华亭煤地下导控气化现场试验的产气效果分析＊

王作棠 王建华 张 朋 段天宏

（1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点试验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008；3.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

华亭煤地下导控气化现场试验的产气效果分析＊

王作棠1，2，3王建华1，2，3张 朋1，2，3段天宏1，2，3

（1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点试验室，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221008；3.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏省徐州市，221116）

本文提出了煤气指标时间加权的计算方法，对华亭煤地下导控气化现场试验数据进行了分析，结果表明随着气化剂中氧浓度的上升，煤气热值呈上升趋势，富氧蒸汽法气化工艺中气化剂中较佳的氧浓度范围为30%～40%；最大热值10.72 MJ/Nm3出现在空气蒸汽两阶段法的第二阶段，但空气蒸汽两阶段法的产气波动性较大，同时水煤气产率较低，生产规模较小，无法连续生产高热值煤气，用于商业化生产需要多炉同时运行。随着氧浓度的升高，各工艺的产气稳定性逐渐增强，从低温工艺向高温工艺切换的调控时间缩短。

产气效果 产气稳定性 调控时间

1 引言

煤炭地下气化就是向地下煤层中通入气化剂，将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性气体，然后将煤气导出地面再加以利用的一种能源采集方式。它将建井、采煤和气化三大工艺合而为一，将物理采煤转变为化学采煤，即把高分子固体煤转变为低分子结构的可燃性气体，抛弃了庞大而笨重的采煤设备与地面气化设备，并大幅度减小了建井规模，具有安全好、污染少、投资小、成本低、效率高和见效快等优点。

2010年11月22日，由甘肃省科学技术厅组织并主持，邀请有关专家组成鉴定委员会，对甘肃华亭煤业集团有限公司和中国矿业大学联合完成的“难采煤有井式综合导控法地下气化及低碳发电工业性试验研究”的项目进行了科技成果鉴定，认为该项目创新点突出，在地下煤层燃烧高效稳态蔓延导引控制技术方面，达到了国际领先水平。

项目试验厂址为华亭煤业集团有限责任公司杨家沟井六采区（原安口煤矿工业广场保护煤柱内），项目于2010年5月3日井下点火成功，2010年5月4日地面点火成功，连续产气7个多月，期间成功地进行了下列试验：空气连续气化试验、空气蒸汽连续气化试验、富氧蒸汽连续气化试验、纯氧蒸汽连续气化试验、空气蒸汽两阶段气化试验、备炉状态气化试验以及注气点移动气化试验。

本文提出了煤气指标时间加权的计算方法，对项目现场的试验数据进行了分析，并对发电试验期间各工艺的产气稳定性、气化炉从空气连续法工艺向中富氧蒸汽连续法工艺和纯氧蒸汽连续工艺之间切换的调控时间进行了分析，以期进一步为煤炭地下导控气化优化工艺参数、合理选择气化工艺和气化炉调控方法提供科学依据。

2 煤质分析

根据煤质的化验分析资料和分类方案，华亭煤的煤质具有低灰、低硫、高活性和高挥发性的特点，为不粘煤。其工业分析的各项指标是Mad为8.5%，Aad为6.6%，Vad为33.7%；元素分析的各项指标是Cad为66.74%，Had为3.82%，Oad为13.16%，Nad为0.63%，St，ad为0.54%；高位发热量为23.8 MJ/kg，灰熔点为1.197℃，容重为1.40 kg/m3。

3 产气效果分析

3.1 数据的测量和统计方法

为了保证测量的准确性，采用传感器在线测量、便携式气体分析仪和色谱仪3种方法同时测量，数据的统计间隔时间为6～30 min。考虑到在统计时间间隔内产气指标的波动性，以测量时间间隔的起点和终点的测量数据的均值作为此时间间隔的测量指标值；考虑到每个测量值持续的时间不同，采用时间加权算法最后统计整个试验阶段的平均指标。与简单的求平均数的方法相比，时间加权算法使统计的精确性得到了提高。

3.2 各工艺产气指标对比

按照上述方法对空气连续法、空气蒸汽两阶段、纯氧蒸汽连续法和中富氧蒸汽连续法几次试验的数据进行了处理并描绘成曲线，见图1～图4。

3.2.1 空气连续法工艺

从2010年9月20日17：00开始到9月22日17：00结束的空气连续法工艺试验产气指标结果见图1。空气煤气的平均热值为4.10 MJ/Nm3，煤气热值低，所以只能供工业窑炉燃用。

图1 空气连续法煤气试验产气指标随时间变化图

3.2.2 空气蒸汽两阶段工艺

2010年7月19日至7月21日进行了空气蒸汽两阶段法工艺气化试验，产气指标结果见图2。试验过程中，第一阶段以空气做为气化剂，所产煤气的平均热值为3.47 MJ/Nm3；第二阶段停止鼓空气，开始鼓入水蒸汽，生产的水煤气的平均热值为10.72 MJ/Nm3。第二阶段产生的水煤气热值高且产气稳定，而第一阶段产生的煤气完全可供应于蒸汽锅炉生产蒸汽，避免了直接排空造成的环境污染，该法有待完善提高的问题是，水煤气产率低、生产规模较小且无法连续生产高热值煤气。

图2 空气蒸汽两阶段试验产气指标随时间变化图

3.2.3 纯氧蒸汽连续法工艺

2010年7月4日进行的纯氧蒸汽连续气化工艺，产气指标结果见图3。所产煤气的平均热值为9.27 MJ/Nm3，纯氧的鼓入量为800 Nm3/h，实际生产中鼓入的蒸汽量为1500 Nm3/h，其余所需水蒸汽由地下水转化的水蒸汽进行补给。纯氧蒸汽连续法工艺生产的煤气有效组分高，可广泛应用于发电、合成甲烷、甲醇和制氢等。

图3 纯氧蒸汽试验产气指标随时间变化图

3.2.4 中富氧蒸汽连续法工艺

2010年7月31日至8月8日进行了纯氧蒸汽连续气化工艺（不考虑水蒸汽体积，氧浓度为42.07%），产气指标结果见图4。该法由于采用富氧作为气化剂，有效地强化了燃烧工作面的火层与气流间的传热、传质过程，显著提高气化效率和热效率，因此具有工艺简单、产气量大的特点，可做为合成氨联醇生产的原料气，也可供整体煤气化联合循环燃机发电。

3.2.5 各工艺产气指标对比

根据现场试验，将各工艺下的产气指标汇总于表1。由实验数据可知，随着气化剂中氧浓度的增大，煤气中的有效组分和热值呈增大趋势，为了提高煤气热值，气化剂中较佳的氧浓度范围为30%～40%；最大热值10.72 MJ/Nm3出现在空气蒸汽两阶段法的第二阶段，但空气蒸汽两阶段法的产气波动性太大，同时又存在水煤气产率低、生产规模较小、无法连续生产高热值煤气等问题，用于商业化生产需要多炉同时运行。

图4 中富氧蒸汽连续法试验产气指标随时间变化图

表1 各工艺下的产气指标表

3.3 发电试验期间各工艺之间产气稳定性比较

对用煤气发电期间的空气连续法、中富氧蒸汽连续法和纯氧蒸汽连续法的产气稳定性进行了比较分析，计算了各工艺条件下的主要组分：H2、CO、CH4和CO2和实测热值的变异系数详见表2，发电试验期间各工艺产气指标如图5所示。

由表2和图5可见，随着氧浓度的升高，各主要组分和实测热值的变异系数逐渐下降。这是因为产气指标主要受气化炉温度和压力影响，同时受到

表2 发电试验期间各工艺的产气指标变异系数表

地下水和矿压的扰动。由于本试验是在常压下进行气化，受地下水和矿压扰动的影响也处于同一水平，所以产气指标主要受气化炉温度的影响，随着氧浓度的增大，气化炉的温度也增加，气化炉的蓄热明显增大，抵抗各种不稳定因素的能力也相应增强，产气稳定性也就随之增强。

图5 发电试验期间各工艺产气指标变异系数图

3.4 各工艺之间切换的调控时间

由于气化炉从高温向低温状态切换的时间跟气化炉的蓄热量有直接的关系，因此本文仅分析气化炉从低温状态向高温状态切换的调控时间，主要选取空气连续工艺向中富氧蒸汽连续法工艺和纯氧蒸汽连续法工艺之间切换的调控时间。

中富氧蒸汽连续法试验从7月31日8∶40开始向气化炉中注入42%（干空气氧浓度）的中富氧蒸汽，开始从空气连续法工艺向中富氧蒸汽连续法切换，仅用了40 min后热值就攀升至6.69 MJ/Nm3，至15∶30时热值就达到此次试验的均值，此间仅历经6.8 h。7月4日的纯氧蒸汽连续法试验从1∶26开始向气化炉中注入纯氧蒸汽，开始从空气连续法工艺向纯氧蒸汽连续法工艺切换，至6∶23热值就达到此次试验的均值，此间仅历经5 h。由此可见，随着氧浓度的增加，气化炉从低温工艺向高温工艺切换的调控时间缩短。

4 结论

（1）试验表明，随着气化剂中氧浓度的上升，煤气各组分（除N2外）的体积分数和煤气热值呈上升趋势，且为提高煤气热值，气化剂中较佳的氧浓度范围为30%～40%。

（2）最大热值10.72 MJ/Nm3出现在空气蒸汽两阶段法的第二阶段，但空气蒸汽两阶段法的产气波动性较大，同时水煤气产率较低，生产规模较小，无法连续生产高热值煤气，用于商业化生产需要多炉同时运行。

（3）随着氧浓度的升高，各工艺的产气稳定性逐渐增强。

（4）随着氧浓度的增加，气化炉从低温工艺向高温工艺切换的调控时间缩短。

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［3］ 杨继贤，张冰，张秀云等.基于多联产系统的煤化工循环经济发展模式研究［J］.中国煤炭，2010（8）

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［6］ Wang Zuotang，Huang Wengang，Zhang Peng et.al.A contrast study on different gasifying agents of underground coal gasification at Huating Coal Mine［J］.Journal of Coal Science ＆Engineering（China），2011（2）

Analysis of effect of underground guided coal gasification field trial at Huating coal group

Wang Zuotang1，2，3，Wang Jianhua1，2，3，Zhang Peng1，2，3，Duan Tianhong1，2，3
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Mining Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

This paper presents time－weighted coal gas indexes calculation method，on this base，field test data of underground coal gasification of Huating coal is analyzed.Results show that，with the increasing of oxygen content in gasifying agents，the gas caloricity rises，and the optimal oxygen concentration range to increase the gas caloricity is 30%～40%.The maximum value of 10.72 MJ/Nm3with the higher fluctuation in coal gas indexes，lower yield and production scale companied discontinuous production of high calorific value coal gas appeared in the air and steam two stage way，so more than one gasifiers are needed in commercial production；As the rising of oxygen concentration in gasifying agents，the stability of gasification increases gradually and regulating time from low temperature to high temperature process decreases.

effect of gas production，stability of gas production，regulating time

TQ546.2

A

获教育部科学技术研究重点项目（02019）、国家攀登计划项目（OA090239）、煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题项目（SKLCRSM10X04）和江苏高校优势学科建设工程资助项目（SZBF2011－6－B35）资助

王作棠（1958－），男，福建尤溪人，中国矿业大学教授、博导，主要研究方向为地下气化开采和矿山压力与岩层控制。

（责任编辑 王雅琴）