煤炭地下气化技术发展问题及建议

贺 盛

(湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001)

1 引言

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，简称UCG) 是将位于地下的固体煤炭通过有控制的燃烧变为有用气体，同时采集并利用这些气体的新技术。与传统煤炭开采方式相比，其具有以下无可比拟的优点：①避免工人在矿井中工作，能有效解决矿山开采的安全问题；②符合我国低碳经济的产业政策，是绿色开采的重要手段，符合我国环境保护政策；③能提高我国能源安全度，降低对国外能源的需求；④满足国家和企业开采量大面广难采残留煤资源的重大需求[1,2]。

在经历了100多年历史的长久发展中，多次地研究、试验、应用之后，至目前，在全世界范围内，仍然没有商业化成功的案例。煤炭地下气化技术的前景并不明朗(图1)。造成这种情况的原因有很多。笔者试图从技术、经济、环保等方面阐述其发展中的问题。以供参考。

图1 煤炭地下气化原理示意

2 煤炭地下气化简述

煤炭地下气化的原理同地面气化相同，所得煤气成分也基本相同。其原理如图1所示。将地下煤层点燃，从进气孔鼓人气化剂，使煤层燃烧、气化，所得煤气由出气孔排出[3]。固体煤炭经过燃烧产生CO、CO2等气体。生成的气体再与煤层，水蒸气反应产生主要组分是CO、H2、CH4的可燃气体。可燃气体经过干馏干燥后，从排气孔输出，经地表冷却、洗涤和脱硫等净化工艺。所得动力气体可供联合循环发电；所得合成气体经化工厂再处理获得氢、甲烷、甲醇等化工原料[4]。

3 存在的问题

3.1 技术问题

到目前为止，国内外都已进行过不少的UCG试验和半工业性试验。过往的试验都能产出有用煤气，而且，随着试验、研究与各种技术手段的加入，UCG技术逐步完善。以往的试验获得了诸多技术成果，特别是后退式气化工艺(CRIP)的发明，使得美国地下气化技术居世界领先地位[4]。这些技术成果为UCG技术走向工业化道路奠定了基础。

但目前地下气化技术发展仍不完备。其自身的特点和目前的技术手段限制导致了其发展的困难。技术手段的缺失背后也有更深层次的原因。

3.1.1 气源稳定性差，监控手段缺失

UCG工艺最终产物是煤气。而煤气产量、煤气热值、煤气组分的稳定决定了最终产品的好坏。从当前的UCG试验的结果来看，所产出的低热值空气煤气由于应用价值低被放空。由于反应的不稳定导致中热值煤气难以实现长期连续稳定地供给。这使得UCG煤气的燃气应用和化学原料气的产品开发受到制约[5]。

造成煤气不稳定性的因素有很多：气化工艺、水文地质、冒顶、地质(断层、水文)、工艺(连续法/两阶段/可靠性，如钻孔阻塞等)等。UCG发生和控制的地方是在地下的煤层之中，这就造成了要有效地控制其反应过程、控制各种影响因素是非常困难的，地下的环境，状况非常复杂。所能引起的反应过程不稳定的因素也很多，且要在地下采取有效手段控制这些因素更是困难重重。目前的主要的控制手段是改变炉型以及注气工艺，但对所产煤气影响有限。影响因素多样，如地下条件的限制加上技术手段的缺乏，使得这个问题难以解决。

3.1.2 缺少多学科的融合应用及科研人员

UCG是个综合性学科。它的发展需要多种技术的支持。包括耐高温监控设备研发，微地震技术的应用，计算机模型等等。目前而言UCG仍然是一个冷门学科。在国内只有少数机构人员在研究，人力物力备显单薄，而能进行现场试验的专业人员就更少了。目前主要的有中国矿业大学(徐州)王作棠教授带领的团队与中国矿业大学(北京)的梁杰教授带领的团队。这对于一个综合性学科来说确实是力量不足。

3.1.3 试验缺乏，理论研究难以展开

目前的UCG技术仍有很多参数，规范未能确立，这都需要大量的试验研究来得到。而现在并没有条件来进行大量的试验。在现场进行的试验需要耗费大量的人力、物力、财力。实验室中也缺乏这样的试验系统来进行这种综合性的试验。即使有也与自然地质条件下的相差较远，达不到现场的效果。

3.2 经济问题

经济上的问题也一直是煤炭地下气化技术发展缓慢的重要因素。由于目前的能源结构与市场环境，导致煤炭地下气化技术无法走上商业化的道路，缺少了以商业促技术，以技术促商业的条件。根据国内外煤炭地下气化发展的试验项目和现有的示范性性工程情况来看，目前还不能对其生产的经济性做出全面准确的分析，但还是能看到其中存在的一些问题。

3.2.1 成本较高

在现在的能源市场条件下，同主流能源相比，UCG并无竞争力。

同常规煤炭相比，UCG的可比性并不高。UCG不能替代常规采煤是研究人员的共识。UCG主要用于开采难采煤，滞留煤，残留煤。

同天然气相比，据美国能源部1986年评估报告，地下气化成本为0.1714美元/m3，而天然气井口价仅0.0607美元/m3，汉那商业性地下气化站设计预估成本高达0.3714美元/m3。因此，美国国会大幅削减UCG项目拨款，从1984年的600万美元减少到1991年的46.5万美元，1992年停止拨款。另外天然气用于下游产品的开发工艺更加简单[6，7]。

同石油比较，国际上大多数国家在对UCG产品作经济评价时，都把石油作为主要参照标准。20世纪中期，廉价石油供应充足，西方国家地下气化试验消声匿迹。1986年世界油价大跌，美国政府也大幅度削减研究试验拨款。国际上的普遍看法是，UCG产品在经济上无法与石油及石化产品竞争。

3.2.2 产品开发困难

UCG所产煤气的热值较低，无法作为城市煤气以及化工合成气直接使用，需要进行一定的加工与处理。而其组成及流量的不稳定，也给其应用带来了困难[8]。

3.3 环境问题

UCG开采对环境具有很多正面效益，但同时也会带来一定的负面影响。

3.3.1 地下水污染

煤炭地下气化气化残留物中含有硫化物、苯和其它多环芳烃等有毒物体。如果气化煤层与地下含水层相通或相近有毒物体就会随排水进入地下水。特鲁埃尔现场试验后曾取样分析，气化炉中的污染物有酚、氨和硫化物。美国也曾对几个地下气化站附近被污染的地下水进行采样分析，证明有苯含量超标的事实。获得充分的地质水文资料，合理选择气化煤层和气化工艺，是减少UCG过程对地下环境影响的有效途径。同时，应对气化区周围岩层和地面、地下水进行监测，以防止预想不到的事件发生[8，9]。

3.3.2 地面塌陷

随着地下气化的进行，原来的煤炭变为灰渣。虽然灰渣有一定的质量、体积，能够承受一定的地层压力，但其结果比原来的煤层所差甚远，形成燃空区。随着地下气化继续进行，燃空区会进一步扩大，将会导致地层坍塌，地面沉陷。地面沉陷会破坏植被、良田或者地面建筑、设施。利用常规煤炭开采的充填技术是解决地表下沉的有效技术。但无疑会增加成本。

3.3.3 CO2排量增加

受生产条件限制，化学反应不充分，UCG会产生大量的含CO2的低热值煤气。这些煤气可利用价值很低，只能放空。有研究表明，UCG低热值煤气燃烧时放出的CO2气体比常规燃煤电站排放量要大。这跟现在倡导的低碳经济是背离的。所以在UCG气化过程中分离和存储CO2就很重要。我国目前尚缺这种技术。即使有，这也会导致成本增加。

4 结论及建议

(1)在目前的条件下，煤炭地下气化技术的前景依旧不明朗。其处在技术不成熟，经济无优势，有环境危害的可能等的条件下。要想实现商业化非常困难，需要技术上大的突破。

(2)UCG因其本身拥有一些得天独厚的优势。其对于开采残留煤、滞留煤、难采煤及深部煤层方面具有很大的优势，是对能源的合理有效利用作出巨大贡献的技术。可以将它作为长期战略性技术来发展，这需要国家大力支持。

(3)UCG总的技术路线可行，但发展尚未成熟。要解决现有的一些问题关键还是技术上的突破。形成完备的技术体系：包括基础理论研究，工程技术体系的建立与应用技术的开发。要取得成功的商业化成果，一些关键技术的攻克是重点，主要有：规模化生产地下气化炉结构及构建技术；地下气化连续稳定控制技术；污染物监控及燃空区管理技术；煤炭地下气化多联产技术。

(4)UCG的研究还需要平台的搭建，促进各方面科学、技术的融合应用。要突破现有的技术瓶颈，还需要各学科的相互交流。研究人员也应当积极探寻各方合作，要以包容、开放的心态，促进各领域的合作，解决技术上的难题，才能合力有效地发展地下气化事业。