地下煤气化简介

1、2016主讲人：张婷地下煤气化技术地下煤气化技术专题十九专题十九AbstractTo push the underground coal gasification (UCG) technology toward commercialization, its competiveness and cost components still need to be investigated. This paper compares the power generation cost of underground coal gasification combined cycle (UCGCC) with

2、 pulverized coal (PC) plants, integrated gasification combined cycle (IGCC), and natural gas combined cycle (NGCC). Cost sensitivity of the UCGCC as a function of coal seam depth and thickness was also examined. The results indicate that UCGCC is very competitive compared to PC and IGCC. Within the

3、same assumed fuel price range, the power generation cost for UCGCC was $4548/MWh, whereas it was $4560/MWh for PC and over $100/MWh for IGCC.The generation cost of UCGCC was as low as NGCC at low natural gas prices, but UCGCC was able to provide a lower CO2 capture cost. Dependent upon the assumed f

4、uel prices, the capture cost for the UCGCC was $2728/tonne of CO2, whereas it was $4758/tonne of CO2 for NGCC. It is also found that the cost of UCGCC decreased with the increase in coal seam thickness and increased with coal seam depth, but the effect of depth was not as pronounced as that of the s

5、eam thickness.An effective way to enhance the competitiveness of UCGCC is to use thicker coal seams.翻译为推动地下煤气化（UCG）技术的商业化，我们仍需对它的竞争力和成本构成进行调查。这篇文章对地下煤气化联合循环（UCGCC）和煤粉厂（PC），整体煤气化联合循环（IGCC）和天然气联合循环（NGCC）的发电成本进行了比较。也考察了影响地下煤气化联合循环（UCGCC）成本敏感性的煤层深度和煤层厚度。结果显示与煤粉厂（PC）和整体煤气化联合循环（IGCC）相比，地下煤气化联合循环（UCGCC）具有更

6、大的竞争力。假定同样的煤价范围，地下煤气化联合循环（UCGCC）的发电成本是45-48美元/Mwh。当天然气价格低的时候，天然气联合循环（NGCC）和地下煤气化联合循环（UCGCC）的发电成本一样，但是地下煤气化联合循环（UCGCC）技术能提供更低的CO2 捕捉成本。基于假定的煤价，地下煤气化联合循环（UCGCC）技术的CO2 捕捉成本为27-28美元/吨，而天然气联合循环（NGCC）发电的CO2 捕捉成本则为47-58美元/吨。研究还发现地下煤气化联合循环（UCGCC）的成本随着煤层深度的增加和煤层厚度的增加而降低。但是煤层厚度对成本的影响更加显著。提高地下煤气化联合循环（UCGCC）竞争力

7、的一个有效办法就是用较厚的煤层。目录CONTENTS地下煤气化(UCG)介绍1地下煤气化发展历程2地下煤气化技术的现状3关于地下煤气化技术的讨论41. 地下煤气化地下煤气化(UCG)介绍介绍地下煤气化技术的原理1.1地下煤气化技术的分类1.21.1 地下煤气化的原理地下煤气化的原理 地下煤气化(Underground Coal Gasification，UCG)就是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧,通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺于一体,变传统的物理采煤为化学采煤,化采煤为采气，被誉为第二代采煤方法 。从地表沿煤层开掘两个钻孔1和2，两孔底部

8、与一水平通道3相连，图中1、2、3所包围的整体煤堆为气化盘区4气化时，在钻孔1处点火并鼓入空气燃烧。此时，在气化通道的一段形成燃烧区，其燃烧面成为火焰工作面。生成的高温气体沿水平通道3向前，同时把热量传给周围的煤层，随着煤的燃烧，气化区逐渐扩及整个气化盘区，高温气体流向钻孔2，由钻孔2得到焦油和煤气。由于煤层是倾斜的，煤层上方有顶板。当由一个钻孔通入空气，生成煤气则从另一个钻孔逸出。右图所示进空气的钻孔底部燃烧较为激烈，时间一久使煤层严重变形。为了避免这种情况，可交替得向一个钻孔供给气化剂，与此相应，生成煤气可以交替从另一钻孔排出。1.2 地下煤气化的分类地下煤气化的分类 煤炭地下气化根据井下

9、主体气化炉的构筑方式可分为两类生产方式：有井式和无井式。 有井式气化就是在井下建立竖井、平巷工程、注排气通道等地下气化炉生产系统。其特点是在井下操作加工煤层，并可控制注气点及气流流动方向。煤层气化工艺包括爆破松动煤层气化工艺（图a）、“长通道、大断面、两阶段长通道、大断面、两阶段”地下气化工地下气化工艺艺（图b）和换管注气点后退式气化工艺。 图a 图b 无井式气化一般通过定向钻孔或者渗透的方式完成气化炉的建设，且气化炉的建设都在地面完成。根据气化通道的注气方式，无井式地下气化技术可分为2 类: 渗透式气化和定向孔气化。渗透式是从地面上向被气化的地下煤层钻有相当数量的孔，并使孔之间能相互渗透。它

10、的特点是先点燃煤层，通过钻孔向煤层鼓风，鼓入的空气沿煤层的天然裂缝渗透，即可在煤层中形成气化带工作面。定向孔气化是采用定向钻进技术施工气化通道，直接连通进/排气孔。随着定向钻进技术的发展，定向孔长度可达到150 m 以上，因此可形成长壁式气化。为克服长壁式气化通道易堵，温度不集中的缺点，在长壁式气化基础上，发展成为长壁式控制后退注气点气化工艺。2 地下煤气化地下煤气化(UCG)发展历程发展历程BCDEFA18681888年1910年年1912年20 世纪30 年代20 世纪60 年代威廉西门子（William Siemens）首先提出煤炭地下气化的概念前苏联化学家门捷列夫提出了煤炭地下气化技术

11、美国工程师发明了与现代地下煤气化非常接近的技术，并获得专利英国化学家威廉拉姆齐（William Ramsay）提议将地下煤气化作为一种避免燃煤污染物排放的技术方案前苏联开始大量开展地下煤气化实验前苏联发现了大型的天然气与石油资源，地下煤气化的实验规模因而被大幅缩减3. 地下煤气化技术的现状地下煤气化技术的现状主要应用方面3.1国内外主要UCG项目及公司3.23.1 地下煤气化技术的应用地下煤气化技术的应用合成氨合成氨是一项成熟的煤气化及化工合成联产项目。但传统的煤气化工艺普遍采用常压固定床间歇气化法。过去中国先后引进了鲁奇炉Lurgi、德士古炉Texaco、U-gas炉, 这些气化技术存在着投

12、资大、运行费用高等缺点, 导致合成氨及后续化工产品缺乏市场竞争力。若采用煤炭地下气化提供的原料气，则可使合成氨产品成本大幅度降低。合成二甲醚二甲醚(DEM) 作为21 世纪的世界清洁能源已引起人们的普遍关注。合成二甲醚要求煤气中氢与一氧化碳的比例为1.15 12 1 ，每吨二甲醚的煤气消耗定额为4500m/h。太原东山瘦煤地下气化模型实验表明, 采用纯氧-水蒸气地下气化工艺, 调节气化剂纯氧及水蒸气用量比例, 可以生产出廉价合格的二甲醚原料气，为煤炭转化及二甲醚合成开创新的途径。制取纯氢中国矿业大学余力教授等所创建的煤炭地下气化新工艺“长通道、大断面、两阶段”，就是将地面“两阶段”气化原理移植

13、应用到地下气化中。用这种工艺使煤地下气化后的氢气含量可高达60%70%。其它煤地下气化H2 含量仅为7.6%31.2%。因此，煤地下气化提供了非常廉价的氢气能源。以气体原料合成油技术(又称煤的间接液化)煤的间接液化在许多国家已进行了工业化生产，合成工艺包括F-T直接合成及Mobil工艺通过甲醇间接合成。其中的地面煤气化通常采用鲁奇炉或温克勒气化法。若采用煤炭地下气化工艺，只需将合成气的供给由地面气化改为地下气化，而其他成熟技术都可以保持不变。地下气化煤气从组成上与鲁奇炉加压气化法及其它先进气化工艺所产煤气有效成分相当，因而可以作为合成油原料气应用于生产。煤地下气化与燃气蒸汽涡轮联合循环发电技术

14、结合（UCG-IGCC）利用煤地下气化产生的合成气，与燃气蒸汽联合循环发电结合，是合理使用地下气化煤气的有效途径。美国GasTech 公司（2008），在美国怀俄明州波德（powder）盆地煤地下气化合成气中，将燃气蒸汽联合循环发电（UCG-IGCC）的投资与地面气化发电作了比较，优势十分明显。煤地下气化与碳俘获、利用、封存结合（UCG-CCS）英国在2004 年10 月出版了在英国地下煤气化可行性的评论报告（DTI/Pub URN 04/1643，DTI2004）中总结：UCG-CCS技术是碳减排的重要出路，UCG 与CO2 的俘获连接起来，对减少CO2 的排放，具有极重大的潜在意义。英国的

15、未来能源白皮书中强调能源使用中，CO2 的低排放和零排放技术，唯一的方法是对CO2 进行提取、分离和封存，即UCG-CCS 技术。因此，这一技术被看作是发展可持续低碳洁净能源的有效技术途径。煤地下气化与燃料电池发电结合（UCG-ACF）近年来，有人提出采用煤炭地下气化生产富氢煤气，然后用氢作燃料电池，这一煤炭地下气化于燃料电池相结合的技术称之为UCG-AFC 技术。UCG-AFC 技术是当今世界一个新的方向。UCG-ACF 技术可以大规模地生产富氢气，同时，也可进行CO2 俘获和地质储存。在这一过程中，CO2 和其他不可燃气体从煤气中分离出来，产生低碳气和部分纯氢或合成气。3.2 国内外主要国

16、内外主要UCG项目及公司项目及公司 我国煤炭地下气化试验研究发展主要在20 世纪80 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1999 年开始试验研究工作，2000 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20012002 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m，煤气热值达到11. 26M

17、J /m。2002 年地下煤层气化申报了国家“863”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“863”计划和试验基地。2) 新奥集团“无井式”UCG 技术。2007 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m/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

18、下气化炉，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m /d，富氧连续气化生产气量15 万m /d，达到了工业化生产要求。澳大利亚Chinchilla 项目 澳大利亚煤炭资源丰富，包括Linc 能源公司、Carbon Energy 有限公司在内的多家企业在开发UCG 项目，其中Linc能源公司UCG 项目最为典型，其位于澳大利亚昆士兰的Chinchilla 项目是迄今西方国家中

19、运行成功的最大试验项目，技术采用加拿大的UCG 技术。安格连斯克(Angren) UCG 项目 该项目位于乌兹别克斯坦，于1961 年投产，至今一直在生产。气化煤阶为褐煤，煤层厚度4 24 m，煤灰分含量25% 28%，含水31% 35%，热值3 650 kcal /kg，煤层倾角5 15，深110 250 m，井间距25 m。系统压力156 kPa ( 平均)。设计规模14 亿m/a，最大年产气量达14. 1 亿m(1965 年)。产品气热值为800 850 kcal /m。目前已被澳大利亚Linc 能源公司收购，日产合成气100万m。南非Majuba UCG 项目 该项目由EskomHol

20、dings 公司实施，采用ErgoExergy 公司的UCG技术。于2007 年1 月投产，初始3 000m /h，最终将提高到25 万m /h。该项目为非洲大陆第 一个UCG 装置，目的是增加煤资源，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。所产高质量合成其用于发电。4. 关于地下煤气化技术的讨论关于地下煤气化技术的讨论UCG的优点与不足A前景与展望B优点：1) 煤炭地下气化技术具有较好的环境效益。煤地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术减少了地表下沉；无固体物质排放，减少了废物和粉煤灰堆放面积对地面环境的破坏，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，UC

21、G 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，采用分离技术将CO2分离储存或作其他用途，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。没有运输过程中的燃料损失和煤尘等污染物排放，减少了相应的费用。不足：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