煤炭地下气化工艺

1、煤炭地下气化工艺煤炭地下气化是一种直接把煤在地下气化的采煤方法。利用它可获得热能，电能或各种化学产品。本采煤方法可解除矿井内的人员，矿工繁重的、不安全的劳动；可建立一个环保洁净的企业，这一工艺一百多年来吸引了多少研究工作者想把它会付诸于现实。目前有关煤层地下气化发展前景的资料很多；但其作者对工技术的评价众说纷纭。俄罗斯在煤层地下气化技术方面在世界上是处于领先地位。早在三十年代初就在二个煤田；顺涅茨克、库兹巴斯和莫斯科近郊开始了实际工作。第一批试验是在地底下建立层状的气化炉、以获取动力气体的水蒸气。在四十年代末在戈尔洛夫城、里希查城和杜拉城建成了第一批工业试验性的地下气化站。当时采用直井式和半直

2、井式的气化方案，由于查明直井式方案有一系列原则缺点，所以后来就指定采用无井式方案。通过实际研究表明，采用气流法能把原煤层气化。地下气化的过程由下列主要阶段组成：从地表向煤层钻进垂直的、倾斜的和定向倾斜钻孔。为了实现气化过程，将钻孔底端在煤层中贯通。将煤层点燃使煤体气化：无井式方案揭露煤层的实质就是在煤层上相隔一定距离钻进进气孔和出气孔。气化过程中吹入的氧气与煤层的碳作用，生成二氧化碳、一氧化碳、然后是氢；此外，在气体中还有其它可燃物质；甲烷，不定的碳氢化合物，硫氢化合物。进、出气孔按一定的网格布置形成地下气化炉，在地表设有压送气化剂，例如“空气、富氧空气的管道和把气体输送到净化和冷却设施的管道

3、以及相应的设备和厂房。采用洗涤装置进行气体的净化，地下气化站可以同时或单独产生动力气体和进气体黔简单的气体方案是采用空气作为气化剂，其工艺示意图见图1。所得气体的组成及热值取决于煤层埋藏的工艺条件、煤的质量、气化剂的成分以及气体净化程度。当采用空气作用气化剂时，理论计算气体热值不会大于4.4MJ/m3（1050大卡/m3）；由于水蒸气和煤的其它有机物质的参于气化过程。使热值达到4.65.0 MJ/m3（11001200大卡/m3）；当采用富氧气化剂时（含65%的氧），热值可提高至6.7MJ/m3（1600大卡/m3）；所以地下气化时所得到的是低值热气体。图1 煤炭地下气化站工艺流1公斤煤能气化

4、成1.55.5m3的煤气。整个气化过程以及燃烧热的维护是通过调整进、出气量，对于地下气化的控制是通过工艺、地质和测定的方法。二次大战后又恢复了地下气化工作，当时主要注意力集中在燃料再处理的化学工艺，矿山和钻探工作，地下流体和气体动力学、水文地质、设计专用机械设备。从1949年至1964年，从事煤层地下气化问题的单位有全苏地下气化研究所和地下所气化地质研究设计院以及18个科学分析有关研究所。在此阶段，设计和投产的有1955年“南阿宾斯克”站，设计能力为5亿m3/年（相当于25吨库茨涅茨煤），1958年“沙特卡亚”站，产量为6.6亿m3/年（相当于25吨莫斯科近郊褐煤），1961年“安格林”站，产

5、量为23亿m3/年（相当于50吨煤）；还有在顿巴斯煤系和高湿润性的第聂伯尔煤田建的“卡敏斯克”和“西涅尼柯夫”气化试验站。经过研究和工业性的试验工作证明了无井式气化褐煤层厚度从2m至22m，埋深从30m至250m；烟煤层厚度为0.6m至10m，埋深从50m至400m。在六十年代初发现了大规模天然气，改变了国家能源利用的结构。天然气与石油气产品成为主要燃料，从这以后煤层地下气化工作大大缩减。从1973-1974年，整个资本主义世界发生了经济危机、重新引起了对地下气化的注意力。由于石油、天然气的减少以及未来对能源需求增加。煤在未来的动力和工业中的作用越来越显著；还应注意到，在资本主义发达国家中，化

6、学工业对液态和气态的碳氢原料的需求，据预测至2000年，将达到总产量的20-50%。对燃料需求的增加不得不设法提高煤的利用，最理想工业能源可能就是地下气化出来的气体。在俄罗斯积累了多年从事煤层地下气化的经验。例如“南阿宾斯克”站正常工作了36年，而“安格林”站正常工作了32年。“安格林”站的气体热值为3.13.4 MJ/m3（740810大卡/m3）；而在“南阿宾斯克”站为3.44.2MJ/m3（8101000大卡/m3）。“安格林”站生产的气体供给安格水力发电站，“南阿宾斯克”站供应基西列夫斯克城10个取暖锅炉，“南阿宾斯克”站主要用“基西列夫斯克伯洛柯彼夫斯克”烟煤（库兹巴斯），共23层，

7、厚2m6.5m，埋深50m300m，倾角3536，煤的牌号。该站的工艺流程见图2，它包括高压（至7.0MPa）压缩空气装置，用于贯通；中压（7.0MPa）装置，用于形成气化通道；低压（0.250.46MPa）装置，用于维持燃烧煤层。低压空气输送至地下气化炉内，经过燃烧形成气体，原生气体进入地表洗涤装置，经喷水冷却至2030，同时从气体中分离灰屑、油脂物：CO2和H2部分被洗涤。冷却后的气体即可经管道供给用户，用于冷却的水在洗涤循环中反复利用那里有冷却塔和沉淀池等专用装置，水的苯酚层在开式沉淀池中，经过脱酚后变为废水排放，为了冷却空压机和输送管道采用标定图2 南阿宾斯克地下气站工艺流程该站的设计

8、能力为5亿m3/年，而成本为1.8卢布/1000m3（12.6卢布/吨煤），1965年实际最大产量达4.5亿m3/年（相当于气化19万吨煤/年）。安格林站位于塔什干地区，用的是安格林褐煤，设计年产量为23.2亿m3，被气化煤层厚度从3m29m，埋深120m250m，其特点是煤层和有热质的砂岩和粉砂岩围岩含有极低的含水量和渗透性，煤层上面有一层厚为60m100m的隔水层。在地下气化炉范围内，从地表相隔15m20m钻有垂直孔，钻孔内下入套管，管外用水泥加固。除揭露煤层的垂直孔外，还有倾斜水平孔，仅在岩石部分下入套管，在煤层中钻孔的贯通借助3.06.0MPa压力，吹入空气气化时采用低中压（0.20.

9、6MPa），参与气化的是煤，空气中的氧气和煤的水份。最大产量达14.10亿m3（相当于气化52吨煤）。工作过程相当稳定，证明采用空气吹孔在不同的矿山地质条件下可达400m的深度，在地表综合解决了气体的除硫化氢的净化工作，获得了宝贵的化工原料（次亚硫酸盐和硫和脱酚的排放水）。至1994年初，气化站消耗了146百万吨煤，获得了500亿m3气体，用于动力、取热和获得化学产品。煤层地下气化与常规传统采煤相比表明一系列技术优点：解除了地下矿工的繁重劳动；排除了含高废渣燃料的运输，地表的灰渣堆以及含硫灰尘和硫酸物的污染；可开采不受灰分和煤层厚度以及复杂矿山地质条件限制的煤层；可实现工艺的全部自动化和机械化

10、；可获得用于经济建设宝贵的化学产品；与建设深的竖井来比可养活基本投资。阻碍广泛应用地下气化技术的因素有：低的化学和能量气化有效利用系数；与天然气相比低的热值；稳定地下气化产出气体的组分过程比较复杂；综合利用和排除气体所含的物理热能问题比较复杂；还缺乏对煤层地下气化工艺的技术经济评价方法。虽然存在上述缺点，但俄罗斯及国外的专家们已经证实了煤层地下气化技术上的可行性和能够稳定的取得计划的气体产量。二、煤层地下气化企业与传统的采煤方法的技术经济分析2.1 “南阿宾斯克”地下气化站建于1952年，1955年投产，气化23层煤，厚为2m，倾角为5570，气化所用工业储量煤为3260万吨（1977年6月1

11、日统计）。气化站的工业用地建于不含煤的地层上，主要车间为：空压机和气化炉，钻探车间有必要的钻探设备；而安装车间主要为地表管道服务。主要投资分配见表1（1980年价格，参图3所示）表1 主要投资分配顺序号名称价值千卢布%1厂房31062建筑物718.4143气化炉（煤）57.314传送设备371.575地表管线614.3126动力机械1807工作机械868168注用房输送管路2335.4449其它机械3.5010器材1.7011测量仪表18.6012工具0.30合计5317100图3 主要投资分配图从图中可以看出，主要投资用于输送设施（44%），这是由于10个锅炉用户的管道比较分散所造成。气化站

12、的设计能力为5亿m3/年，成本为1.8卢布/1000m3（12.6卢布/吨煤）；1955年投入生产，1959年产量为2亿4.56亿m3/年，它要比“基西列夫斯克伯洛柯比夫斯克”区以下简称“基伯”区，矿井的生产能力小很多倍。由于缺乏大的用户，还受季节的影响，冬天每天生产90万至200万m3气体；而夏天30万m340万m3。至1967年气体产量逐步增加至1亿至4.48亿m3，而且部分气体没被利用和放空。由于产量的增加，气体成本逐渐下降，至1966年降至最低为1.98卢布/1000m3或14卢布吨煤。此外，气化站生产接近设计能力（4.48亿m3/年）。表2是“基伯”地区几个矿井生产能力和1977年采

13、煤成本（按78.1.1统计）；图4为企业生产能力有关的吨成本变化图。表2 “普洛哥比煤”矿务局竖井与露天开采的经济指标名称竖井露天矿伐汝雪太平契尔卡索夫索塔哈克西列夫12#捷尔金克西列夫伐汝雪75年元月元日生产能力千吨标准煤1011.3942.9157.7828.81571.81001.51279.0976.21349.3771.0开采1吨煤至用户成本吨标准煤，卢布13.7314.2828.9912.5412.1213.114.6811.8213.2111.078年元月元日生产能力千吨标准煤815761552.1842.210101347.513601706789.4开采1吨煤至用户成本吨标准

14、煤，卢布17.1618.9615.1412.5513.9515.7610.559.0411.19图4 按交通综合研究所的资料，对于“基伯”地区10公里的运输费用为1.46/0.891=1.64卢布/吨标准煤，0.891为实际燃料成本转为标准成本的系数。按研究所资料，把煤送到用户（含仓库保管、装卸、粉碎等），对于电站为1卢布/吨煤或1.12卢布/吨标准煤。因此，煤的开采成本，若换算成标准煤，则增加至2.76卢布/吨标准煤。假如为了比较取一个平均水平，对于“基伯”地区N312矿井，其生产能力为101万吨标准煤，从表2可知，其煤的成本为13.9卢布/吨煤标准煤；当时矿井的生产能力为“南阿宾斯克”站的

15、15倍。1949年，该站的生产能力已达到4.48亿m3和6万吨标准煤，气化站所生产的气体成本为1.98卢布/1000m3或14卢布/吨标准煤，没有超过当地煤的开采成本。应该指出的是，上述对比不是完全在等同条件下进行的，因为矿井生产为了改善自己的经济指标，是采用了最新科技成本；而南阿宾斯克站是一个工业试验性质的地下气化站，其生产能力不是按经济标准的，而是从研究煤的地下气化过程考虑的。因此不能完全反映煤层地下气化工艺的经济可行性。南阿宾斯克站从1955年至1995年四十年的工作可划分如下几个阶段：第一阶段，19551967年，发展生产至开始稳定生产，出气量0.208至4.48亿m3，达到了设计能力

16、和所设计的技术经济指标；证明了所采用的技术决策正确。第二阶段，19671977年，气化了最有利的储量，产量从2.57亿至4.59亿m3。掌握了陡倾斜煤层的气化技术，暴露了不是全年都有大的用户（还产生了管道由于冷凝物而堵塞），还由于1962年政府停止了对地下气化技术研究和试验工作的投资，气化站开始在较严重的经济条件下工作。主要生产金属构件。第三阶段，19771987年，主要气化较薄的煤层产量降低；气化站由1983年气体工业部的领导归为原苏联煤炭工业部领导，气化站还进行了污水去酚的建筑工程和新钻探设备的试验工作。最后结束阶段，19871994年，气化300m水平线下的煤层（上边地层已被开采和充填）

17、，当气化下部地层时导致岩石和水下落至底部气化炉而停止生产，这不是气化工艺没有过关，而是陡倾斜矿层的开采方法没有选对。分析所进行的工作表明：1. 气化站经过10年工作达到了设计产量5亿m3/年；而且气体成本与一般地下开采法相当（在同一煤矿）。2. 所取得的不太高的技术经济指标不能看作为对地下气化技术的评价，因为工业试验只是想检查地下气化技术的可行性。此外，该站处于基西列夫地区，那里廉价能源很多（露天开采，西伯利亚河流系的水力能源，天然气丰富等），影响了对地下气化站的投资。2.2 “安格林”站地下气化站的生产经验和主要技术经济指标的分析建于塔什干地区安格林褐煤的地下气化站，1961年投产，年设计产

18、量为23亿m3用户为位于离站4.6公里处的水力发电站，所气化的煤层厚为320m，埋深120250，煤含水量和渗透性极低，围岩为高岭石化砂岩和粉砂岩，煤层上部主要含水层离煤层有一层厚为60100m的隔水层，气化时没发生降水现象。被气化的煤的特性见表3。表3 煤的特性煤技术成分，%煤可燃性，%燃烧热值水蒸气Wp灰分Ar挥发成分VrCrHrOrNrSr净煤质量QpHMJ/kg3512.233.074793.54.516.60.81.615.081982年元旦时气化站只有0.18亿吨煤，其中将近0.12亿吨煤可以气化。在地表相隔1520m钻有钻孔，钻孔内有套管，套管外用水泥加固；有时在煤层中钻倾斜水平

19、孔，其岩石部分需加固。煤层中的贯通采用3060大气压。进气采用26大气压的低中压。其它主要技术经济指标列于表4。表4 安格林站的主要指标指 标生产年份19621965196819711974197719801986生产气量 百万m348914101005.6798396.8396.3299.4273.1折合标准煤 千吨55.516011085.057.641.029.127.9气体热值 大卡/m3（低值）MJ/M37943.37963.337683.27433.17283.097263.046802.84850被气化煤量 千吨182527369283183140101.780.1每公斤煤出气量

20、 m32.62.682.732.822.982.832.962.96理论漏气量 %15.115.716.521.013.114.67.87.6气化效率系数 %59.260.157.858.561.058.556.7单位耗电量KW/1000m31158794.5101101.5122.7143.3气体成本卢布/吨标准煤33.616.018.422.128.837.844.5气体成本卢布/1000m33.811.823.12.353.033.784.32*气体平均折合成本22.78卢布/吨标准煤。1000m3成本结构分析见表5，图5。表5 1981年地下气化成本（卢布/1000m3）指 标%1钻探

21、工作0.9220.12动力消耗1.55343工人工资0.0514设备维护0.327.15车间消耗1.2928.36气体运输0.327.17气体直接成本4.4597.68管理成本0.112.49合计：气体4.5610010其它生产消耗11总成本4.56图5 建地下气化站和竖井的人员投入数（N）与基建投资（K）的比较1 新德来列夫；2 西涅尼柯夫；3；波克达诺夫No-1；4 波克达诺夫 No-2；5 米列洛夫No-1；6米列洛夫No-2；7 列查恩；8 哈巴洛夫；9 南阿宾斯克No-1；10 基西列夫No-2；11 普洛哥比No-3。从上图可看出，气体成主要消耗在动力（34%）、钻探（20.15%

22、）和车间（28.3%）。1981年销售价格为：1.45卢布/1000m3，1981年动力消耗占34%，主要用于送气，送气占用的电能为67%，送气单位电能消耗为94KW/1000m3。气化生产所占用的劳动力数见表6。表6 生产气体占用人数名称19801981送气车间3242钻探车间4436清理2422试验工作1111合计111107气体劳动生产率1000m3/每人26542754吨标准煤/每人262285卢布/每人产值34773785从1980年开始气化站正常工作，每年生产46亿m3气体。企业经常遇到经济上的困难和物资供应少缺。1994年气体成本（折合成煤）为2.12万卢布/吨（至用户）而在附近

23、9#煤矿为4.5万卢布/吨（原址）。目前气化站正组织组织砖、瓦及其它建材的生产气体于焙烧。安格林水力发电站于1989、1990年进行过经济核算，见图6。用气量为5.5亿和7亿m3（气体热值为3.2MJ/m3），计算一个锅炉Tn-230-2，进行比较的是利用安格林和卡恩斯柯阿季金煤和地下气化的气，那么1989年相应煤的成本为9.71和12.34卢布/吨，而气体折合成煤为5.80卢布/吨；而至90年，则为17.94和29.65卢布/吨与16.56卢布/吨。图6 安格林水力发电站采用地下气化的气体经济效益分析图（消耗量为550和700百万m3/年，热值为3.2MJ/m3）就两年采用地下气化的气获得2.291百万卢布的经济效益。还需指出：乌兹别克坦具有丰富的天然气，这阻碍了向安格林站的投资及正常维修。在此情况下，安格林煤层气化成本还低于正在竖井开采的2倍，大致等于露天开采的成本。假如考虑铁路运输费用的上涨，那么地下气化可大大降低运输费用和准备费用。2.3 几