关于煤炭地下气化实现商业化的反思

PAGEPAGE10关于煤炭地下气化实现商业化前的反思中国矿业大学余力2008-3煤炭地下气化技术在百年以前，由几位大化学家，如：门捷列夫，拉萨姆等人首先提出来的设想。在100多年的历史过程中，许多国家的科学家，都进行过大量的工作，但除了前苏联建成了若干座工业性的地下气化站外，其他国家只是停留在试验阶段。目前在旧苏联时所建成的地下气化炉，也都被关闭了，只剩下安格林一座每年亏损的地下气化站。这一现象是否说明煤炭地下气化技术很难？不需要吗？不是的。人所共知，任何地下气化站的一个气化单元都是由进、出气通道与一条气化通道这三个要素所组成，工程结构是非常简单的。产气工艺的控制手段也很单纯，气化剂的种类确定之后，只能对气化剂的供给量、压力以及供出气的位置与直径等因素进行控制外，再没有其它可控制手段了。与其他任何重工业生产工艺，以及与地面气化工艺相比较，地下气化工序是太简单了。因为不能控制燃烧工作面内的物理化学变化的反应与过程，使人们感到困惑，想控制它而又不可能，我以前也曾陷入在此困惑之中，而一味的强调去控制那些不可控制的问题，造成人们对地下气化感到很神秘，觉得高深莫测，并使许多人花费很多精力、时间与经费，研究了那些不能产生实效的课题，并获得有些人一时的赞同，形成了一股干扰煤炭地下气化正常的发展，干扰地下气化发展的速度与方向，由于令人难以理解的现实，只好等待人们从实践中、失败中、学习中逐渐去提高认识与鉴别水平，到那时方可不会出现劳而无功的研究课题。以前我在工作中曾犯了如下的错误。•我曾在室内外地下气化炉体内去测煤层温度场的变化，现在认识到在高温区5米以外，煤层内的温度变化很小，基本保持常温，因为煤体的导热性能很低，而在高温区内高温点又很多，而且是变化无常，而使数据难以整理，只是劳而无功。•关于气化工艺稳定性的研究，我曾支持梁杰教授进行这项工作，并与矿大科研处长共同去中国科学院工程热物理研究所与他们商谈合作的问题，但未成功。通过学习国内外气体组分收集的资料，由前苏联科学院公布的地下气化炉不稳定系数为20%左右，与地面气化炉的不稳定系数是相同的，我们经过20年的时间在这方面做了大量的工作，也没有提出任何有效的措施去改善不稳定系数的现状。通过大量的实践证明了，在稳定系数20%的条件下，产出的煤气并不影响煤气的质量与应用，这个意见以后可以列入技术规范中去执行。•另外我曾安排博士生，利用温控技术去引爆在煤层中预埋的炸药，企图在地面上利用该技术改变煤层裂隙的物理特性，这也是无法实现的，安装炸药工艺很复杂，如何保证炸药不被地下水浸湿等等，又很难实现。而且煤体在高温条件下，因分子结构的重新排列而造成了大量的裂隙，与在高温条件下煤体的渗透系数将提高到1000倍以上，再加上煤体在热胀冷缩时，产生的热应力，与矿山压力共同作用也将会使煤层开裂，这些是自然界给我们创造的条件，我们应该学会如何去利用这些自然现象，这才是明智的，科学的方法，而且产生的效果非常可靠，又有一定的力度，比我们去塑造的幻想更有实效。以上我举出的这些实例，都是不可能产生实际效果的课题，它无助于地下气化工艺的完善与改进，只会浪费时间与经费，经费浪费了还可以设法筹集，而时间的浪费最痛心，是不可挽回的，对国家、对集体、对个人都是最大的损失。所以古人说：“寸金难买寸光阴”。这是我最近最深的感悟，感觉到是非水平有很大收获。认识到正确的理论才将会创造财富，错误的理论一定会浪费财富与时间，这是千真万确的普通真理，可是现在我才深刻认识到上述煤炭地下气化研发选题方向上的错误，所带来的不良后果是多么严重，它干扰了煤炭地下气化的进程，可见一个人的思想变化过程，只有通过实践，总结，认真参考他人的经验后，方可以得到解决。但绝对不可以完全依靠个人的实践，因为个人的实践是有局限性的，同时还要学习前人的经验，这是非常必要的，所谓继承是创新的基础，这是千真万确的真理。前苏联开展煤炭地下气化后期不理想的结果，告诉了我们要将煤炭地下气化的技术实现商业化，首先要降低煤炭地下气化成本，同时，还要重视煤气的产量与质量，达不到三方面的要求，地下气化技术是没有发展前途的。关于如何降低煤炭地下气化的成本？经过我多年的考虑与实践，认为“长通道，大断面，两阶段”地下气化新工艺，是可以解决阻碍商业化的难题的。由下列两个公式得知，通道直径的加大，可以减少流动阻力与电耗，又可以增大气体的流量，而且都是平方的关系，这就突出了直径的加大后的实效。公式如下：h=λ式中h——压头损失；λ——沿程损失系数；Ｌ——流体流径的长度；d——通道的直径；Ｖ——流动速度；g——重力加速度。Q=式中：Q——流量；d——管径（孔径）；V——流速前苏联曾提出过U型，山型，一炉多孔三种炉型，经过了应用后，大量地下气化炉被关闭后，因此这些炉型等于被他们放弃了，我是赞成这种炉型，可以实现降低成本，延长服务年限，增大产气量是最佳的选择。因此我极力推广他们的经验时，再结合我们的实践提出了长通道，大断面，两阶段地下气化的新工艺，这是我国日后发展煤炭地下气化技术走上商业化道路最捷径的选择。并在徐州新河、唐山刘庄、新汶孙村、鄂庄、山西昔阳等地下气化站所验证，是完全可信的。根据我们国家近几十年的经历来看，长通道的概念，大家都认可了，也被推广采用了，而对于气流通道大断面的问题，还未被人们认识到它的必要与重要性，因此很少有人提出具体的办法。根据前面可控制因素的分析，现在只剩下钻孔直径尚未引起人们的重视，气化剂的种类，鼓风量。压力与通道长度等因素，都进行过调试与实践，现只剩下了，通道直径，这个唯一的空白点，尚未引起人们的重视，我在10多年以前就安排了三位博士生，进行了这方面的研究工作，具体的成果就是用行星轮钻头，可以使垂直钻孔的直径扩大到1米左右，既能降低成本，又可缩短工期，行星轮钻头的主机，现仍保存在徐州矿大内，该课题的产生是基于对煤炭地下气化煤气成本的分析后，得知成本中电耗所占的比例为60%以上，又经过对全炉通风阻力的计算与分析，因为燃空区在燃烧后期通风断面很大，阻力可以忽略不计，煤气成本中电耗的产生，都是发生在气流通道中，尤其是无井式小直径管道的炉型，其电耗所占的比例会更大，因此无井式地下气化炉为了降低煤气成本，一定要将气流通道直径扩大，这是研究扩大钻孔直径最有利的时机与需要。对无井式地下气化炉的发展这是必须要解决的关键课题。但大直径通道的施工费用将会被提高，同时一般的钻机设备一次扩孔，其机具的扭矩就要增大，这样就要重新设计与制造新钻机，投资很大，因此只能从钻头上动脑筋想办法，所以产生了行星轮钻头的设计方案，经过三次博士生室内试验检测，与大连红阳大行星轮钻井机现场测试的数据，当钻孔直径相同时，行星轮钻头的扭矩可下降到50%以上，这已经有了科学评估的结论。希望大家给于支持，达到降低无井式地下气化炉成本的目的。关于水平钻孔的直径也可以利用扩孔钻头，将钻孔直径在点火初期，鼓风量较小时，只须将直径扩大为0.4米即可，水平扩孔钻头设计方案已经完成。当这两项扩孔技术成功后，无井式地下气化炉的产气量必然会增加到每小时10，000立方米以上，煤气成本可下降到0.1元/立方米左右。这就是创造了无井式地下气化炉被推广应用最必要的条件，如果将扩孔钻头直径的问题解决了，无井式地下气化炉再没有关键性的研究课题了。因此我认为在新奥集团的领导下将煤炭地下气化推向商业化道路上去，是完全可能的，前苏联没有实现煤炭地下气化的商业化，在新奥可以实现了，这难道不是一件奇迹吗？关于如何提高煤气质量的问题，以前认为采用富氧作为气化剂可以提高煤气热值，但实践证明：产出的煤气，二氧化碳占的比例高达30%以上，因此用富氧作为气化剂煤气的热值并未能提高，大约为2200千卡/立方米，比空气两阶段煤气的热值为2500大卡还低，而且又污染了环境，成本也很高，是不可取的，所以我仍然建议采用空气两阶段气化工艺，生产半水煤气。这一选择，需要做现场的验证，扩孔钻头成功后，将会创造煤炭地下气化实现商业化的条件。实现商业化的困难，不是在气化工艺上，而主要是技术管理工作。因为工作面多，雇用的人员就多，如何保证煤气的质量与产量，往往会因为人工的操作失误而造成，因此一定要强调制定技术规范去管理技术工作，这才会有保证。2007年12月，联合国曾在阿拉木图市召开了煤炭地下气化国际会议，说明了煤炭地下气化技术是具有国际性的课题，说明了该课题是与世界经济的发展有密切的关系。又因为开会的地址选择在邻国现仍保存着一座无经济效益的煤炭地下气化站，告诉了人们为什么前苏联在20年前将大部分已实现工业化的地下气化炉都停止了运转呢？而他们国家的专家却又到加拿大开办了一个地下气化公司，并在澳大利亚建成了煤炭地下气化与发电厂结合的工业性试验，获得了很大的成功。这个现实告诉我们，有一批掌握煤炭地下气化技术的专家，还必须有高水平较高的业主，创造条件培植它，事业才能成功。现在我国地下气化技术被新奥集团看中，并建立了气化采煤公司，研究院，制定了惹干技术管理的条例，与激励政策等等，这说明了中国地下气化技术，会在新奥集团的领导下，早日走上商业化的道路，为国家与世界作出贡献。因为成功的技术可以向国外推广。综上所述，前苏联与我国都已建成了若干地下气化炉，并经过了长期的生产运行外，世界上其他国家都是进行了些小型试验而已。对于煤炭地下气化走上商业化道路，前苏联已经失去了良机，目前只有中国，加拿大正在走上商业化的道路，而中国在徐州新河矿地下气化炉的进出气孔的直径是0.7米，而点火初期的0.4米水平定向钻孔的扩孔钻头已设计成功，关于建成商业化型的地下气化炉的国家，目前中国比加拿大已先走了一步，所以中国煤炭地下气化实现商业化的目标可以领先，希望我们不要再失去这样大好的机遇。当煤炭地下气化技术达到了商业化应用的指标后，它迈向市场有四个方向，现分述如下：一、作为化工合成原料气应用，这个方向的示范工程，可以在新奥集团内部去实现，因为新奥集团已制定了要利用煤炭地下气化产生的煤气，建立一座生产5万吨/年甲醇厂，一但示范工程圆满完成，其经济效益、环境效益、社会效益又非常显著，拉长产品链条以后还可以辐射其他很多化工产品。二、作为坑口电站的原料气应用，这个方向的示范工程，也可以结合生产化工原料气时，共同兴办，生产出来的电力作为化工厂自用的电源，免去了与大电网联网的协作关系，一旦示范工程的经济，技术，环保等方面的指标非常理想时，若获得国家的重视，这将是一个很大的市场，因此可以减轻铁路运煤供电厂应用的压力，这个问题在今年我国南方冰冻天气的灾害，铁路运煤的紧张局势，给人们留下了深刻的印象与展望，可是从煤炭被人类利用方式的发展过程可的得到如下启发，先是直接应用，而后发展为将煤炭转化为蒸汽，构成了全球经济“蒸汽的时代”，然后发展为利用煤转化为电力，形成了全球经济“电气的时代”，现在人们已经认识到了火力发电的效率、环保，投资都存在缺点，而利用煤气透平机联合发电（IGCC），成本与环保指标都比火力发电模式好，但因为投资太大，在中国（IGCC）未能推广起来，而目前加拿大Eger公司在澳大利亚利用煤炭地下气化技术的气源，与透平机联合发电（UCGIGCC）试验成功的经济、技术、环保等方面的指标，比地面煤气透平机发电（IGCC）的指标要好。这可能是今后地下气化发展的新方向，若在中国建成了地下气化透平机的示范工程（UCGIGCC），前途是大有可为。三、作为直接燃烧应用，这完全可以在新奥集团内部作为循环经济发展的模式，可以利用煤气运气专车，将地下气化产生的煤气运往祖国边远的小城市，提高与改善那里的人民生活水平。也可以考虑将西气东输管线附近的煤矿，产出的地下煤气利用该管道，输送到华东沿海地区去应用，省去了地下气化下游产品生产工序的建设，这是最简捷利用地下气化所产煤气的途径。同时又可以延长西气东输服务期，又可以将西气东输管线附近的煤矿，以前被废弃的煤炭资源得到重新利用，这项工作对个人，集体，国家都是有利的好事，因此有希望成为现实。四、提取纯氢，国际氢能协会中国长期代表鲍德友，中国科协氢能学会主席，毛宗强清华大学教授，都认为地下气化提出的氢气成本最低，可作为氢能时代廉价的气源。以上是我利用控制论的学术观点得到的体会，并构成了我对乌兰察布地下气化一线炉工作的思想基础，获到了以下几点认识：1、新奥集团煤气公司的全体职工，尤其是技术人员，对无井式地下气化炉建炉工作中存在的主要技术问题，有了不同程度的感性与理性方面的认识，但还须作进一步理论提高的工作，这将会提高大家对煤炭地下气化事业必胜的信念与提高技术与思想水平，可以避免一些不必要的浪费，这项工作要长期抓，不可松懈。2、因为在乌兰察布无井式建炉工作中的钻探工程，与定向钻孔工程都顺利完成，点火成功，对地下水的处理已累集了一些经验，地下气化炉可以产出合格的煤气，可连续燃烧较长的一段时间，但是目前因煤焦油将通道堵塞，而被迫停止了产气，如果通道长期不被堵塞，无井式地下气化工艺才可宣告是真正的成功了，但是目前因通道堵塞就很难再说已绝对成功了，因此必须找出如何保证通道长期不被堵塞的措施，而且会产生实效，这样才能宣告无井式地下气化炉试验成功，这时我们才可以宣称新奥地下气化炉可以走上商业化的康庄大道上有了保证。3、因此现在必须严肃地，认真地，科学地去研究如何保证点火后不再会被堵塞，我建议将现在一线炉进行改造，先进行注浆充填后，在原小直径定向钻孔上部，再将