回采旧矿井残留地下的煤柱(废物利用)，气化通道大，容易形成规模生产，气化成本低。由于涉及到巷道的建设，有井式气化对于深部煤炭资源的气化由于较大的地应力和较高的地温并不适用。

3) 煤炭地下气化的控制技术主要包括以下2方面。

a) 煤炭地下气化过程的控制工艺。气化工艺按不同的气化剂种类可分为：空气连续气化、富氧气化、富氧—水蒸气气化、加氢气化等。气化过程的控制工艺又可划分为双炉(多炉)交替运行、多点(移动点)供风气化、反向供风气化、脉动供风气化，压轴相综合等方法。b) 煤炭地下气化测控技术、地下气化测控系统可分为两大部分，即参数自动采集和数据分析系统。测控系统是以电子计算机为核心，控制外围多路温度、压力、流量、煤气组分各种采集量的定时采集，显示输出绘图等功能的软件包。计算机分析系统具有耗煤量、热效率统计、各相关参数分析、超限报警、工艺方案提示、工艺参数自动反馈控制等功能。分析系统主要功能是对采集到的参数进行整理、分析与预测，以确定气化炉的工作状态，并提供优化的操作参数，其中系统预测是关键。系统预测是指多个因素组成的系统发展变化的预测，或者说是指系统中各因素相互影响，协调发展变化的预测。目前，煤炭地下气化控制技术的相关参数除现场收集外，数学模拟等理论推导和模拟试验也是重要的手段。

4) 煤气处理技术：煤气中含有大量灰尘、焦油、水分、二氧化碳及氮气等。这种煤气称为热煤气或粗煤气，温度可达到200℃。因此，必须对粗煤气进行净化回收处理，以减少对设备、管道的堵塞和腐蚀，提高输送系统的效率，回收利用宝贵的化工产品，同时满足后续工序对原料气的要求。煤气的气净化的系统任务就是清除煤气中有害杂质，降温并获得有用的副产品。故煤气净化不但关系到煤气本身的质量，同时关系到整个气化过程的经济效益。煤气净化一般有四重目的：降温、脱水、回收有价值副产品以及除去不需要的有害杂质。

4 煤炭地下气化技术的经济价值

煤炭地下气化煤气主要有以下用途：用于发电；用于工业燃气；提取纯氢，进一步用作还原气和精细化工产品；用于城市的民用煤气；用于合成甲烷，进入天然气管网；用于化工合成原料气，通过煤气可合成甲醇、氨气、二甲醚、石油等。目前我国地下气化煤气主要用于城市燃气、发电和合成氨、合成二甲醚、提取纯氢等。

美国专家指出，煤炭地下气化与地面气化生产同下游产品相比，生产合成气成本可下降43%、生产天然气代用品成本可下降10%～18%、发电成本可下降27%。前苏联列宁格勒火车发电设计院公布的资料表明，地下气化热力电厂与燃煤电厂相比，厂房空间可减少50%，锅炉金属耗量可降低30%，运行人数可减少37%。通过对国内外煤炭地下气化经济调研可以看出煤炭地下气化，比起传统的采煤业来具有投资少、见效快和成本低的优点。

俄罗斯、美国和我国煤岩地下气化效益的统计显示，虽然煤炭地下气化具有一定的经济效益，但一般而言，相同热值条件煤炭气化生产成本比常规天然气高，随着气化工艺技术的不断改进而使成本降低，大规模的煤炭气化将具有更大的经济效益。此外，随着我国煤层气产业的发展，煤层气与煤炭地下气化的综合开发和利用也将进一步降低成本、提高煤炭地下气化的经济效益。

5 煤炭地下开采的环境效益

煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉，无固体物质排放。因此煤炭地下气化减少了地面环境的破坏，这是其它洁净技术无法比拟的。地下气化煤气中H2含量在40%以上，分离后得到各种纯度的H2。它转变灵活、使用方便、清洁卫生在自然界中形成水—氢—水自然循环。所以氢能是一种可再生的能源，符合人类可持续发展的需要。

6 煤炭地下气化的未来

煤炭地下气化技术是正在发展中的一项新兴采煤方法，它能有效提高煤炭的采出率，减少矿区环境的破坏，增强了煤矿生产的安全性。但仍存在许多技术上的难题。例如对煤层气的分离技术、地下气化设备的布置等，仍需进一步的研究，以获得更好的经济效益和环境效益，实现煤炭资源的合理利用。

[1] 辛万香.有机化学[M].长春：东北师范大学出版社,2003：8-10.

[2] 杜计平，孟宪锐.采矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009：10-13.

ProspectsforDevelopmentofUndergroundCoalGasification

ZhuJie，KanShi-kai

Introduces the principle and development of the UCG technology. Puts forward the economic and environmental benefits based on the UCG technology, forecasts the wide development of this technology.

Underground Coal Gasification; Development stauts;Environmental benefit; Prospect

朱 劼 男 1988年出生 2007年中国矿业大学在读本科生 徐州 221116

TD841

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1672-0652(2010)07-0054-03

2010-05-19