通道式煤炭地下气化过程特征场演化规律

梁 杰，李玉龙，陈世琳，杨彦群，赵 泽，原 航，李 哲

(1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083；2.山西焦煤集团有限责任公司，山西 太原 030024)

煤炭地下气化是将煤炭在原位进行有控制的燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生的一系列化学反应，产生H，CO和CH等可燃气体的过程。该过程是在煤炭地下气化炉里实现的，组成地下气化炉的最基本要素是进气井(孔)、出气井(孔)和连接进气井(孔)、出气井(孔)的气化通道，在气化通道里煤和气化剂进行氧化反应、还原反应和干馏干燥反应而产生煤气。

根据气化通道施工方式和通道扩展方式的不同，可将气化反应区简化为2种类型的气化反应通道：无固相的自由通道和渗透性多孔疏散的通道。在自由通道里以壁面反应为主称为通道式气化，在渗流通道里气化称为渗流气化。

我国废弃矿井中遗留煤炭资源量约420亿t，废弃矿井煤炭资源井工复采技术难度大，安全性差，在经济上也不合理，因此必须探索新的回收技术，煤炭地下气化技术则是一条可行的技术路线。煤炭地下气化可以依托老矿井原有的井筒和巷道建设地下气化炉，利用人工掘进的煤巷作为气化通道，形成通道式气化。

通道式气化在煤层里围绕通道形成温度场和体积分数场，温度向顶板岩层传播和煤层燃空区变化形成了顶板温度场和应力场，煤炭地下气化过程实质上就是这些特征场的演化过程。庞旭林等通过模型试验研究了涌水条件下富氧煤炭地下气化温度场扩展规律；赵明东等研究了煤炭地下气化温度场和裂隙场的演化规律，采用COMSOL模拟了研究区地下气化的温度场分布；席建奋研究认为煤层温度场扩展主方向受裂隙与气化剂的双重影响；王张卿在煤炭地下气化模型试验的基础上，研究了空气、富氧-CO、富氧-水和富氧连续气化工艺中的“三区”扩展过程；杨兰和等对煤炭地下气化动态温度场及体积分数场进行了数值分析；唐芙蓉、赵明东等对热-力耦合作用下燃空区覆岩温度场和裂隙场的衍化规律进行了数值模拟研究。但上述研究主要集中在温度场的扩展上，且以数值模拟为主。

笔者通过通道式煤炭地下气化过程模型试验，研究煤层温度场、体积分数场、岩层温度场及应力场的演化过程。

1 试验材料及试验系统

1.1 试验煤样煤质分析

试验煤样为内蒙古乌兰察布的褐煤，表1为煤样煤质分析结果，表2为试验煤样对CO的反应活性。

表1 模型试验煤样煤质分析结果

表2 试验煤样对CO2反应活性

乌兰察布褐煤基本煤质特征：全水较高，内在水分中等，挥发分高，灰分高，发热量较低，无黏结性，CO反应活性较高，适合地下气化。

1.2 煤层模拟及测点布置

模型试验台可模拟气化区长度为4.45 m，宽度为1.17 m，铺设煤层厚度为0.4 m。模拟煤层由体积约为550 mm×350 mm×250 mm大块煤铺设，块煤之间的缝隙采用黏煤混合物拌着碎小煤块进行填充。

为模拟通道式气化，在煤层底部中间预留断面为10 cm×10 cm的气化通道，气化通道高度占煤层高度的1/4,宽度占煤层宽度的1/10。模拟煤层、岩层与气化通道的关系及试验系统如图1所示。

图1 气化通道与煤层模拟剖面

煤层温度测点呈网格布置，共布置19×5=95个温度测点，深度距煤层底部200 mm，在煤层的中部。利用6 mm不锈钢管布置3×5=15个压力及组分测点，气化通道中5个，煤层内10个，15个测点主要用来监测气化通道和煤层内的体积分数场和压力场。气体用气袋采集，用岛津气相色谱仪进行分析。煤层温度测点及取样点布置如图2所示。

图2 煤层温度、压力、组分测点布置

利用各测点测得的数据，通过MATLAB软件将原始数据按测点平面布置网格化，在数据点之间进行均匀插值，把数值相同的点连接起来，定义不同数值范围的颜色，绘制煤层的二维场。

1.3 岩层及地压模拟

在煤系地层中，多为沉积岩，一般利用骨料和胶结物组成的相似材料即可基本满足沉积岩的力学特性。试验用黏土与沙调整比例，进行2种材料的配比试验，得到强度等力学性能随温度的变化规律，选择满足试验需求的配比材料。黏土与沙按照比例混合均匀后，自煤层起填充55 cm高度，装填过程中布置顶板中的应力传感器和热电偶。

应力传感器共11个，模拟顶板自煤层起30 cm处8个，布置点如图3所示，模拟顶板上方布置3个，沿长度方向均匀布置，用于测量表土的实际应力。

图3 模拟顶板中应力传感器布置

热电偶在煤层与顶板交界面、自煤层向上20 cm和40 cm处布置3层，每层3列6排18个测点，共54个测点，用于监测气化过程顶板温度在平面以及高度方向的变化。

煤层、顶板、表土、测温热电偶等布置好后，运用液压装置加上垂直向下的0.24～0.38 MPa的压力，将气化炉密封，则可进行点火试验。

1.4 通道式气化模型试验过程

(1)点火。先向气化炉里鼓入空气，置换炉内积存的可燃气体，然后启动点火器。待气化炉温度升高后(高温大于1 000 ℃)，调整进氧量，进入正常的富氧-CO气化试验。

(2)连续气化试验：试验从生产岀合格的煤气开始，到停炉结束，气化时间为66 h，经历了富氧(75%)-CO正向气化、富氧(60%)-CO气化、富氧(80%)-HO气化等试验过程，获得不同气化时段气化煤层温度场、体积分数场的变化规律，以及岩层温度场、应力场的变化规律。

2 结果与讨论

2.1 煤层温度场演化

富氧(75%)-CO气化共进行20 h，进口气化工艺参数及出口煤气组成见表3。气化5 h期间温度场扩展如图4所示。其中左侧中部设置进气孔，右侧中部设置出气孔(下同)。点火器设置在左侧中央位置，气化炉点火后，气化煤层温度急剧升高，影响范围急剧扩大,高温区集中在进气孔附近，点火处热电偶最先达到1 000 ℃。点火5 h后，温度场沿点火点两侧方向急剧扩展，气化通道温度迅速升高，高温区延伸到气化通道1/3处，煤气有效组分(H+CO+CH)体积分数达65.42%。说明自由通道以壁面燃烧气化为主，沿气化通道扩展较快，而气化初期气化通道壁面都为新鲜煤壁，气化活性高，反应条件好，煤气有效组分高。

表3 通道式富氧-CO2连续气化参数

图4 通道式富氧(75%)-CO2连续气化过程温度场演化

从图4可计算出，在5 h内温度场(气化工作面)沿气化通道(横向)扩展1.5 m，扩展速度为0.3 m/h。为降低横向扩展速度，将O体积分数降低至60%，总流量由9.81降至6.35 m/h，共气化14.62 h，气化过程温度场扩展如图5所示。

图5 通道式富氧(60%)-CO2连续气化过程温度场演化

从图5可计算出，60%富氧气化时，在14.5 h内温度场沿气化通道(横向)扩展1.5 m，扩展速度为0.103 m/h,沿煤层(纵向一侧)平均扩展0.13 m，扩展速度为0.009 m/h。横向扩展速度为纵向扩展速度的11.4倍。此阶段煤气有效组分也由开始56.45%降至34.87%，说明反应条件变差。

自由通道气化以壁面燃烧气化为主，横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时，反应过程将失去稳定性。同时自由通道在富氧气化时，壁面易焦化或结焦，也是导致反应区条件恶化、煤气有效组分下降的原因之一。通道式气化过程失稳后，需要暴露新鲜的煤面才能维持气化过程的连续。随着气化过程的进行，燃空区增加，在地压作用下，煤层冒落，形成新鲜煤面，或采用温控爆破等技术措施，暴露新鲜的煤面，维持气化过程的连续。

2个不同时刻最高温度点的间距除以这一段时间内的净注气时间，就可以算出温度场平均扩展速度。沿通道方向为火焰移动速率，移动的火焰工作面即被认为是加载到上覆煤岩的移动热源。图6给出了试验过程火焰工作面沿气化通道方向(横向)和垂直通道方向(纵向)移动平均速度的变化情况。

图6 通道式气化横向与纵向气化工作面扩展速度

由图6可知，沿通道(横向)和垂直通道(纵向)平均扩展速度分别为0.089 和0.012 m/h,横向速度远大于纵向速度，横纵平均速度比为7.42倍。在供风点附近，横向和纵向燃烧速度均达到最大值，分别为0.116 和0.118 m/h，在供风点处煤层与气化剂接触面积大，O与煤壁的接触状态好，燃烧反应剧烈，气化速度最快。因此，通道式气化一般都设置辅助进气孔，或采用控制后退注气点气化工艺，使注气点随着气化工作面的移动而移动，能够有效地提高气化反应速度，维持气化过程的连续。

2.2 煤层中气体体积分数场演化

利用布置的3×15个取气点，对H，CO和CH在煤层里分布进行了测定。

(1)不同时刻的H体积分数场。图7为通道式气化不同时间H体积分数场分布。从高体积分数所占的面积和位置来分析，H体积分数分布的总体趋势是：随着气化的进行，高体积分数逐渐向气化通道(中部)中转移，可以理解为气化初期随煤层温度的升高，煤层产生热解煤气，使煤层中H体积分数高于气化通道中，但随着热解煤气扩散渗透到气化通道，煤层中相对H体积分数降低，而气化通道壁面还原反应所产生的H体积分数相对升高，从而中部(通道)附近的H体积分数高于煤层中。

图7 通道式气化煤层中H2体积分数场演化

(2)不同时刻的CO体积分数场。通道式气化煤层CO体积分数分布如图8所示。同样从高体积分数所占的面积和位置来分析，CO体积分数分布的总体趋势是：开始时气化通道附近的CO体积分数高于煤层中，可以理解为通道壁面的气化还原反应是CO的主要来源，热解煤气在气化过程中对CO的贡献相对较小。随着气化的进行，煤层温度升高，煤层中热解煤气贡献增加，使煤层中CO体积分数升高。

图8 通道气化煤层中CO体积分数场演化

(3)不同时刻的CH体积分数场。图9为通道式气化煤层不同时间CH体积分数分布。

图9 通道式气化煤层中CH4体积分数场演化

高体积分数CH在气化初期出现在气化炉的中部，而非高温区，且距反应区约为1.5 m。可以判断煤气中的CH是由于高温气体对气化通道煤层加热热解得到的。由其他时刻的CH体积分数场也可知，CH的产生均不在反应高温核心处，CH的高体积分数区与反应区存在一定距离，反应强度不同，距离不一样。同样从高体积分数所占的面积和位置来分析，CH体积分数分布的总体趋势是煤层中CH体积分数高于中部(气化通道)附近，说明CH来源于煤层热解，而非通道中的CH气化反应。

气化前期(如气化3 h)，高体积分数CH区域范围比较大，说明热解气所占比例较大；随着气化过程的进行，高体积分数CH区域范围逐渐缩小，大部分区域CH体积分数小于2%，说明热解气所占比例减小。

H和CH体积分数随时间的下降速率明显小于CO，说明地下气化过程中煤层热解对有效气的贡献可以提高生产过程的稳定性，同时CO体积分数是判别气化炉反应状况的重要指标。

2.3 岩层温度场演化

热弥散是多孔介质一种特有的换热现象，由于多孔介质孔隙内速度脉动引起热量的平均化，从而导致换热的增强。这与溶质运移的弥散效应类似，称为热弥散。在气化过程中温度在顶板岩层传导时，在垂直方向上发生热弥散作用。以气化20 h时热弥散情况为例，温度扩展如图10所示。随高度增加，温度影响范围逐渐增加，但温度降低。煤层和顶板交界面到20 cm高顶板处产生热弥散作用，距煤层20～40 cm热弥散作用明显，弥散角约为45°。

图10 通道式气化20 h煤层与顶板各层温度场演化

图11为气化不同时刻煤层与顶板交界面温度场和距交界面20 cm处温度场变化趋势。

图11 顶板与煤层交界面及距交界面20 cm处岩层温度场演化

煤层点火点在中部左侧，所以顶板温度场在中部左侧开始产生和扩展，初始时温度上升缓慢。气化一段时间后(高温区距进气孔1 m)，火焰沿正中心铺设的气化通道推进，顶板温度场也逐渐趋于对称，且有规律的沿通道方向和垂直通道方向扩展，与煤层温度场变化一致，且延迟时间约为2 h。在距煤层20 cm处顶板温度上升缓慢，扩展与交界面温度场相似，最高温度在400～500 ℃。

2.4 顶板应力变化

图12为4个测点的应力随时间变化关系。各测点均发生应力集中现象，最大集中应力各点不同，但差别不大，约为0.6 MPa，应力集中系数为2.0～2.5。沿通道方向上依次发生应力集中，时间延后，与煤层温度场推进方向一致。

应力集中区是岩层易冒落区域，从图12应力测点的位置和应力集中的时间可看出，岩层冒落随着气化工作面的推移而逐步发生。3个特征场之间的关联是温度，温度场决定了体积分数场和应力场。煤层温度场决定了煤层的气化程度，温度越高的区域气化程度越高，该区域气样中H，CO体积分数越高。顶板温度场随着煤层温度场的扩展而扩展，顶板应力也随着煤层温度场的推进沿通道方向依次发生集中，但与煤层温度场相比都有一定的时间延后。

图12 上覆岩层应力场演化

3 结 论

(1)模型试验条件下，通道式气化温度场沿通道(横向)和垂直通道(纵向)平均扩展速度分别为0.089和0.012 m/h,横向速度远大于纵向速度，平均速度比为7.42倍。在供风点附近，横向和纵向扩展速度均达到最大值，分别为0.116和0.118 m/h。通道式气化以壁面燃烧气化为主，横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时，反应过程将失去稳定性。

(2)通道式气化体积分数场，煤层气化通道附近的气样中H和CO体积分数高于煤层气样中，可以理解为通道壁面的还原反应是H和CO的主要来源，CH体积分数分布的总体趋势是煤层气样中的CH体积分数高于气化通道附近气样中，说明CH来源于煤层热解，而非通道中的CH化反应。

(3)从煤层和岩层交界面到20 cm高顶板处产生热弥散作用，距煤层20～40 cm内热弥散作用明显，弥散角为45°；顶板岩层中各应力测点均发生应力集中现象，最大集中应力各点不同，但差别不大，约为0.6 MPa，应力集中系数为2.0～2.5。沿通道方向上依次发生应力集中，时间延后，但与煤层温度场推进方向一致。