煤炭地下气化技术现状及产业发展分析

1、煤炭地下气化技术现状及产业发展分 析 （2014-11-11 09:29:45） 煤炭地下气化技术现状及产业发展分析 煤炭地下气化 (undergroundcoalgasif ication,UCG）是将地下赋存的煤在煤层内燃烧、气 化成煤气，输送到地面，作为能源或化工原料，特别适用于常规 方法不可采或开采不经济的煤层，以及煤矿的二次或多次复采， 产品气可以经过处理通过管道输送，也可以直接使用煤气发电或 化工合成。煤炭地下气化（UCG）是一门融多学科为一体的综 合性能源生产技术，牵涉到地质学、水文学、钻井技术、点火燃 烧控制技术、产品气加工利用技术、 生态环境保护技术等一系列 技术，其复杂程度

2、远超地面气化， 这也使其风险程度增加。 目前， 煤炭地下气化（UCG）技术在少数国家已经实现了少量的商业 化应用，俄、美、英、德国、澳大利亚、日本和中国等国家已不 同程度地掌握了该领域的一些关键技术。 1 煤炭地下气化（UCG）基本原理及相关技术 1 . 1 基本原理 煤炭地下气化的过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现 的，整个气化过程可以分为氧化、还原、干馏干燥3个反应区（图 1）。从化学反应角度来讲，3个区域没有严格的界限，氧化区、 还原区也有煤的热解反应，3个区域的划分只是说在气化通道中 氧化、还原、热解反应的相对强弱程度。经过这3个反应区以后， 生成了含可燃组分主要是H2、CO、CH

3、4的煤气，气化反应 区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行，气 化通道的煤壁（气化工作面）不断燃烧，向前推进，剩余的灰分 和残渣遗留在采空区。 1 . 2 关键技术类型 1）有井式气化技术。该法又称巷道式地下气化炉技术 （图2） 在开采或废弃的煤矿井中建地下气化炉，以人工掘进的方式在煤 层中建立气化巷道，并在进气孔底部巷道筑一道密闭墙（促使定 向燃烧煤层），然后便可将密闭墙前面的煤炭点燃气化，从一个 井筒鼓风，通过平巷，由另一个井筒排出煤气。 此法只应用于关闭矿井中遗弃资源的回收，须进行井下施工， 作业环境和安全性差，这对其应用带来不利。除新奥集团内蒙古 地下气化试验外，我国已完

4、成的UCG项目以及正在进行前期工 作的绝大部分UCG项目都是有井式的。 2）无井式气化技术。该法采用常规的油气钻井技术钻孔 （图 3）,很好地发挥了石油企业的钻井技术优势，免去了巷道式建 地下气化炉的条件限制。相比于“有井式”气化炉，“无井式” 气化建炉具有工艺简单、建设周期短的特点，适用于整装煤田的 大规模地下气化，也可用于深部及水下煤层气化。 无井式煤炭地下气化法从地面向煤层打直径150400 mm、间距104 0m的一系列钻孔，两钻孔之间贯通形成气 化通道，点火气化。双孔式气化技术中两孔间的贯通方法常用的 有低压火力渗透贯通法、高压火力渗透贯通法、电力贯通法、水 力压裂贯通法以及定向钻孔

5、贯通法5种。 1 . 3 产气率及产品气组成 1）产气率。产气率与煤质、赋存条件以及采用的气化剂种类 等有关（表1）。一般来说，气化烟煤时，如果采用空气作为气 化剂，煤气热值1 2 0 0 kcal/Nm3，产气效率大约为3 8 3 0 Nm3/t，若采用富氧水蒸气作为气化剂，煤气热值2 2 0 0 kcal/Nm3, 产气效率大约为 2100Nm3/t。 2）产品气的组成。煤炭地下气化产品气的组分与煤阶、气化 剂类型以及工程技术等因素相关，与地面煤炭气化产品气组成基 本一致，不同煤阶、气化剂所对应的产品气组分如表2所示。 2 国内外煤炭地下气化（UCG）技术发展现状 2.1 国外主要技术现状

6、 1）前苏联UCG技术。前苏联是世界上进行煤炭地下气化试 验研究最早的国家，也是地下气化工业应用最成功的国家之一， 我国目前比较先进的煤炭地下气化技术主要是在前苏联技术基础 上发展起来的。 前苏联最初试验于1 9 3 3年， 到2 0世纪6 0年代初期， 在 莫斯科近郊、顿巴斯和库兹巴斯已有5个商业规模的地下气化试 验区，利用气化技术已回收了约1 5 0 0万t煤，生产煤气超过 500亿m3,所生产的煤气用于发电或工业燃料。1942年 苏联在莫斯科近郊煤田又试验成功无井式地下气化炉，同时还发 展了各种贯通技术，由过去的渗透技术转向定向钻孔贯通技术， 以求得长距离贯通。在气化技术上，他们对气化剂

7、进行了试验， 由过去的鼓入空气得到低热值煤气转向鼓入氧气得到中热值煤 气，大大提高了煤炭地下气化技术的水平，从而在苏联和世界各 国得到推广。 该地下气化技术的优点表现在： a 逆向火力燃烧 +定向钻 进，形成渗滤气化通道；b 采用 U型结构实现煤层预热，减 小热损，提高气化效率；c实现多点移动注气、多孔稳定出气， 保证煤气产量；d实现中等规模生产。 缺点表现在：a 气化钻孔比较多，气化炉成本高；b 对地 质水文要求比较高；c 缺少富氧和纯氧运行经验。 2）美 国 CRIP （controlledretra ctioninjectionpoint,受控注入点后退气 化）工艺。美国劳伦斯利弗莫尔国

8、家实验室1 9 7 6年开始 研究地下煤气化，在模拟研究和实验室研究的基础上，研发出受 控注入点后退气化工艺 （CRIP）。这种新工艺把定向钻进 和反向燃烧结合在一起，定向钻孔先打垂直注入孔和产气孔，到 达煤层后，从注入孔沿煤层底板继续打水平孔，直到与产气孔底 部相交，然后在钻孔中下套管。开始气化时，用移动点火器在靠 近产气孔的第一个注入点烧掉一段套管，并点燃煤体，燃烧空穴 不断扩展，一直烧到煤层顶板，待顶板开始塌落时，注入点后退 相当于一个空穴宽度的距离，再用点火器烧掉一段套管，形成新 的燃烧带，如此逐段向垂直注入孔推进。 该地下气化技术的优点表现在：a 注气点移动实现气化工作 面控制；b热

9、解带减小，气化效率提高，减少了通道堵塞及钻 孔堵塞；c从事了富氧试验。 缺点表现在：a点火操作比较复杂；b 气化规模小，生产不连续不适用于规模生产。 3）加拿大 eUCGTM技术。 成立于 1 9 9 4年的加拿 大 ErgoExergyTechnologies 公司的地 下煤气化技术是目前最受关注的技术之一，近年其专有的eUC GTM技术已被多个国家的多个公司选用来建设试验装 置（表 3）。 该方法基于前苏联地下煤气化开采技术，利用煤层中已存在的 天然通道并对其进行改良，建立连接注入井和生产井之间的通道 来解决无法建立有效贯通通道问题。 2 . 2 国内技术现状 我国煤炭地下气化试验研究发展

10、主要在2 0世纪 8 0年 代以后。目前也由实验室试验研究、现场试验研究逐步转向工业 示范生产应用，开发了具有自主知识产权的煤炭地下气化技术。 目前工业示范情况比较好的是新矿集团（有井式技术）和新奥 集团 （无井式技术），它们都与中国矿业大学进行合作。 1）新矿集团“有井式” UCG技术。新矿集团地下煤气 化 1 9 9 9年开始试验研究工作，2 0 0 0年3月点火成功， 同年 7月正式向1万余户居民供生活用燃气。于2001 2 0 0 2年相继建成了协庄气化站、鄂庄气化站（一期）， 并一次点火成功。目前日产气量达到10万 m3,煤气热值 达到 11.26MJ/m3。2002年 地下煤层气化

11、申报了 国家“ 8 6 3 ”计划“煤炭地下气化稳定控制技术的研究”课 题，获得科技部批准并被列入中国“ 8 6 3 ”计划和试验基地。 2）新奥集团“无井式” UCG技术。2 0 0 7年 1月， 新奥集团投资2亿多元组建乌兰察布新奥气化采煤技术有限公 司，与中国矿业大学和乌兹别克斯坦Angren气化站共同 开展“无井式煤炭地下气化试验项目”研究。同年10月， 我国首套日产煤气15万m3/d的无井式煤炭地下气化试验 系统和生产系统一次点火成功。该试验现场已具备供热、发电、 生产化工原料的能力，取得了一批创新性研究成果，申报了9 项专利。这项研究创新地构建了 “L型后退面扩展”的全新结构 地下

12、气化炉，创造性地开发了气化通道贯通技术、气化通道疏通 技术和无井式气化，造气成本仅为地面气化造气的40%左右。 截止到 2011年年底，新奥集团乌兰察布气化站已连续运 行四年，第三个试验炉稳定运行900天，热值和组分稳定， 发电机连续运行780天，空气连续气化生产气量30 万 m3/d，富氧连续气化生产气量15万m3/d，达到 了工业化生产要求。 2 . 3 世界主要 UCG项目 1）澳大利亚 Chinchilla项目。 澳大利亚煤炭 资源丰富，包括Line能源公司、CarbonEnerg y有限公司在内的多家企业在开发UCG项目，其中 Lin e能源公司UCG项目最为典型，其位于澳大利亚昆士

13、兰 的 Chinchilla项目是迄今西方国家中运行成功的最 大试验项目，技术采用加拿大的eUCGTM技术。该项目 于 1 9 9 9年 12月 2 6日开始产气,2 0 0 3年 4月 完成试验和有控制的停运。 期间共钻了9口工艺井，煤层厚 1 0m,深约140m，共气化煤3 5 0 0 0 t，最大产气量 约 80000m3/h,相当于70MW电力。最近Ch inchilla的 4号 UCG发生器已投运，同时计划建 设 5号发生器Linc能源公司以空气为气化剂获得的合成 气低热值约为5MJ/Nm3、压力110kPa、温度 3 0 0C，典型组成（剔除氮气后计算） 为 H 2 3 2 %,

14、CO 17%, CH4 18%o H2/CO摩尔比为 1 : 81, 很适合用于通过GTL工艺合成油。 2007年 Line公 司收购了乌兹别克斯坦的Ang ren地下煤气化厂（目前唯一运转的工业化装置），并获其 相关知识产权。Linc的ChinchillaUCG装 置所产气体主要用作发电机组的燃料，其规模将来可能扩大 到 4 0 0 MW。正在与美国合成石油公司合作开展煤制油，计 划建设一个大的煤制油装置。 2）安格连斯克（Angren）UCG项目。该项目位 于乌兹别克斯坦，于 19 6 1年投产，至今一直在生产。气化 煤阶为褐煤，煤层厚度42 4m,煤灰分含量 25% 2 8%,含水 3

15、1%3 5%,热值 3 6 5 0 kcal/k g,煤层倾角515，深 1102 5 0 m，井间 距 2 5m。系统压力156kPa（平均）。设计规模1 4亿 m3/a,最大年产气量达14 . 1亿 m3 （1965 年）。产品气热值为80085 0kcal/m3o目前已 被澳大利亚Line能源公司收购，日产合成气100 万 m3。 3）南非 MajubaUCG项目。该项目由 Esko m Holdings 公司实施，采用ErgoExergy 公司的 eUCGTM技术。于2007年1月投产，初始30 0 0m3/h,最终将提高到25万 m3/h。该项目为非 洲大陆第一个UCG装置，目的是增

16、加煤资源，该项目煤炭资源 的地质复杂性、规模及开创性都超出预期的设想。所产高质量合 成气用于发电。 3 煤炭地下气化 （UCG）产业综合分析 3.1 与传统煤炭利用相比的优点 与其他煤清洁利用技术相比 （表 4与表 5）,煤炭地下 气化 （UCG）技术主要具有以下优点： 1 ）煤炭地下气化技术具有较好的环境效益。煤炭地下气化燃 烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉，无 固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了废物和粉煤灰堆放面积 及对地面环境的破坏，这是其他洁净煤技术无法比拟的。 与传统采煤加地面燃烧相比，UCG可减少 CO2排放，并 有利于进行碳捕捉和储存CO经地面变换后，采用分

17、离技术 将 CO2分离出来储存或作其他用途，从而得到洁净煤气，因 此，地下气化技术有利于解决大气污染问题。 2）煤炭地下气化技术提高了煤炭资源的利用率。煤炭地下气 化技术可大大提高资源回收率，使传统工艺难以开采埋藏太深的 煤、边角煤、“三下”压煤、已经或即将报废矿井遗留的保护性 煤柱和按国家环保规定不准开采的高硫高灰劣质煤得到开采，大 大提高了煤炭资源的利用率。 3）安全性好。煤炭地下气化技术由于实现了井下无人、无设 备生产煤气。因此具有较好的安全性，可避免传统采煤的煤矿塌 陷、透水、瓦斯突出等事故。 4）投资少、经济效益好。与矿井和矿场建设相比，建设地下 煤气化站的投资低2.5倍，与地面气化

18、相比投资显著降低。 5）劳动生产率高。生产管理操作简单，用人少，效率高，成 本低，利润高，比井工开采可提高工效3倍以上，节约成本一 半多，而且生产安全性好。 6）省去了煤的运输和装卸。 由此没有运输过程中的燃料损失 和煤尘等污染物排放，并减少相应的费用。 3 . 2存在的不足 综上所述，尽管地下煤气化相对于地面煤气化具有基本建设投 资省、建站周期短、工艺简单、生产效率高、煤的回收率高、生 产成本低、没有三废外排问题等很多优点，但技术上仍存在多种 局限，距离广泛工业化推广任重道远。 1）煤炭地下气化过程的控制不能达到像地面煤气化的程度， 很多的过程变量，诸如水注入速度、气化区中反应物分布、孔穴 增长速度，只能通过测量温度和产品气的质量和数量进行估计。 2