节能减排新技术——煤炭地下气化

喻晓

（陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西铜川727000）

节能减排新技术
——煤炭地下气化

喻晓

（陕西省一九四煤田地质有限公司，陕西铜川727000）

目前，各行业和领域的节能减排要求不断提高，煤炭领域也迫切需要引入和应用新技术和新方法，通过煤炭地下气化，可达到节能减排的目的。煤炭地下气化是对赋存煤层进行的技术处理，从原来的物理采煤转变成化学采气。这一过程非常复杂，包含流体、物质和热量的传递，同时，还包括化学反应、煤层气与围岩压力变化等环节。在此过程中，煤炭资源的开采与转化有机结合在一起，省去了庞大的资源开采、运洗、选择、气化等工序，具有安全可靠、投资少、污染小、效益高的优点。

煤炭；节能减排；地下气化；可燃气体

1 基本原理

煤炭地下气化实际上就是将煤炭成分变成可燃气体，即一氧化碳、氢气以及甲烷等。在地下气化或地面气化过程中，气化过程都是严格按照气流的流动方向分区，其中，包括氧化区、还原区、干馏干燥区。

1.1 氧化区

通过气化通道鼓入适量的氧气，使之与煤层中的碳发生氧化反应，生成二氧化碳和一氧化碳，然后释放出大量热量。这些热量作用在煤层，可以使氧化区与周围的炭保持炽热，一般温度可超过1 200℃。随着氧气的浓度不断下降，一氧化碳和二氧化碳的浓度上升，直到氧气的浓度降低至0.

1.2 还原区

沿着气流的流动方向，氧化区生成的二氧化碳与碳发生反应，生成一氧化碳；气化剂内的水域炽热的碳还原反应，产生氢气和一氧化碳。在此过程中，会有大量的热量被吸收，温度逐渐降低。

1.3 干馏干燥区

通过还原区的气流温度依然比较高，这一温度作用在气流的下煤层，在热力学的作用下，煤层产生热解气。通过反应，有一氧化碳、氢气以及甲烷等可燃气体产生，即粗煤气。气化燃烧面移动以后，将固体的煤气化。根据气流的方向以及工作面的燃烧移动，气化过程主要包括顺流、逆流两种推进式。其中，气流的方向和工作面燃烧移动相同，均为顺流式。煤炭地下气化的基本原理如图1所示。

2 技术类型

2.1 有井式气化技术

从应用实践看，该技术手段被称为巷道式地下气化炉法，在废弃煤矿井内建造地下气化炉，采用人工掘进方法在煤层中构建气化巷道，在进气孔底部巷道筑密闭墙，将密闭墙前煤炭通过点燃使其气化，经井筒鼓风、平巷，从另一井筒中将煤气排出。该技术方法仅用于关闭矿井内遗弃资源。

图1 地下气化示意图

2.2 无井式气化技术

该技术手段采用的是常规油气钻井技术钻孔模式，有效发挥了钻井技术的作用，可以有效避免传统巷道式建地下气化炉受到限制。相比于上述有井式煤炭气化炉，该技术下的气化建炉工艺相对比较简单，且建设周期较短，比较适于那些整装煤田地下气化，或用于深部煤层气化。对于无井式地下气化技术手段，自地面向煤层打深直径可达400 mm、间距40 m的钻孔，两各钻孔间贯通后就可以形成1个气化通道，只要点火即可实现煤炭气化之目的。

3 地下气化节能减排技术

3.1 采煤转变成采气

煤炭地下气化，省略了煤炭采掘、通风以及供排水和洗选等流程，作业量大大减小，能耗降低。一般而言，煤炭生产过程中的综合耗电量通常在40 kW·h/t左右，最高值可达80 kW·h/t；在选煤过程中，电量消耗为8 kW·h/t。尤其是在一些中小型的煤炭集团，资源条件以及生产技术和设备受限，煤炭生产过程中的能耗更高。煤炭地下气化大大改善了传统模式，省去了能耗较大的采掘以及运输、提升等工序，井下作业量以及矿井通风量也随之降低，主排水系统简化。

3.2 煤气共采

煤层瓦斯与煤层密切相关，在一定的压力条件下，其以吸附或者游离态赋存在煤层内。其中，游离的瓦斯主要是以分子形式赋存在煤层的空隙空间内，吸附瓦斯主要是以固体分子的状态附着于煤炭结构以及煤体表面。统计数据显示，国内煤矿高瓦斯矿井占总数的将近半数，且每年因此而死亡的人数超过2 000人。煤炭地下气化无需预先进行瓦斯抽取，操作也非常的方便。通过地下气化，可以避免爆炸事故发生，不会对作业面造成严重的危害。

3.3 无煤矸排放

地下气化技术的应用可以有效避免二次污染。统计数据显示，目前，我国累计堆积无煤矸4.5×109t以上。值得一提的是，矸石山中的自燃碳排放管理非常重要，采用地下气化技术手段可以直接开采有用成分，且能做到灰渣不出井、占地小等目标，在避免或减少煤矸石二次污染方面，效果非常明显。

3.4 集中回炉处理

煤炭地下气化技术可用于氧气浓度不同的煤层，可以实现产气的连续性和稳定性。根据氧气浓度注入量，水煤气中的二氧化碳浓度差异较大，一般变化区间在14.3%～25.7%，常用的二氧化碳收集法主要有溶剂吸收以及变压吸附和有机膜分离等技术方法。粗煤气内的二氧化碳可在利用之前进行净化处理，通过集中捕集或者燃烧利用后再进行集中捕集。以日本三菱重工为例，其采用的是新型的吸收剂，即KS-1、 KS-2位阻胺类，在回收过程中所需能量较之于MEA而言，能量减少20%.

3.5 充填固碳

这是一种碳永久封存的技术方法，在封存二氧化碳时，国际上有2种方式，即二氧化碳海洋封存法、地质封存法。其中，前者又可以分为2种途径，即将二氧化碳注入水下大约1 500 m的临界深度，使其溶解并释放于海水；后者则是将二氧化碳注入水下大约3 000 m的海底，高压条件下使其能够聚集成液态，密度超过海水，长年沉于海底。对于地质封存法而言，实际上就是将二氧化碳压缩液注入地下岩石之中，在物理吸附以及化学反应下永久封存。

4 结束语

总而言之，煤炭地下气化是一种比较先进的采煤技术和方法，一方面可以有效提高煤炭资源的有效利用率；另一方面，可以实现煤炭资源的绿色、高效开采，具有很好的节能减排效果。煤炭地下气化从根本上改变了传统煤炭开采、运输模式，大大降低了能耗，有利于提高能源的利用率，在环境污染降低、碳排放量降低方面起到了非常大的作用。

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〔编辑：张思楠〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.016

2095－6835（2017）18－0016－02