煤地下气化技术的研究进展

郭 华

(中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院工艺系统室，吉林 吉林 132002)

煤地下气化技术的研究进展

郭 华

(中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院工艺系统室，吉林 吉林 132002)

在世界能源消费结构上，煤炭占有重要的地位。但传统的煤炭开采利用方式不但严重污染环境，效率较低，仅能采出煤炭储量的 15%左右，且伴随着地表沉降、工作环境危险、机械耗能高等不利因素。煤地下气化技术是将处于地下的煤炭进行气化产生煤气的一种清洁的能源利用技术。本文对煤地下技术的基本原理、发展背景以及关键技术的进展进行了分析和讨论，以期为煤地下气化早日实现产业化提供一定参考。

地下煤气化;有井法;无井法;煤清洁利用技术

人类所利用的能源主要来源于煤炭、石油、天然气、核能、风能、太阳能以及生物质能等。其中，全球 80%以上的能源来源于煤炭、石油和天然气等化石能源。对于我国而言，煤炭的储量相对丰富，石油和天然气的储量相对贫乏。有资料显示，目前，在我国的能源消费结构中，煤炭一直占消费总量的60%以上[1]。 一直以来，我国都是采用传统的煤炭利用方式，即将煤炭由地下开采出来，然后通过直接燃烧的方式获取能量，这种方法不仅效率低，还造成了严重的污染。尽管近年来，我国大力发展了煤化工产业，极大的提高了煤炭利用效率，但环境污染问题一直无法得到有效的解决。同时，传统的开采方式仅能采出煤炭储量的 15%左右，且伴随着地表沉降、工作环境危险、机械耗能高、透水、瓦斯气等不利因素[2]。煤地下气化技术是一种新兴的煤炭利用技术，将埋藏在地下的煤炭就地进行有控制的燃烧，使煤炭通过化学反应与热作用产生可燃气体输送出来，具有井下无人、无设备，集建井、采煤、气化三大工艺合为一体的三合一工艺特点，有望能有效的避免上述传统利用方式产生的问题[3]。本文对近年来地下煤气化技术的进展进行了分析和讨论

1 地下煤气化的发展背景

100 多年前，英国科学家威廉·西蒙斯首先提出了煤地下气化的概念并进行了相关的实验研究，但随着第一次世界大战的爆发，煤地下气化的研究中断[4]。上世纪 30 年代，前苏联开始进行煤地下气化现场试验，并在 1940～1961 年建成 5 个试验性气化站。其中规模较大的是俄罗斯的南阿宾斯克气化站和乌兹别克斯坦的安格连斯克气化站[5]。上世纪 50年代，美国和西欧也都进行了煤地下气化的科学研究，但由于一些技术上的瓶颈，到上世纪 50 年代末都停止了试验。上世纪 60～90 年代，尽管地下煤气化的相关研究步入低谷，但世界各国仍有一些机构进行研究，除前苏联外，还有美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日本等国家。其中美国对煤地下气化研究试验投入了大量经费，其中桑迪亚国家实验等研究机构应用新技术进行了煤地下气化的实验室研究和现场试验，到 20 世纪 80 年代中期，共进行了 29 次现场试验，累计气化煤炭近 4 万吨[6]。近十年来，由于环保意识的增强，地下煤气化研究重新引起了世界各国的关注。截止到 2012年，前苏联地区有超过 250 套地下煤气化中试装置，而美国的数量为 50 套左右，此外，在南非、中国、澳大利亚、加拿大、新西兰和西欧等地区也分布着50 多套地下煤气化中试装置[7]。

我国也对煤地下气化技术进行了大量的科学研究。 自上世纪 50 年代以来， 我国先后在大同、 皖南、沈北、黑龙江伊兰煤矿、新密煤田下庄河煤矿等许多矿区进行了自然条件下煤炭地下气化的试验，并取得了可喜的成果[8]。

2 煤地下气化技术

2.1 煤地下气化技术的基本原理

煤地下气化的基本原理与目前地表煤气化装置的基本原理类似，唯一的区别是地表煤气化是在气化炉中进行，而煤地下气化在地下进行[9]。图 1 为煤地下气化工艺的示意图，氧气或空气通过注入井打入到煤层内部与煤层发生反应，产生的粗煤气则由产品出口井采出，气化后的灰渣留在地下，一定程度上也缓解了传统开采方式造成的采空区地面沉降或塌陷等问题[10]。

图1 煤地下气化工艺流程示意图

2.2 煤地下气化的技术类型

目前，成功应用于产业化的煤地下气化工艺的基本技术主要有两大类型：有井式煤地下气化工艺和无井式煤地下气化工艺， 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。在具体的工程应用中，需综合考察煤层的地质特征，煤矿的位置和采煤量等因素，合理的选择地下煤气化工艺。

2.2.1 有井式煤地下气化工艺

有井式煤地下气化工艺，又称巷道式地下气化炉技术。就是在开采或废弃的煤矿井中建地下气化炉，以人工掘进的方式在煤层中建立气化巷道。此种方式中气化系统主要由进气通道、辅助通道和出气通道组成，气化区在同一煤层内连通各孔，但由于受煤层地应力和温度制约，因此人工竖井部分深度有限。这种方法是最初开发的地下煤气化方法，但此法须进行井下施工，作业环境和安全性差，限制了其工程化应用[11]。依据气化井的不同类型，有井式煤地下气化工艺又可详细分为以下几种：

(a) 密闭气化区煤地下气化工艺

这种方法是在开采或废弃的煤矿井中以人工掘进的方式在煤层中建立气化巷道，并在进气孔底部巷道筑一道墙，使坑道与墙之间形成一个密闭气化区，然后便可将密闭墙前面的煤炭点燃气化，粗合成气由巷道的另一侧输送至地面。但该方法的气化效率严重依赖煤层的通风性，同时粗合成气的成分随操作条件的变化而变化[12]。

(b) 钻孔煤地下气化工艺

这种方法需在煤层中掘出两条平行的巷道，且这两条巷道之间的距离要足够大，由一系列钻孔相连，在每个钻孔上设置远程控制点火系统。这种方法适用于平伏矿层[11]。

(c) 流动煤地下气化工艺

这种方法适用于倾斜的煤地层。两条平行的巷道沿着煤层倾斜的方向，在煤层底部由一条水平的巷道连接，煤气化过程在水平巷道发生，并沿着该巷道的壁面向地面延伸。在两条倾斜的巷道中，一条用于输送空气或氧气，一条用于采出粗合成气。这种方法的最大优点是反应产生的煤灰不断的由水平巷道顶落下，填补采空区，一定程度上避免了其他方法中煤灰覆盖于气化表面造成气化过程的熄灭。

(d) 长通道、大断面两阶段煤地下气化工艺

两阶段煤地下气化工艺是中国矿业大学提出的是一种分阶段供给空气和水蒸汽的地下气化方法。第一阶段鼓入空气或氧气，煤层发生燃烧，放出大量的热，并积蓄在煤层中，温度逐步上升，产生理想的温度场。然后鼓入水蒸汽，水蒸汽与炽热的煤层发生反应，产生高热值的粗合成气。两阶段地下煤气化工艺与气化区的规模密切相关。如果气化区小，第一阶段积蓄的热量不够，鼓入水蒸汽时，热量会被迅速消耗掉，致使炉内温度下降，第二阶段无法持续较长的时间。因此，建造长通道、大断面气化区有利于两阶段地下气化。2000 年以后"长通道、大断面"两阶段煤地下气化工艺在山东新汶孙村 、协庄、张庄、鄂庄和肥城曹庄，山西昔阳， 辽宁铁法和阜新，四川、江苏、河北等地取得了较好的应用效果[13]。该工艺特别适用于报废矿井和老矿井遗弃煤炭资源的回收。

2.2.2 无井式地下煤气化工艺

近年来，随着定向钻孔技术的发展，无井式地下煤气化方法日益成为研究热点。无井式地下煤气化工艺的过程为：在地表上按照一定的网络布置向煤层钻出一些钻孔，这些钻孔包括输送空气的进气孔和采出煤气的出气孔。对钻孔在煤层中进行孔底火力贯通，形成气化通道。在气化通道中进行远程点火，使煤层发生气化产生煤气并由出气口采出。

根据气化通道的注气方式，无井式地下气化技术可分为两类：通道贯通法(linked vertical well)和控制后退注气点法(controlled retractable injectionpoint)[14]。

(a) 通道贯通法

通道贯通法是传统的煤地下气化的方法之一。该方法包括两条由地表到煤层的垂直孔，一条作为空气进气孔，一条作为煤气采出孔。在煤层中，通过一系列气化通道贯通两条垂直孔，气化通道采用定向钻进技术施工或采取火力渗透贯通、水力压裂贯通、电力贯通等。其中火力渗透贯通容易掌握，设备简单，但贯通速度慢，能耗大，贯通方向不准确；高压火力渗透贯通速度较快，能耗较低，但易损坏岩层，钻孔底部易自燃，贯通方向也不准确；电力贯通速度较快，能耗低，但具有设备较复杂，操作不够简便等缺点；水力压裂贯通速度快，电耗小，但设备复杂，操作不方便，液流不易控制；定向钻进贯通；速度快，能耗低，通道面规整，方向性强，最具发展前景，但成本较高[15]。

(b) 控制后退供风点法

由于地下煤层的地理结构非常复杂，造成地下煤气化系统的操作条件及性能发生变化，过去为解决这个问题，常采用多个空气注入孔和产气孔的方法，大大增加的生产成本。为此，20世纪70年代，美国开发了控制后退供风点法[16-17]，该方法只分别需要一个空气注入孔和产气孔，通过供风点移动完成煤气化过程。控制后退供风点技术原理是把定向钻进和反向燃烧结合在一起，定向钻孔先打出垂直空气注入孔和产气孔，到达煤层后，从注入孔沿煤层底板继续打水平孔，直到与产气孔底部相交，然后在钻孔中下套管；开始气化时，用移动点火器在靠近产气孔的第一个注入点烧掉一段套管，并点燃煤体，燃烧空穴不断扩展，一直烧到煤层顶板，待顶板开始塌落时，注入点后退相当于一个空穴宽度的距离，再用点火器烧 掉一段套管，形成新的燃烧带，如此逐段向垂直注入孔移动[18]，该过程如图2所示。

图2 控制后退供风点法示意图[15]

3 结论

煤地下气化技术作为一种新兴的煤炭利用技术，与地面气化煤气相比，不但具有成本低、质量优等优点，气化后的灰渣留在地下，减少了固废的排放，一定程度上也缓解了煤炭开采后造成的地面沉降等问题，大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏。但是煤地下气化技术不能替代常规采煤方法，只适用于常规方法不可采或开采不经济的煤层，如深度煤层、高灰高硫劣质煤、急倾斜煤层和薄煤层，是提供洁净能源的一种新的开发途径。此外，煤地下气化对环境的损害也是尚待解决的一个重大问题，如气化残留物中的有害有机物和金属对地下水的污染，气化区的地面塌陷以及粗煤气净化系统排放物对环境的影响等问题也必须加以考虑。

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(本文文献格式：郭 华.煤地下气化技术的研究进展[J].山东化工，2016，45(08)：39-41.)

Progress and Prospects on Underground Coal Gasification Technology

Guo Hua

(CNPC Northeast Refining & Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,JiLin Design Institute, Jilin 132002,China)

Currently, the coal is very important in the world's energy structure. The coal traditional utilizing way not only pollutes circumstance severely, but also has other issues including low efficiency (only 15%to 20% of the total coal resources can be recovered in this manner), land subsidence, high machinery costs, hazardous work environments, coal transport requirements, and so on. Underground coal gasification is a newer type of coal utilizing method that is being investigated and implemented around the world and that avoids most of the problems of coal traditional utilizing way. This paper reviews key concepts, development background and technologies of underground coal gasification, which can provide insights into this developing coal conversion method.

underground coal gasification;shaft underground coal gasification methods;shaftless underground coal gasification methods;clean coal utilization technology

2016-03-10

郭 华(1965—)，女，吉林省吉林市人，高级工程师，大学本科，任职于中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院工艺系统室，从事石油化工相关领域的工程工艺设计及开发。

TQ021.4

A

1008-021X(2016)08-0039-03