煤炭地下气化与鲁奇气化的差异性分析

路江鸿

(新奥科技发展有限公司，河北 廊坊 065001)

煤炭地下气化与鲁奇气化的差异性分析

路江鸿

(新奥科技发展有限公司，河北 廊坊 065001)

从厂址和原料煤来源选择、原料煤质选择、气化工艺、粗煤气成分、环境保护、气化炉寿命、投资和效益等方面比较了地下气化和鲁奇气化的差异，分析了这些差异产生的原因，探讨了各自的工业化应用范围。

煤炭地下气化;鲁奇气化;差异性

引言

煤炭地下气化的设想，由俄国著名化学家门捷列夫1888年提出。他认为，采煤的目的应当说是提取煤中含能的成分，而不是采煤本身，并指出了实现煤炭气化工业化的基本途径。从20世纪30年代开始，美国、原苏联等主要产煤国均大力投入这一领域的技术研究，取得了大量的科研成果。我国自1958年开始进行自然条件下煤炭地下气化研究，并从1980年开始，先后在徐州、阳泉、山东新汶等10余个矿区进行了试验，初步实现了地下气化从试验到工业化的应用。

煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧并通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程，是一项集建井、采煤、气化工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术。其实质是，只提取煤中含能组分，变物理采煤为化学采煤，具有安全性好、投资少、效率高、污染少等优点，被誉为第2代采煤方法。

煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃的煤炭资源，而且可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层，深部煤层，“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层。地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电，而且可以用于提取纯氢或作为合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料气。因此，煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益，可提高煤炭资源的利用率和利用水平，是我国洁净煤技术的重要研究和发展方向。

煤炭的地下气化虽然在中国已有30多年的发展历史，但整体进展情况不佳，不论是技术上还是工程上都有一系列未解决的问题。和地上的各种气化技术相比，仅粗煤气成分上就有较大的差距。而煤气成分的优劣是项目经济性最直接的因素。本文选取和地下气化工艺技术最相近的鲁奇炉气化来分析他们的差异性。

1 厂址和原料煤来源选择的差异

原则上讲，鲁奇炉气化项目的厂址选择在任何一个地方都可以，主要取决于当地原料煤的供应情况;地下气化由于其特殊性，在选择的时候主要取决于建设地的煤炭、地质、地下水等情况。同时，由于地下气化只能气化井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层，深部煤层，“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层，所以极大地限制了地下气化技术的发展。就目前中国的煤炭储存情况看，只能在内蒙古、云南、东北地区等局部地方使用。

所以，从应用区域的灵活性上来讲，鲁奇炉优于地下气化。

2 原料煤质选择的差异

各种气化方式都有其长处和短处。鲁奇炉气化和地下气化对原料煤的要求基本上是一致的，它们对除无烟煤和不黏结烟煤之外的所有煤种都适用，都要求原料煤中有一定的挥发分(10%)。其差异表现在，鲁奇炉要求原料煤的粒度在15 mm～50 mm;地下气化则对原料煤的粒度无要求，但对煤炭地下的地质、水文情况要求较多。

原料煤的粒度可以通过地上机械选配，而地下的地质、水文情况只能根据实际情况来选择。对于地质、水文条件特别复杂的储煤地区，地下气化也是解决不了的。

3 气化工艺上的差异

鲁奇气化是一种相对成熟的地上气化方式，其气化炉是一个相对绝热、容积确定的金属筒体，所有的反应均在其中完成，系统的物料和热量平衡较易达成，热量的损失较小。地下气化的气化炉是一个空间不确定、变化的空间通道，同时通道外层的煤炭、煤层中蕴含的地下水以及地下水的静压头对系统的影响较大，物料衡算是模糊的，热量的损失也很大。实际上，这是造成地下气化效率较低的重要原因。

3.1 操作温度的差异

鲁奇炉气化的操作温度对于同一煤种相对稳定。一般情况下，下层温度，即氧化层温度，约1 100℃，上端干燥层温度为500℃ ～550℃。氧化层、还原层、干馏层、干燥层由下至上层次清楚，极大地体现了设计者的意图，将原料煤中的有效组分极大地取出，各层次功能充分地发挥出来。

地下气化的操作温度是不稳定的。特别是在气化通道构建贯通、通道气化及气化后期，由于内部空间的不断扩大和系统热量的损失，一直是一个随气化剂量不断增大的稳定、衰竭、增长、再稳定、再衰竭、再增长的循环过程，整个气化过程在不断变化的过程中。温度的变化将直接影响气化的效果。

3.2 操作压力的差异

目前，鲁奇炉气化的压力基本上是3.0 MPa。虽然根据项目和煤种的不同稍有变化，但变化不大。一旦项目和煤种确定，气化操作压力就基本确定。鲁奇炉之所以没有选择更高的操作压力，主要是与它的排灰系统有关。更高的压力，工程上解决不了排灰问题。同时，压力增加，将会使焦油分解。目前，第2代新型鲁奇炉——BGL气化炉就选择了熔融排渣，这样可以提高气化的压力，但投资随之增大。

地下气化的压力也是一个不断变化的量。从理论上说，只要控制气化压力稍大于气化通道地下水的静压头，使地下水尽量少地参与气化，减少热量的损失就可以了。但从实际的操作过程来看，情况比较复杂。由于气化通道本身就是一个不断扩大的过程，压力的变化也会是一个不断变化的过程，在变化过程中系统压力小于地下水静压头时，地下水就会涌进通道，水的蒸发会吸收较大的热量，从而使系统气化状况恶化。同时，由于测控手段的缺乏，这种情况往往是滞后的，会对气化过程产生较大的影响。

3.3 气化剂供应量的差异

鲁奇炉气化在项目规模和目标原料煤确定之后，所用气化剂氧气、水蒸气和煤锁合成气量就基本确定了，仅在生产负荷调整时于一定范围内波动，在一段时间内是稳定的，且这些波动也是及时可控的。

地下气化的气化剂供应从气化通道构建贯通时期就是变化的，在气化通道构建后转入气化时，气化剂的量在气化的初期、中期、后期也是不断变化的，而且量的变化比较大，很难保证气化剂的供应量相对稳定。正是这些变化会导致气化状况不稳定，粗煤气产量不稳定，后续化工系统的匹配和生产能力都将受到较大的影响。所以，地下气化对气化剂的供应装置系统要求较高，负荷要在较大范围内调节，装置的匹配较困难，投资会比较大。

4 粗煤气成分的差异

正是上述气化工艺上的差异，导致了粗煤气组分存在差异。表1是鲁奇炉气化和中亚某地下气化在各种气化条件下的粗煤气组分。

表1中的前3项均为中亚某国地下气化公司气化数据，第4项为某气化厂对锡林浩特褐煤试烧时的实际数据。从表1中的各项数据可以得出如下结论:

表1 各种气化条件下地下气化和鲁奇炉气化的粗煤气组分

1)随气化剂氧气体积分数增加，氢气、一氧化碳、甲烷等有效气体组分在逐步增加，且增长幅度较大。

2)在前3项地下气化的实验数据中，随氧气体积分数增加，二氧化碳体积分数也在增加，增加幅度接近50%，气化剂浓度和煤气中的二氧化碳组分呈正相关;而第3和第4项中的二氧化碳成分降低了34%，降低的幅度也较大，不同气化方式之间有较大差别。

3)随气化剂浓度增长，粗煤气热值也随之增长，增长幅度平均为45%。

4)地下气化的反应中，由于热损失严重，导致需要燃烧更多的煤来为系统提供反应热，燃烧过程所占比例较大;鲁奇炉气化由于是在容积一定的相对绝热的炉子内反应，气化过程远大于燃烧过程。所以，从气化效果上来讲，鲁奇气化方式优于地下气化方式。

5 环境保护上的差异

5.1 废水

鲁奇气化由于氧化层、还原层、干馏层、干燥层分区明显，上层干燥层的温度在500℃ ～550℃，低于焦油的分解温度，可以将原料煤中的焦油以气态的形式带出，焦油作为鲁奇气化的副产品回收，所以在回收和净化的过程中会带来大量的污水。固态排渣直接排入渣池也会有污水产生，在酚和氨的回收中也会产生一些废水。它们同时成为鲁奇气化的缺点之一。

地下气化由于是在地下进行气化，所产生废水是粗煤气带出水，量约为每立方三四百克，这样的带水量也是较大的，废水的成分与鲁奇废水基本上相同。但与鲁奇气化相比，地下气化的废水量相对较少。对区域地下水的污染，是地下气化的一个缺点。

5.2 废固

鲁奇气化会产生灰渣。地下气化的灰渣遗留在地下，不对地上环境造成影响，这是地下气化的优势之一。

5.3 废气

鲁奇气化和地下气化一样都会产生大量的二氧化碳气体。鲁奇气化产生的二氧化碳基本上排放了;地下气化产生的二氧化碳可以作为二氧化碳富氧气化的气化剂循环使用，多余的排入大气，对当地减排有益处。

6 气化炉寿命的差异

鲁奇炉主要由金属材料制作而成，一次性投资，使用寿命较长。目前，国内使用的最早期的鲁奇炉——山西天脊煤化工集团(原山西化肥厂)30万t/a合成氨项目引进的第1批炉子已正常运行20余年;河南义马气化厂的鲁奇炉也运行10年了。

地下气化的气化炉有其特殊性，根据其单炉控煤量只能运行2 a～3 a，在运行时间上和鲁奇炉不具有可比性。

7 投资上的差异

以Mark－Ⅳ型鲁奇炉来说，Mark－Ⅳ型气化炉炉体外径为Φ3 848 mm，炉体高度12 500 mm，炉内燃料堆放高度4 000 mm，炉体容积为119 m3，炉体总重量169.5 t(包括内件重量40 t)，操作重量大约250 t，操作压力3.0 MPa(表压)，操作温度大约1 100℃，单炉产粗煤气量约35 000 m3/h。整套气化岛装置的投资约为4 700万元。气化岛的范围包括气化剂入炉系统、投煤系统、气化炉本体及附件到粗煤气出界区。

地下气化炉的投资与炉型有关，以50万m3工业燃气项目的炉型来说，需要构建2个气化炉，整个项目气化岛的投资约为1 910万元，包括进入气化界区的气化剂输配管道和粗煤气输配管道。

为了对比合理性，以一定量的有效气体含量为计算基准，对2种气化方式作如下比较:

1)单台鲁奇炉产粗煤气约35 000 m3/h。其中，有效气体体积分数约为67.81%，折合有效气体总量为23 733.5 m3/h。

2)单条地下气化炉(空气气化)产粗煤气量约为10 416 m3/h。其中，有效气体体积分数为25.44%，折合有效气体总量为2 650 m3/h。

以单台鲁奇炉的有效气体23 733.5 m3/h为基准，要达到这个量，上述地下气化炉(空气气化)就需要9条，其投资约为8 595万元，远远大于鲁奇炉4 700万元的投资。由此可以看出，单台鲁奇炉的有效气体产量是地下气化炉的9倍，投资是地下气化炉的一半。

8 效益上的差异

气化炉的效益直接决定项目的经济效益。气化炉的效益最直接的因素是其有效气体的产量大小。

从上述投资比较中能直接地了解到，鲁奇炉的有效气体产量远远大于地下气化炉的产量。那么，采用鲁奇炉和地下气化炉项目的效益是显而易见的。那就是，鲁奇气化优于地下气化。

9 结论

地下气化的效率如此之低，但目前在全球范围内仍有企业在使用它。这是因为，对于气化方式的选择不能仅从气化方式来考虑，还有很多影响因素，一定要从具体项目的实际情况出发，选择最合适的气化方式，而不是选择最好的气化方式。

各种气化方式之间的差异是比较大的，每种气化炉都有其生存的空间。地下气化作为煤气化的一种补充方式是有其存在和生存空间的。

Differences analysis between underground coal gasification and Luqi gasification

LU Jianghong

(ENN Science and Technology Development Co.，Ltd.，Langfang Hebei 065001，China)

The difference between underground gasification and Luqi gasification from various aspects including factory address，source of feed coal，gasification technology，ingredient of raw gas，environment protection，lifetime of gasifier as well as investment and benefits is introduced，and the causes of these differences and the range of industrial application are analyzed.

underground coal gasification;Luqi gasification;difference

TQ546

A

1004－7050(2016)06－0067－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.20

2016－10－19

路江鸿，男，1965年出生，1986年毕业于太原理工大学，大学本科，长期从事煤化工方面的研究和开发工作。