国外煤炭地下气化调查

国外煤炭地下气化调查2002-06-11历史1年，德国科学家威廉•西蒙斯首先提出了煤炭地下气化 的概念。1年，俄罗斯化学家门捷列夫提出了地下气化的基本工艺。1 年，通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸汽的技术在英国取得专利权。1年，前苏联开始进行现场试验。1 〜1年建成5个试验性气化站。其中规模较大的是俄罗斯的南阿宾斯克气化站和乌兹别克斯坦的安格连斯克气化站。这个气化站都采用无井筒气化工艺。前苏联的试验性气化站，生产的煤气热值低，产量不稳定，成本高。1 年安格连斯克等气化站被关闭。南阿宾斯克气化站气化烟煤，到1 年累计产气亿，煤气平均热值1 l安格连斯克气化站气化褐煤，1年恢复运行，生产低热值燃料气供发电。世纪5年代，美、英、日、波、捷等国也都进行试验，但成效不大。到5年代末都停止了试验。〜年代，除前苏联外美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日本等国都进行试验。美国 研究试验投入大量资金。劳伦斯•利弗莫尔、桑迪亚国家实验等研究机构，应用高技术进行 的实验室研究和现场试验。到世纪年代中期，共进行次现场试验，累计气化煤炭近万，煤气最高热值达1 m劳伦斯•利弗莫尔国家实验室开发成功的受控注入点后退 气化新工艺，是技术的一项重大突破，使美国技术居世界领先地位。美国 试验，证实了 的技术可行性，但产气成本远高于天然气，据美国能源部1年评估报告，地下气化成本为 美元，而天然气井口价仅1美元 年11 天然气，汉那商业性地下气化站设计预估成本高达1美元。西欧国家英国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙深度1 以下和北海海底煤炭储量很大。石油危机后，这些国家试图采用 技术从不能用常规方法开采的深部煤层取得国产能源。1 年，比利时和原西德签署了共同进行深部煤层地下气化试验的协议，1年在比利时成立了地下气化研究所，进行 实验室研究和现场试验。1〜1 年，在比利时的图林进行现场试验。气化煤层厚，倾角15。，深。第一阶段采用反向燃烧法，试验失败。后来采用小半径定向钻孔和 工艺，试验基本成功。1年，个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验证深部煤层地下气化可行性的商业规模示范。1年1月到1年1月，在西班牙特鲁埃尔进行现场试验。气化煤层厚，深5〜 ，采用定向钻孔和工艺。罗马尼亚正在日乌河谷烟煤煤田进行 试验，目的是弥补天然气供应不足。除上述国家外，计划进行 试验或建设气化站的国家有：印度、巴西、泰国、保加利亚、新西兰。技术进展1早期的有井筒式气化工艺试验采用有井筒式工艺，需要开凿井筒、掘进巷道，或利用老矿的井巷。这违背了地下气化的基本宗旨是避免井下开采作业的初衷，而且准备工作量大，产气量小。19，年5以后，发展无井筒式工艺，即从地面向煤层钻孔。过去5年，国外所有试验和可行性研究都采用无井筒式工艺。描述最简单的 工艺是按一定距离向煤层打垂直钻孔，再使孔间煤层形成气化通道。然后通过一个钻孔把煤层点燃，注入空气或氧/蒸汽，煤炭发生热解、还原和氧化等气化反应。蒸汽提供反应所需的氢，并降低反应温度。产生的煤气从另一个钻孔引出，煤气的主要成分是 、二氧化碳、、 和蒸汽，各种组分的比例取决于煤种、气化剂和气化效率。注入空气和蒸汽产生低热值煤气 〜 ；注入氧和蒸汽可得中热值煤气〜 。低热值煤气可就地发电或做工业燃料；中热值煤气可作燃料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然气等产品。 的关键技术问题是连续钻孔的方法，即贯通技术、煤层勘测和气化过程的控制。贯通技术迄今已试验种贯通方法：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。（）电力贯通。这是早期采用的方法，因煤层电阻大，耗电太多，而效果不好，早已淘汰。（）爆炸破碎法。年代，美国试验爆炸破碎法，未能使煤层产生足够的渗透性，而且难以控制。（）水力压裂。水力压裂是从钻孔向煤层注入带支撑剂砂子等的高压水，使煤层压裂，排水后砂子留在煤层裂隙中，从而提高煤层渗透性。美国、法国、比利时、德国等都曾进行水力压裂试验，均以失败告终。年法国进行水力压裂试验，煤层深7压力达 ，结果水砂倒流，发生堵塞。（）反向燃烧。反向燃烧是从甲孔点火，从乙孔鼓风，燃烧面的推进方向与气流方向相反，煤气从甲孔引出。美国煤炭公司在怀俄明州吉利特附近进行试验，煤层厚4深3为次烟煤。注入空气，煤气热值达 /（5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。定向钻孔有两种方法：一是逐渐拐弯，一般每拐〜6°，不需特制的钻具，曲率半径约 。另一种是小半径拐弯钻进，需采用挠性钻具和孔内导向装置，曲率半径可小到 5英国采用天然伽玛射线传感器导向，在厚度和倾角变化的煤层中进行定向钻孔试验，水平孔长达50。0比另德地下气化研究所在比利时图林大深度煤层 试验中，采用垂直钻孔、逐渐弯钻孔和小半径拐弯钻孔相结合的设计方案。见图1图图林 试验定向钻孔布置（略）此方案可用一个逐渐拐弯钻孔联接若干垂直钻孔，在气化几个煤层时尤其方便，而且垂直孔与层内水平孔的交接比较精确，两者距离可控制在小于煤层厚度的范围内。英国设想用定向钻孔技术气化北海海底煤层，水深〜，煤层厚，从地面或近海钻井平台打定向钻孑L。煤层勘测和模型研究待气化煤层的精细勘测和气化反应带的预测和监测，是能否成功的关键要素。在煤层勘测方面，已采用钻孔温差电偶、孔间地震仪等进行三维精细勘测。在地面用电阻率方法进行勘测也能取得良好效果，而且成本较低，有效深度约1，，。，深另部煤层用高频电磁波进行勘测，已证明是一种有效而经济的方法。目前， 试验通常都采用计算机模型模拟气化过程。已开发出多种模型。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。美国能源国际公司采用 经济性模型和现场试验数据，对拟建的怀俄明州汉那商业性气化站设计方案的经济性进行预测和优化。气化过程控制是受多种因素影响的复杂的物理化学过程，难以控制。主要影响因素包括：煤层地质条件，煤质特征，涌水量，矿山压力，气化剂及其注入压力和流量等。气化过程控制的主要问题是冒落矸石对气流的影响，以及气化效率随气化带的推进而降低。美国在地下气化机理和气化过程方面进行大量的研究开发工作，包括气化过程监测、自控和摇感技术,应用声学、地震学和电子技术，取得化学、热力学和地质学等方面的数据。环境影响评价及防治技术美国和欧盟重视对健康和环境影响的评价以及防治技术的研究。主要问题是气化区地面塌陷，地下水污染，煤气净化系统排放物对环境的影响。美国能源部对怀俄明州70年代末进行试验的地下气化站对健康和环境的影响进行专项评估。对气化站附近地下水中的异丙基苯含量进行测量，并采用生物技术需氧菌群进行分解苯的示范试验，结果地下水中的苯含量下降0%气化工艺美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室 7年开始研究 ，在模拟研究和实验室研究的基础上， 76 7年在怀俄明州吉利特附近进行了次现场试验，先后采用爆炸破碎、反向燃烧和定向钻孔贯通技术，注入空气和氧蒸汽。这些试验除爆炸破碎效果不佳外，煤气热值都超过 ，最高达0 ,但都发生冒顶、漏气和水流入等问题。为解决这些问题，提高气化效率，该实验室研究开发出受控注入点后退气化工艺 。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。见图2。点火器用引火气体硅烷点燃丙烷喷嘴，在地面拖曳移动。图 工艺示意图（略）比利时图林地下气化试验设计的注入管和点火器结构见图，。注入管采用双层套管，蛇管在挠性套管内移动。蛇管内装根热电偶电线和根可燃的空心管，一根空心管输送三乙基硼遇空气即燃烧和 4另一根空心管注氧。蛇管端部固定点火器。图注入管结构（略）年，在美国华盛顿州森特雷利亚附近的韦特柯煤矿进行首次全规模现场试验。气化煤层厚，气化上部的，煤质为高灰分0、低渗透性次烟煤。试验历时（天,开始注入空气和蒸汽，第天注入氧和蒸汽，气化煤量为 1煤气热值 /工艺的最大优点是气化过程能够有效地得到控制。因为水平注入孔位于煤层底部，气化过程在受控条件下由注入点后退逐段进行。这一特点使它特别适用于大深度煤层和特厚煤层。气化大深度煤层时，一个产气孔可连接一组垂直注入孔，煤气可通过已烧过的空穴流动，解决了在极高的岩层压力下保持通道的问题。气化厚煤层时，当空穴扩大并发生大冒顶时，可保持垂直注入孔的完整性。 工艺的另一个突出优点是产气量大，还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸出的煤气。 工艺的主要缺点是点火操作