煤炭地下气化技术可行性分析与建议

1、煤炭地下气化技术煤炭地下气化技术可行性分析与建议可行性分析与建议一、煤炭地下气化原理与方法一、煤炭地下气化原理与方法n煤炭地下气化UCG（underground coal gasification）是将地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体或原料气的过程。n煤炭地下气化集建井、采煤、转化工艺为一体，开发清洁能源与化工原料，改传统的物理采煤为化学采煤，提取煤中有用含能组分，实现煤炭清洁开采，具有安全性好、投资少、见效快、效益高的优点。n煤炭地下气化因具有突出优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。早在1979年联合国“世界煤炭远景会议”就指出：发展煤炭地下气化

2、是世界煤炭开采的研究方向之一，是从根本上解决传统开采方法存在一系列技术和环境问题的重要途径。为此，世界各国相继投入了大量人力、物力进行研究和开发，取得了一定成果。1992年我国制定的科学技术中长期发展纲要“白皮书”明确提出:“到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化试验研究”，并“建立商业性煤炭地下气化站”。（一）煤炭地下气化原理（一）煤炭地下气化原理煤炭地下气化原理与一般的煤气化原理相同，区别在于它的气化炉直接设在地下煤层，将空气或氧气或水蒸气鼓入地下煤层的反应区，生成的煤气由钻孔排出，主要成分是H2、CO、CO2、N2和少量的CH4、H2S和O2，残存的灰渣留在原处。从地面向煤层

3、施工两个钻孔1、2，通过火力、电力、水力或定向钻进等方法将两孔贯通形成气化通道，在连通的空腔内点燃煤层进行气化反应。空气或水蒸汽从孔1压入，产生的煤气从孔2排出，获得煤炭资源有用组分。气化过程的化学反应（1）氧化区：n气化剂中的氧和炽热的煤中碳发生多相化学反应产生并释放出大量的热：nC+O2=CO2+393.9 kJn2C+O2=2CO+231.4 kJ（2）还原区：n气流继续向前流动，CO2和H2O在炽热的煤层表面分别发生还原反应：nCO2+C=2CO162.4 kJnH2O+C=H2+CO131.5 kJn甲烷化反应：CO+3H2=CH4+H2O206.4 kJ（3）干馏干燥区：n无氧的高

4、温气流进入干馏干燥区，热作用使煤层中的挥发物质析出，形成焦炉煤气（可燃组分主要是H2、CO和CH4）。（二）煤炭地下气化方法（二）煤炭地下气化方法 n煤炭地下气化方法可分为有井式、无井式和并用式三类。n有井式需要进行地下作业，挖掘竖井和水平巷道。n无井式只需从地面钻孔，并完成两个钻孔之间气化通道的贯通，不必进行井下作业。 1、有井式 n有井式地下气化方法可分为室式、钻孔法和气流法三种。n室式气化法需要开凿竖井和平巷，再把打开的煤层用岩石砌筑成气化室，气化剂从一个竖井鼓人，在气化室煤层中气化后，生成煤气从另一个竖井排出。2、无井式 n无井式地下气化方法只需在地面上钻孔以及钻孔之间煤层的贯通。n无

5、井式地下气化有单孔式和渗透式两种方式。 3、地下气化站地面系统组成n钻机及贯通设备n鼓风和蒸汽系统n煤气冷却净化系统n煤气输送管道n计量系统二、国内外煤炭地下气化发展二、国内外煤炭地下气化发展现状和趋势现状和趋势 （一）国外煤炭地下气化技术发展现状（一）国外煤炭地下气化技术发展现状n1868年德国科学家威廉西蒙斯首先提出了煤炭地下气化（UCG）的概念。n1888年俄国化学家门捷列夫提出了地下气化的基本工艺。n1907年通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸汽的地下气化技术在英国取得专利权。n1912年，英国化学家威廉上南姆塞在达勒姆煤田首次进行地下气化试验。n1933年，前苏联开始进行地下气化现场试

6、验。n并在19401961年先后在莫斯科近郊煤田和顿涅茨克煤田等地建成5个试验性气化站，已气化了1500多万t煤炭，获得50多亿m3的商品煤气。 n美国地下气化研究试验投入了大量资金。n七十年代能源危机期间，组织了28个大学和科研机构，在俄怀明州进行了大规模、有计划的科研工作。n到80年代中期，累计进行了29次实验室和现场实验，气化煤炭4万t，纯氧气化煤气热值最高达14MJ/m3。n1987年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在洛基山1号进行注入点控制后退（CRIP）气化新工艺试验，它是地下气化技术的一种新模式，是UCG技术的一项重大突破。n与此同时也进行了扩展贯通井孔（ELW）模式试验，气化的气化剂

7、采用了富氧/水蒸气或氧气/水蒸气，获得了不同组成的中热值煤气。 n1976年，比利时和原西德签署了深部煤层地下气化试验协议，1979年在比利时成立了地下气化研究所，进行UCG实验室研究和现场试验。n19781987年，在比利时的图林（Thulin）采用高压气化进行现场试验，试验生产的煤气用于发电。采用小直径定向钻孔和CRIP工艺，试验基本成功。n1991年10月到1998年12月，6个欧盟成员国组织成立了欧洲地下煤炭气化工作组，在西班牙特鲁埃尔（Teruel）对地表下深500700m，厚度为2m的煤层采用定向钻孔和CRIP工艺进行现场气化试验，煤气热值达10.9MJ/m3。这次试验解决了一系列

8、技术问题，工作组准备在此基础还将进一步进行商业规模的试验。n英国、澳大利亚、日本、新西兰、印度、泰国、朝鲜和乌克兰等国也对地下气化进行了研究或开发工作。 国外重要的煤炭地下气化试验和典型煤气组成 （二）我国煤炭地下气化技术发展现状（二）我国煤炭地下气化技术发展现状 1现场试验阶段：n1958年，我国在山西大同、吉林蛟河、黑龙江鹤岗兴山等煤矿进行了地下气化试验，生产出可燃煤气。n1959年9月28日，在安徽广德独山东川岭建立煤炭地下气化站，同年12月14日获得可燃煤气，供小型煤气机和蒸汽机发电。2停滞阶段：n因绝大部分试验是依据自然条件进行的，试验和应用与生产脱节，地下气化所生产的煤气未能真正发

9、挥作用，因此1962年以后基本上停止了试验。3发展阶段：n1985年，徐州马庄矿进行地下气化现场试验取得成功后，国内地下气化试验受到重视，尤其在20世纪90年代中后期进入了一个快速发展时期。n1994年以后，徐州新河煤矿的半工业性试验、唐山刘庄煤矿的工业性试验、依兰及鹤壁等煤矿的“小型矿井式煤炭气化技术”工业性试验等研究成果相继通过部、省级鉴定，从此地下气化开始进入工业性试验阶段。n2000年，山东新汶“孙村煤矿地下气化技术研究与应用项目在工艺技术上取得了多项进展。其主要特点是利用报废煤层建立气化炉，煤气经净化后通过原输送管网供应给用户，从而建立了工业生产规模的地下气化生产煤气、煤气净化和贮存

10、输送系统，为1万多户居民和若干台锅炉连续提供燃气，实现了地下气化从试验到应用的新突破。n随后，新汶矿业集团公司协庄煤矿等6个炉先后点火运行，生产的煤气用于民用和内燃机发电，目前新汶矿业集团公司是我国生产规模最大的地下气化企业。n目前，建设和规划中的山西阳曲青龙矿、晋中义堂煤矿、山东龙口北皂矿、肥城曹庄矿、内蒙古平庄矿、河南鹤壁三矿、甘肃华亭煤矿、兖州“三下”煤和高硫煤“矿井气化”等煤炭地下气化工程的建成，必将推进我国的煤炭地下气化工程建设。我国煤炭地下气化开发和应用情况 （三）国内外煤炭地下气化存在的主要问题（三）国内外煤炭地下气化存在的主要问题n由于地下气化生产和煤气成本比现有天然气和石油等

11、原料高，因此地下气化在国外的发展受到限制。n我国煤炭地下气化虽完成了技术试验研究、半工业性试验和工业性试验，取得了重要成果，但要形成规模性商业化生产，还有很多问题需要研究和探索。n尤其是对不同的煤层和煤化工产品原料煤气质量要求，对地下气化的检测与控制的实质性解决方案、特厚煤层气化、地下气化燃空区充填技术、气化对环境的友好性等还需继续研究，为加快煤炭地下气化技术的发展提供理论基础，为实现煤炭地下气化产业化生产推广提供技术保证。 （四）国内外煤炭地下气化技术发展趋势（四）国内外煤炭地下气化技术发展趋势（1）考虑到我国目前地下气化技术的特点和现状，今后主要以气化开采遗留在地下的煤炭、煤柱、或因各种原

12、因而残留的呆滞煤。（2）加强对地下气化过程的有效检测和控制技术的研究与开发。目前这些技术尚不成熟，而且是制约地下气化向商业化发展的关键因素。因此必须给予高度重视和研究。（3）提高煤气质量稳定性，确保用户的煤气质量和气量、热值的稳定。通过开发和利用新技术，使煤气产量、组成和热值波动范围减少，以适应大规模商业化需要。（4）针对不同用户，采用相应的气化剂及操作工艺。（5）加强基础理论研究。包括地下气化反应动力学、气化过程传质、传热、能量传递、过程数学模拟及预测、气化炉周边变化规律等，以期对现场应用起到指导作用。（6）地下气化炉的安全问题。隔断密封措施，防止煤气泄漏；相应防爆、防火设施；对地下水量大的

13、气化炉采取相应排水措施；及时处理气化范围燃空区冒顶及塌陷问题。（7）因地制宜开发多种类、多型号地下气化技术。针对不同煤层及周边环境、用户需要煤气规模大小，设计不同类型、不同规模的地下气化炉，并走上标准化道路。（8）加强地下气化过程对环境影响的研究。包括煤气泄漏情况、地下气化对地下水和地面环境的污染、地表塌陷问题等。三、辽河油田煤炭地下气化的三、辽河油田煤炭地下气化的优越性优越性 （1）符合）符合“以煤代气、以煤代油以煤代气、以煤代油”新技新技术发展和油田可持续发展战略的要求术发展和油田可持续发展战略的要求n辽河油田是以油气生产为主的资源型企业，辽河油田勘探面积为18526km2，在勘探区内发现

14、了大面积的煤层，总的资源量为120亿t，这些资源大部分在1200m左右，井工无法开采，故十分适合利用钻孔式煤炭地下气化方法使这些资源得以利用。（2）辽河油田具有开展无孔式地下气化的设备）辽河油田具有开展无孔式地下气化的设备与技术优势与技术优势n辽河油田具有先进的钻井设备，7000 m、5000m、3200 m、2000 m等一系列不同功率钻机可以满足任何情况下的钻井施工。nMWD、LWD的引进可以解决煤层内几个井眼贯通的技术要求和井眼在煤层中的准确位置。n完善的泥浆体系，解决了在煤层中钻进的井眼保护问题。n先进的压裂设备可以解决在水平井和垂直井没有完全贯通情况下的煤层内压裂贯通问题。n深部煤层

15、地下气化过程要求全面的地质勘探、定向煤层钻进及其监测、控制设备。油气工业丰富的设备及技术，可以服务于现代地下气化过程。高分辨的三维地震调查以及利用钻孔的地震分析可以对煤层进行高分辨的勘探。（3）辽河油田深部煤层地下气化的优势与特点）辽河油田深部煤层地下气化的优势与特点n目前我国煤炭地下气化技术主要用于浅部煤层地下气化，地下气化煤层的深度为200m300m。技术特征主要表现为人工井巷掘进构建气流通道及地下气化通道，在井下设置点火煤堆及点火装置，同时采用井下排水措施；另一特征为低压气化，目前的现场试验压力范围为10kPa20kPa左右。n辽河油田气化煤层属于深部煤层地下气化，与浅部煤层地下气化相比

16、，深部煤炭地下气化具有以下优势和特点： 有利于深部煤炭资源低成本回收； 可以采用较高的气化压力； 操作灵活；稳定气化时间较长，有利于工艺控制。四、辽河油田煤炭地下气化四、辽河油田煤炭地下气化需要解决的主要问题需要解决的主要问题 1、辽河油田深部煤层地质勘探与精、辽河油田深部煤层地质勘探与精细勘测问题细勘测问题n与地面气化炉生产过程不同，煤炭地下气化用煤是地下自然赋存条件下的煤层，气化的稳定与气化效率受煤的渗透性、膨胀性、胶结性、热传导率和热扩散系数的影响较大。n因此需要研究辽河油田深部煤层地质条件如煤的渗透性、膨胀性、热传导率、热扩散系数、地下水、煤层顶、底板岩石性质、煤层构造及煤的结构等因素

17、对地下气化的影响。n煤炭地下气化的效益在很大程度上取决于地区地质构造的研究程度。总的要求是要确切搞清地下气化地区的地质构造、煤层的贮存状况、产状、厚度、煤质情况以及水文地质情况，即矿床的勘探程度要达到建竖井所需的详细勘探要求。2、辽河油田深部煤层地下气化工艺、辽河油田深部煤层地下气化工艺问题问题 n欧洲地下气化现场试验表明，基于煤层定向钻进技术的受控后退注入式地下气化工艺CRIP是目前深部煤层地下气化最可行的技术方案，其关键技术是煤层定向钻进及其受控后退注入技术CRIP。根据辽河油田深部煤层赋存条件和钻井技术条件，十分适合采用CRIP技术工艺。nCRIP技术是由石油和天然气行业开发的。一个钻孔

18、注入井钻进到煤层中，另一个钻孔垂直生产井尽可能在煤层下部与注入井接通，形成一个连续气化通道。钻完井之后安装同心套管，以提供产气和注气的通道。 CRIP气化工艺示意图3、辽河油田深部煤层地下气化通道、辽河油田深部煤层地下气化通道贯通技术问题贯通技术问题 n迄今国内外试验了5种贯通方法：电力贯通、爆炸破碎、水力压裂、反向燃烧、定向钻孔。只有后两种方法证明是可行的。n定向钻孔：定向钻孔是石油工业开发的一种钻井新技术,它是从地面打垂直钻孔，钻到一定深度后，钻孔可以拐弯，变成水平方向钻进，形成水平孔。图林 UCG试验定向钻孔布置4、辽河油田深部煤层地下气化的点、辽河油田深部煤层地下气化的点火技术问题火技

19、术问题n受控后退注入技术CRIP涉及到机械移动及控制喷嘴和地面的点火器，通常采用石油和天然气行业使用的一种经过改进的设备。n这种设备在地面使用一根特制的滚筒卷绕蛇管，并在卷绕的蛇管末端安装一个功率大的喷嘴，用来点燃煤炭。 5、辽河油田深部煤层气化反应带的、辽河油田深部煤层气化反应带的预测和监测问题预测和监测问题 n待气化煤层的气化反应带的预测和监测，是UCG能否成功的关键要素。n目前，UCG试验通常都采用计算机模型模拟气化过程。应用这些模型，有可能相当精确地模拟气化反应过程，预测能够气化的煤量、煤气的产量和质量以及生产成本。 五、对辽河油田煤炭地下气化五、对辽河油田煤炭地下气化工程研究开发工作

20、的建议工程研究开发工作的建议（1）广泛开展国内外调研工作）广泛开展国内外调研工作n辽河油田煤层地下气化属于深部煤层气化问题，必须针对深部煤层气化的特点开展国内外广泛调研工作，重点在地下气化工艺参数、地质勘探与精细勘测、钻孔钻进技术、地下气化通道贯通技术、地下气化的点火技术等方面开展调研工作，确保辽河油田深部煤层气化的开创性工作顺利进行。（2）进一步开展辽河油田深部煤层地质勘探与）进一步开展辽河油田深部煤层地质勘探与精细勘测工作精细勘测工作n针对深部煤层地质条件对地下气化的影响，在煤的渗透性、膨胀性能煤的热传导和热扩散性能、地下水、煤层顶、底板岩石性质、煤层构造及煤的结构、煤层厚度、倾角、节理及

21、层理等方面进行深入研究，确保达到现场试验的精度要求。（3）及早开展辽河油田煤炭地下气化模型试验）及早开展辽河油田煤炭地下气化模型试验研究研究n针对辽河油田煤层特点，开展煤炭地下气化模型试验研究工作，通过模型试验，获得气化的稳定性及产出符合热值燃料气的可行性，研究获得气化各工艺参数对地下气化的影响关系和规律，获得稳定产气阶段的煤气组成、热值及最佳工艺操作参数，为现场气化炉设计和工艺选择提供了基础数据，同时获得煤层的气化速率及各项气化指标，为辽河油田煤层地下气化工程的设计提供了理论依据和技术参数。（4）合理确定辽河油田深部煤层地下气化工艺问题）合理确定辽河油田深部煤层地下气化工艺问题n研究、采用国内外成熟、先进的深部煤层地下气化工艺，重点研究、消化基于煤层定向钻进技术的受控后退注入式地下气化工艺CRIP的深部煤层地下气化可行的技术方案，创造性开发出具有我国特色的深部煤层地下气化工艺技术。（5）重点研究辽河油田深部煤层地下气化通道）重点研究辽河油田深部煤层地下气化通道贯通技术贯通技术n重点研究定向钻孔、反向燃烧和水力压裂贯通技术，获得深部煤层地下气化通道贯通技术的新突破，为深部煤层地下气化工作的实现创造先行条件。（6）切实解决辽河油田深部煤层地下气化的点）切实解决辽河油田深部煤层地下气化的点火技术问题火技术问题n研究、开发包括受控后退注入技术CRIP的机械移动、控制喷嘴和地面的点