地下煤氣化技術(shù)的發(fā)展與應用

化工裝備技術(shù)應用與發(fā)展地下煤氣化技術(shù)的發(fā)展與應用馬曉飛王永兵(新疆特種設備檢驗研究院，烏魯木齊830013)摘要:深層煤炭?jì)α烤薮?，但由于高水壓、高地應力、高瓦斯與高地溫等原因嚴重地影響這部分煤炭資源的開(kāi)發(fā)和利用。為此，新的煤炭利用技術(shù)的探討和試驗凸顯出其重要性和意義。文章通過(guò)對地下煤氣化技術(shù)(UCG技術(shù))的優(yōu)勢、經(jīng)濟性評價(jià)、實(shí)際產(chǎn)品應用的分析和總結，得出煤炭地下氣化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，是我國潔凈煤技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。關(guān)鍵字:煤氣化潔凈煤煤制氣UCG1引言2 UCG的定義當今世界上探明的具有開(kāi)采價(jià)值的礦物燃煤地下氣化涉及到把地下的煤碳資源轉變成料資源中,煤占75%。與此同時(shí)地球上煤的儲量一種可燃氣體的控制。圖1說(shuō)明了煤地下氣化的大約是探明儲量的10倍"，儲量巨大的深層煤炭基本過(guò)程，包括: (1) 通過(guò)一口注入井向煤層:由于高水壓、高地應力、高瓦斯與高地溫等原泵人一種氧化劑(空氣或氧)與蒸汽; (2) 點(diǎn)燃因未被開(kāi)發(fā)和利用。因而，開(kāi)發(fā)更深層的煤炭煤; (3)生成的氣體通過(guò)生產(chǎn)井流回地表，進(jìn)礦藏具有十分重要的意義。行凈化或人工合成液體燃料”。煤炭地下氣化是將地下煤炭有控制燃燒、UCG技術(shù)的成功往往取決于注入井和生產(chǎn)產(chǎn)生可燃氣體的-種開(kāi)發(fā)清潔能源與化工原料井之間良好的連通性。打通連接通道-般采取逆的新技術(shù)。該技術(shù)只提取煤中含能組分,而將灰向燃燒的方法。所謂逆向燃燒就是在甲口地面下渣等污染物留在井下叫。這種新技術(shù)集建井、采點(diǎn)燃煤層， 燃燒向乙口方向進(jìn)行;而同時(shí)在乙口煤、轉化工藝為一體,大大減少了煤炭生產(chǎn)和使出鼓入氣化劑，氣化劑向甲口方向推進(jìn)，即:煤用過(guò)程中所造成的環(huán)境破壞，并可大大提高煤炭層燃燒方向與氣化劑的推進(jìn)方向相反。逆向燃燒資源的利用率。因此深受世界各國重視。在工方式也是目前工程中打通連接通道時(shí)最常用也可程中，地下煤氣化技術(shù)被稱(chēng)作UCG技術(shù)。行的方法。地下煤的氣化一般可以采出煤原始熱值的50% ~ 70%。3 UCG技術(shù)背景前蘇聯(lián)、英國、美國等國相繼投入了大量的人力和物力進(jìn)行UCG技術(shù)的研究和使用，并取燃層得豐碩的成果。前蘇聯(lián)于1940年在頓巴斯和莫斯科近郊有兩個(gè)煤炭地下氣化站投入生產(chǎn)。美國地下氣化試驗始于1946年，1987 年進(jìn)行的洛基山2號試驗，獲得了中熱值煤氣，為煤炭地下氣化技術(shù)走向商業(yè)化道路創(chuàng )造了條件。圖1 UCG技術(shù)示意圖我國先后在大同、皖南、沈北等許多礦區進(jìn)- 27-化工裝備技術(shù)應用與發(fā)展行過(guò)自然條件下煤炭地下氣化的試驗，取得了一千擾降至最低; (6)需 要的勞動(dòng)力較少并提高了定的成就。1985 年，中國礦業(yè)大學(xué)在徐州馬莊安全性(無(wú)需地下工作人 員); (7)最大限度降低廢礦中進(jìn)行了現場(chǎng)試驗。試驗進(jìn)行了三個(gè)月，產(chǎn)物處理的需 要(殘留地下的固體物); (8)比煤層甲氣16 x 104Nm',煤氣平均熱值4.2MJ/Nm'。中烷氣作業(yè)的用水量少: (9)可在海上進(jìn)入煤層; .國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭工業(yè)地下氣化工程研究中(10)排放的NOX降低; (11)在枯竭氣化空隙內具心，在總結國內外地下氣化工藝的基礎上，提出有就地捕獲和封存CO,的潛力。了適合我國礦井遺棄煤炭資源氣化的長(cháng)通道、大4.2局限性斷面煤炭地下氣化新工藝。采用新工藝進(jìn)行了徐地下煤氣化最直接的危險是，它可能會(huì )污染州新二號井半工業(yè)性試驗和唐山劉莊煤礦工業(yè)性地下水資源。目前進(jìn)行的試驗性燃燒已經(jīng)產(chǎn)生致試驗，其中劉莊礦實(shí)現連續穩定生產(chǎn)五年多。癌物苯和酚，在美國落基山的-一個(gè)試驗場(chǎng)需要花2000年“孫村煤礦煤炭地下氣化技術(shù)研究與500萬(wàn)美元清除這些致癌物質(zhì)。即使這些有毒化應用”工程投人試驗和生產(chǎn)。成功為2萬(wàn)戶(hù)居民學(xué)物質(zhì)不擴散，它們也會(huì )毒化煤縫里面的水。和蒸汽鍋爐連續提供燃氣，并進(jìn)行了2 x 400kw同時(shí)地下煤層燃燒會(huì )造成地表植物干枯?；鹦⌒蛢热紮C發(fā)電試驗。焰從地縫竄出，將會(huì )對人類(lèi)在該區域的地表活動(dòng)為了進(jìn)一步提高單爐產(chǎn)氣量，提高生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生較嚴重的影響，甚至埋下安全隱患。的穩定性，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)5煤炭地下氣化技術(shù)的經(jīng)濟評價(jià)課題“煤炭地下氣化穩定控制技術(shù)的研究”于煤炭地下氣化技術(shù)，煤炭不需要開(kāi)采、運2002年1月啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)四年多的工作，建立了具輸,不需要地面洗選、 加工、 轉化，節約了大量有國際先進(jìn)水平的煤炭地下氣化模型試驗臺，并.建井、采煤、選煤工程投資，大大減少了煤炭運對褐煤、煙煤、焦煙、無(wú)煙地下氣化過(guò)程進(jìn)行了輸費用，減少了地面建氣化站設施的投資。試驗研究。試驗獲得含H,量在40%以上的煤氣。前蘇聯(lián)的實(shí)際工作有力地證明了煤炭地下目前，國家示范工程一山東里能集團氣化具有基本建設投資省、建站周期短、生產(chǎn)“煤炭地下氣化發(fā)電示范工程”正在設計當效率高、煤的回收率高、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)系中，預計將日產(chǎn)120萬(wàn)Nm3、熱值在8.36 MJ/Nm'統簡(jiǎn)單且安全、沒(méi)有三廢外排問(wèn)題、環(huán)境效益左右的煤氣，供電廠(chǎng)發(fā)電使用。該工程將為煤好等優(yōu)點(diǎn)。地下氣化與地面氣化生產(chǎn)相同下游炭地下氣化技術(shù)工業(yè)化，乃至商業(yè)化生產(chǎn)起到產(chǎn) 品相比成本可下降”!: (1)生產(chǎn)合成氣成本下較大的示范作用。降為43% ; (2) 生產(chǎn)天燃氣代用品成本下降為104優(yōu)點(diǎn)和局限性%-18% ; (3)發(fā)電成本下降為27%。地下氣化熱4.1優(yōu)點(diǎn)力電廠(chǎng)與燃煤電廠(chǎng)相比'": (1)廠(chǎng)房空間可減少與其它清潔煤技術(shù)相比，地下煤氣化具有以50%; (2)鍋爐金屬耗量可降低30% ; (3)運行人下優(yōu)點(diǎn)。.數可減少37%。(1)將未開(kāi)發(fā)的資源轉變?yōu)橛猩虡I(yè)價(jià)值的儲表1是地下氣化與地面氣化投資和成本的量; (2)省去了勘探費用; (3)降低 了投資費用(不比較數據。從表1對比的結果可以看出，地下需要準備煤和氣化的地面廠(chǎng)房); (4)在單位能含氣化相比地面氣化， 投資成本、環(huán)境成本都明量基礎上,井口成本比天然氣低50%，(5)將地面顯下降，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。-28.化工裝備技術(shù)應用與發(fā)展表1地下氣化和地面氣化投資與成本比較項地面氣化地下氣化基建投資/元.m350~450120~ 150成本/元.m0.4~0.60.15~0.25生產(chǎn)工藝備煤、選煤地下煤炭資源環(huán)境保護有灰渣排放無(wú)灰渣、污染物少.6利用UCG技術(shù)合成化學(xué)產(chǎn)品的實(shí)際應用已引起人們的普遍關(guān)注，它在制藥、燃料、農藥UCG技術(shù)具有合成氨、合成二甲醚、實(shí)現等化學(xué)工業(yè)中有許多獨特的用途。也可作為優(yōu)質(zhì)煤的間接液化、制取純氫等廣泛的應用，工藝路的民用燃料及車(chē)用燃料。線(xiàn)根據現場(chǎng)條件和項目需要來(lái)制定。合成二甲醚要求煤氣中氫與一氧化碳的比6.1合成氨例為1.15: 1~2: 1，每噸二甲醚的煤氣消耗合成氨是一項成熟的煤氣化及化工合成聯(lián)產(chǎn)定額為4500m/h。太原東山瘦煤地下氣化模型項目。但傳統的煤氣化工藝普遍采用常壓固定床實(shí)驗表明,采用純氧-水蒸氣地下氣化工藝,調節間歇氣化法間。過(guò)去中國先后引進(jìn)了魯奇爐、德氣化劑純氧及水蒸氣用量比例，可以生產(chǎn)出廉價(jià)士古爐、U-gas爐,這些氣化技術(shù)存在著(zhù)投資大、合格的二甲醚原料氣，為煤炭轉化及二甲醚合運行費用高等缺點(diǎn),導致合成氨及后續化工產(chǎn)品成開(kāi)創(chuàng )新的途徑。目前“太原東山煤礦煤炭地缺乏市場(chǎng)競爭力。若采用煤炭地下氣化提供的原下氣化實(shí)驗工程一年產(chǎn)5 000t二甲醚”項目正料氣，則可使合成氨產(chǎn)品成本大幅度降低。目前在實(shí)施?！拔絷?yáng)煤炭地下氣化暨合成氨聯(lián)產(chǎn)”示范工程及63以氣體原料合成油技術(shù)(又稱(chēng)煤的間接液化)甘肅華亭煤業(yè)集團“煤炭地下氣化合成氨”項目煤的間接液化在許多國家已進(jìn)行了工業(yè)化生正在實(shí)施。華亭氣肥煤地下氣化模型試驗表明，產(chǎn)，合成工藝包括F-T直接合成及MobilI藝通過(guò)采用純氧-水蒸氣作氣化劑，可以獲得合格的合甲醇間接合成。其中的地面煤氣化通常采用魯奇成氨原料氣，其(H2+CO)大于60 %。爐或溫克勒氣化法"。若采用煤炭地下氣化工藝6.2合成二甲醚只需將合成氣的供給由地面氣化改為地下氣化，二甲醚(DEM)作為21世紀的世界清潔能源而其他成熟技術(shù)都可以保持不變。表2幾種以純氧-水蒸氣為氣化劑的煤炭氣化方法的比較氣化方法煤氣組成/ %H2_CO2CH4N2Lurgi15.242.130. 99.40.3K-T62.226.88.71.3Texaco49.235. 712.20.41.0KRW43. 231.817. 55.81.253.033. 79.03. 10.8Shell61.530. 61.74.8UCG46. 1724.518.89.010.19表2給出幾種以純氧-水蒸氣為氣化劑的煤6.4制取純氫炭氣化方法所得煤氣的組成比較。由表2可以看氫氣已被廣泛應用于石油化工、電子工業(yè)、出，地下氣化煤氣從組成上與魯奇爐加壓氣化法冶金工業(yè)及用作高能燃料等。目前尚無(wú)大規模廉及其它先進(jìn)氣化工藝所產(chǎn)煤氣有效成分相當，因價(jià)制氫的方法，煤炭地下氣化制氫可采用兩階段而可以作為合成油原料氣應用于生產(chǎn)。地下氣化或氧氣-水蒸氣氣化工藝[8-9].化工裝備技術(shù)應用與發(fā)展6.4.1兩階段煤炭地下氣化是- -種循環(huán)向地從而維持了氣化(氧化、還原)區的高溫溫度場(chǎng)。下氣化爐供給空氣和水蒸氣的地下氣化工藝。每在此條件下，二氧化碳及水蒸氣的還原速率及還次循環(huán)由2個(gè)階段組成:第-階段鼓入空氣，煤原率增大，煤氣中氫氣和-氧化碳含量增加。層燃燒蓄熱，生產(chǎn)空氣煤氣;第二階段鼓入水蒸此外，在地下氣化長(cháng)通道中，水蒸氣存在下氣，水蒸氣與熾熱的煤炭層相互反應，生成氫的水煤氣變換反應加強，煤氣中氫氣含量會(huì )進(jìn)一氣、一氧化碳和二氧化碳，煤氣中氫氣含量可步增加。高達50%以上，可用于提取不同純度的氫。兩階表3列出了試驗褐煤、瘦煤、氣肥煤純氧-水段地下氣化制氫的關(guān)鍵技術(shù)是根據地下氣化過(guò)程蒸氣地下氣化試結果。由表3可以看出,盡管不同的能量平衡的計算，去確定兩階段的切換時(shí)間，煤種的氣化反應活性存在差別，當采用純氧-水從而保證水煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。蒸氣氣化工藝,在適宜的氣氧比條件下，均可獲得6.4.2 采用純氧-水蒸氣氣化工藝。由于氣化中熱值煤氣,煤氣中氫含量達到40%左右。如果劑中氧氣含量的提高，增加了氣化煤表面的氧氣在現場(chǎng)試驗，由于地下氣化爐保溫條件較好，可濃度，加快了煤的燃燒速率，強化了氣化過(guò)程,以獲得更為理想的數據。表3試驗煤種O2- H2O (g)地下氣化煤氣組成煤種煤氣組成/ %熱值純氧量蒸氣量煤氣量12_COCH4_CO2褐煤43.4427. 564.0423.7110. 423. 05.411.2氣肥煤41. 7423. 745. 9026.7810. 563.08.12.3瘦煤40. 2224.933.6130. 039. 533.0，6.010.1注:表中熱值單位為MJ/m2;純氧量、燕汽量、煤氣量單位均為: m?h采用純氧-水蒸氣地下氣化制氫,雖然煤氣潔凈 煤技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。中氫氣含量低于兩階段地下氣化工藝，煤氣及氫氣成本較高。但其制氫工藝可以強化氣化過(guò)程,參考文獻實(shí)現連續穩定生產(chǎn)，制氡工藝的選擇可以通過(guò)實(shí)[1]羅承先,周書(shū)慧，煤的氣化技術(shù)及其應用[].中外能源.2009(01)際的氫氣生產(chǎn)需要來(lái)確定。[2]趙元琪、煤氣化技術(shù)發(fā)展與問(wèn)題探討([].中國新技術(shù)新7結束語(yǔ)產(chǎn)品.2011(08)煤炭地下氣化技術(shù)不僅可以回收礦井遺棄煤炭[3]沈際群,陳仁輝,徐波.型煤氣化的試驗研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 1994(02)資源，而且還可以用于開(kāi)采井工難以開(kāi)采或開(kāi)采經(jīng)[4]呂巖.粉謀低溫千餾工藝及發(fā)展趨勢[A].第七次煤炭科濟性、安全性較差的薄煤層、深部煤層、“三下”學(xué)技術(shù)大會(huì )文集(下冊) [C]. 2011[5]李文釗.天然氣轉化的21世紀展望[A].面向21世紀的科壓煤和高硫、高灰、高瓦斯煤層:地下氣化燃燒后技進(jìn)步與社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展(上冊) [C]. 1999的灰渣留在地下，減少了地表下沉，無(wú)固體物質(zhì)排[6]王連勇,蔡九菊，王愛(ài)華,田紅,劉漢橋、煤炭氣化技術(shù)進(jìn)展放，煤氣可以集中凈化，大大減少了煤炭開(kāi)采和使[A]. 2004全國能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì )論文集(2) [C]. 2004用過(guò)程中對環(huán)境的破壞;地下氣化煤氣不僅可作為[7]范禮.實(shí)施地下煤氣化好處多[J].能源基地建設.1999(04)燃氣直接民用和發(fā)電，而且還可用于提取純氫或作[8]姜全坤.地下煤氣化的新方法一電感 應加熱氣化法[刀.節能.1981(03)為合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料氣。因此，煤[9]徐道一,朱銘,韓 盂,高果.節能減排與煤地下氣化的戰略開(kāi)炭地下氣化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，發(fā)[A].第四屆環(huán)境與發(fā)展中國(國際)論壇論文集[C].2008大大提高了煤炭資源的利用率和利用水平，是我國(下轉第48頁(yè))化工裝備問(wèn)題與對策3.3在對不合格試件(編號SB5220) 按上述取試樣6個(gè)按標準均合格(具體見(jiàn)表5)，與前數措施進(jìn)行模擬熱處理后，對試件重新制取沖擊試據沖擊值比較得到大幅提高，說(shuō)明試件的冷卻效樣(沖擊試樣規格10mm x 10mm x 55mm)，共果差 異是直接導致沖擊值編號的主要因素。表5試件編號試樣缺口位置沖擊功(J)合格指標(J)171、176、180、SB5220新焊縫≥24J162、204、1803.4由上述試驗結果可以肯定原焊接試件不經(jīng)對上述方案進(jìn)行歸納，特對產(chǎn)品焊接試件合格原因是由于空冷時(shí)冷卻降溫速度偏慢導致沖放 置方式進(jìn)行了具體規定:試件盡量架空高于爐擊功不合格，而非由于材料(包括原材料、焊接臺不小于0.5m,且采用豎直放置。后續在同材質(zhì)材料)、焊接(焊接工藝及工藝紀律的執行)和產(chǎn)品制作時(shí)未發(fā)現沖擊功不合格現象，說(shuō)明原先熱處理工藝引起，同時(shí)決定對原熱處理試件放置對試件沖擊功不合格原因分析及改進(jìn)措施是客觀(guān)方式進(jìn)行改進(jìn)，由原先平放改為立放，以改善試有效的。件冷卻效果。后對該試件代表的產(chǎn)品封頭重新進(jìn)行了正火處理(產(chǎn)品試件同爐熱處理)，最終未參考文獻發(fā)現上述沖擊功偏低現象。[1]《承壓設備焊接工藝評定》NB/T47014-2011(JB/T4708)[2]《壓力容器焊接規程》NB/T47015-2011(JB/T4709)4結論[3]《固定式壓力容器》GB150.2-2011Analysis for the Reason of Unqualified Welding Test Plate of 16MnDR Head ProductWang Jian dong (Yixing Jiuzhou Head Plate Forge Co, Ltd. Yixing 214212)Abstract: The essay mainly analyze the reasons of unqualified welding test plate about the 16MnDRhead product, investigating each process of manufacturing and determining the factors about the unqualifiedproduct test plate, and solving all the problems successfully by adopting the corresponding measures, layingthe foundation for the smooth delivery of qualified products.Keywords: 16MnDR, head, normalizing, test plate, disqualification(.上接第30頁(yè))The Development and Application of Underground Coal GasificationMa Xiao-fei, Wang Yong-bing (Xinjiang Special Equipment Inspection and Research Institute, Urumqi 830013)Abstract: The reserve volume of deep coal seams is huge, but the development and application isaffected by some factors, such as the high water pressure, the high crustal stress, the high gas and the highearth temperature. Therefore, the research and experiment of efficient coal technologies is irreplaceableimportant and significant. The advantages, economic evaluation and product application of UCG are analyzedand summed up. It draws a conclusion that UCG are both economically and environmentally attractive. It willbe an important research topic and the development directions in the field of clean coal technology.Keywords: coal gasification, clean coal, coal gas, UCG