煤炭地下气化过程稳定性及控制技术

徐涛

[摘 要]煤炭地下气化是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤层的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程，该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，变传统的物理采煤为化学采煤，因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，是煤炭开采利用技术的重要补充。

[关键词]煤炭地下气化；影响因素；反应特点；发展前景

中图分类号：TD841 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）11-0003-01

1 前言

中国是以煤为主要能源的国家，在一次商品能源中煤占70%以上，资源条件决定了在今后相当长的时间内，煤炭在中国一次能源结构中占据不可替代的重要地位。

2 影响煤炭地下气化技术发展的原因

2.1 内在原因

煤炭地下气化是把煤的开采和转化结合起来，对地下煤层就地进行气化的工艺过程。地下气化之所以达不到地面气化的商业化程度。主要表现在气化效率、煤气组分、热值及产量等方面不够稳定。地面气化炉气化之所以稳定，是由于地面气化是在地面的固定设备中进行燃烧反应，易于测试和控制。而地下气化工作面是移动的，管路和产气处理系统也是移动或半移动的，气化工作面反应状态不明，安全情况不清，不利于监控。地面气化为固定地点，炉内为破碎移动的煤原料，其三个反应带位置和范围均固定；而地下气化与之相反，煤为完整固定在工作面中，其三个反应带是移动的。在气化炉中，只要从下面除灰，上面加料，就会生产出相对稳定的煤气。地下气化则不同，燃烧区逐渐向前移动，还原区、干馏区也随之移动。当燃烧区行至出气巷时，为保护出气巷和三个反应带，就必须反风，此时煤气中的可燃成份要降低，使煤气生产的连续与稳定性也要受到影响。

2.2 外部原因

煤炭地下气化与石油、天然气和煤层气相比也不相同，它们的区别在于是否是直接开采。地下气化是在地下把固体的煤转变为气体的“变相加工”，而石油、天然气和煤层气无需在地下加工。目前，石油还在大量生产，天然气也在大规模发展，加之煤层气产业的兴起，都是由于它们的开采成本低，而不同程度地冲击着煤气业的发展，这就是影响煤炭地下气化发展的外部原因。

3 煤炭地下气化反应特点

煤炭地下气化过程与地面移动床气化反应过程类似，但又有着明显的区别。与典型的移动床气化工艺———鲁奇加压气化相比，直观的区别为移动床气化过程，床层固定，而煤料移动，对于地下气化过程，则为煤层固定，反应区移动。鲁奇加压气化为均匀粒径碎煤与气化剂充分接触的填充床反应，气化过程水蒸气注入量及气化压力恒定，反应区纵向分布且单一稳定，气化强度较高，气化过程连续稳定。而煤的地下气化过程受限于气化通道两侧煤层的热剥落与热破碎，其实质为不同尺度煤块、煤层夹矸、顶板垮落岩石混杂的渗滤通道反应。煤层内始终存在着自由通道，随气化过程不断扩展，使得氧气与煤接触条件变差，导致出口煤气中有效组分下降，煤气质量变差。

4 煤炭地下气化煤气综合利用前景

4.1 地下气化煤气联合循环发电

地下气化煤气用于燃气-蒸汽联合循环发电是合理使用地下气化煤气热能的有效途径。自20世纪50年代实现燃气-蒸汽联合循环发电方案以来，联合循环获得了突飞猛进的发展，特别是近年来，发展的趋势更加明显。它使用天然气做燃料时联合循环的供电效率已经达到55%～60%，远远领先于其他任何形式的发电设备，并能装备成为承担基本负荷的大功率电站，加上这种设备的投资费用比较低，设备简单，占地面积小，建设周期短，因而更加具有广泛使用的潜力。整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电（简称IGCC）是在20世纪70年代西方国家石油危机时期开始研究的一种洁净煤发电技术，其技术要领和路线是使煤在气化炉中气化成为中热值或低热值煤气，然后通过处理，把粗煤气中的灰分、含硫化合物（主要是H2S和COS）等有害物质除净，供到燃气-蒸汽联合循环中去做功，借以达到以煤代油（或天然气）的目的，这样，就能间接地实现在供电效率很高的燃气-蒸汽联合循环中燃用固体燃料煤的愿望。

4.2 合成氨

合成氨是一项成熟的煤气化及化工合成联产项目。但传统的煤气化工艺普遍采用常压固定床间歇气化法，成本高，技术落后，企业效益差，急待改造。20世纪70年代以来，我国先后引进了鲁奇炉、德士古炉、U-gas炉，但这些目前较先进的气化技术又存在着投资大、运行费用高等缺点，导致氨及后续化工产品缺乏市场竟争力。若采用煤炭地下气化提供合成氨原料气，则可使产品成本大大降低。目前，我们正在进行/昔阳煤炭地下气化暨合成氨联产0示范工程的现场试验及甘肃华煤集团/煤炭地下气化合成氨0项目的可行性论证。华亭煤地下气化模型实验表明，采用富氧-水蒸气作气化剂，可以获得合格的合成氨原料气。

4.3 合成二甲醚

二甲醚（DEM）作为21世纪的世界清洁能源已引起人们的普遍关注。DEM由于其许多独特的性质，在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途。它可以替代氟里昂用作汽溶胶喷射剂和制冷剂；高浓度的二甲醚可用作麻醉剂，也可以作为化工和燃料电池的原料。此外，二甲醚还可作为优质的民用燃料及车用燃料。随着工业和科学技术的发展，DEM的用途越来越广泛，需求量也越来越大。新型的一步法合成二甲醚法可以显著降低生產成本，使其在市场中具有竟争性。二甲醚合成气要求H2与CO的比例为1.5～2，水煤气消耗定额为4500m3/t二甲醚。模型实验表明，采用富氧-水蒸气气化工艺，可以提供廉价的合成气，为煤炭转化及二甲醚合成开创新的途径。目前我们已完成了太原东山煤矿煤炭地下气化实验工程。年产5000t二甲醚的可行性研究报告，正待立项。

4.4 合成油

以气体原料合成油技术（煤的间接液化）在世界许多国家都已经进行了工业化生产，合成工艺包括F-T直接合成及Mobil工艺通过甲醇间接合成。其中的地面煤气化通常采用鲁奇炉或温克勒法。采用煤炭地下气化工艺只需将合成气的供给由地面气化变为地下气化，而其他成熟技术都可以保持不变。地下气化煤气从组成上与鲁奇炉加压气化法及其他先进气化工艺所产煤气有效成分相当，因而可以作为合成油原料气应用于生产。

4.5 提取纯氢

氢能源是替代现有能源的一种绿色能源。氢能源燃烧后只生成水，对环境没有污染，且不影响大气中CO2的循环。目前，氢气已被广泛应用于石油化工、电子工业、治金工业及用作高能燃料等。基于燃料电池的氢能发电及民用是氢气的未来市场。氢气的生产方法包活电解水制氢、石油裂解制氢等，但均具有规模小、成本高等缺点，而目前尚无大规模廉价制氢的方法。煤炭地下气化的产品主要是高含氢量的地下水煤气，其氢含量达45%以上，可用于提取不同纯度的氢。与现有的制氢技术相比，地下气化制氢具有成本低（氢气成本仅为0.5元/m3）、质量优、可规模化生产等优点。因此，煤炭地下气化制氢将形成新的以氢为载能体的绿色能源系统。

5 结束语

煤炭地下气化作为新一代的化学采煤技术，安全、环保优势显著，具有广阔的应用前景。深入认识并掌握煤炭地下气化的反应过程、技术特征及其影响因素，通过科学选址、因地制宜地选择合理的工艺技术路线，方可实现煤炭地下气化的稳定生产，推进地下气化技术的产业化示范及商业化生产。

参考文献

[1] 刘淑琴，陈峰，庞旭林，等.煤炭地下气化反应过程分析及稳定控制工艺[J].煤炭科学技术，2016（21）：33.

[2] 刘淑琴，张军，梁杰，等.煤炭地下气化的综合利用前景[J].煤炭科学技术，2017（10）：10.