煤炭地下气化影响因素

煤炭地下气化影响因素煤的地下气化系非常复杂的物理和化学过程，影响煤气质量的因素很多，既有地下气化所采用的工艺措施，又有煤层自身的特性及煤层顶地板的移动状态。一般来讲，影响煤炭地下气化过程的主要因素包括以下几个方面：1.1气化炉温度场煤炭地下气化过程实际上是一个自热平衡过程，依靠煤燃烧产生的热量使地下气化炉内建立起理想的温度场，进而发生还原反应和分解反应，产生煤气。因此，在地下气化过程中起关键作用的是炉内的温度场，尤其是对于生产高热值水煤气的两阶段地下气化更是如此。两阶段气化是一种循环供给空气和水蒸气的地下气化方法，每个循环由两个阶段组成，第一个阶段为鼓空气燃烧蓄热生产空气煤气，第二个阶段为鼓水蒸气生产地下水煤气，只有第一阶段积蓄足够量的热能以后才能使第二阶段水蒸气的分界反应得以顺利进行，从而产生高热值地下水煤气，同时，煤层热分解的程度以及热解煤气的产量，完全取决于煤层内的温度分布。1.2鼓风速率气化过程的稳定主要决定于单位时间内起反应的碳量，又决定于固体碳和二氧化碳的化学反应速度，决定于二氧化碳向固体碳表面的扩散速度。前者与气化带的温度有关，后者则与送风流的速度(鼓风量)有关。气流运动速度越大，扩散速度也越大。煤的气化强度增加；另外，鼓入风速的增加，初级产物一氧化碳的燃烧可以部分避免，而从氧化区带走，从图可以看出，提高鼓风速度可以相应地提高煤气热值。煤层中水的涌入速率很难控制，但可通过改变鼓风速率来抑制水涌入所造成的影响，在相同水涌入速率的情况下，鼓风速率越高，气化区温度越高，煤气中水含量越少。无论在什么条件下，鼓风速率的增加都是有限的，过高时系统压力增大，煤气热值随着鼓风速率的增加而提高，但超过一定数值，煤气热值反而降低，而二氧化碳含量却增加，这说明部分气化产物被燃烧了，所以应选择适宜的流速和压力，以避免煤气的泄漏和一氧化碳被氧化。一般认为变空气鼓风为富氧鼓风可以大大提高煤气的热值，令人意外的是CO/CO2比率并不随着鼓风中氧含量的增加而有明显的变化。虽然燃烧区的温度由于鼓风中氧含量的增加而升高，但因为氧的旁路或附加的水蒸气转换CO为CO2的反应并不完全。1.3水涌入速率气体煤层中水的来源有：1.煤本身的含水量1.在热分解中产生的水分3.围岩的含水量4.地下水的渗入5.人为注入的水煤气含水量反映出地下水从煤层周围涌入气化区域的速率，水涌入速率是由围岩的渗透率和整段地带的静水压力所决定的。通常条件下，静水压力随时间变化缓慢，基本上是稳定的。判明水涌入的实际轴向分布范围一般比较困难，而其分布情况对煤气组成有很大影响。气化炉中存在少量的水，对气化过程的进行是有利的，在高温下水被分解，使煤气中富含CO和H2，同时又能适当降低煤的燃烧温度，从而降低了煤灰的熔融温度，保证了良好的析气条件。如果水涌入量比较大，即超过一定的限度，高温气流的冷却作用及CO/CO2平衡转换占优势，可燃组分相对减少，从而使煤气热值降低，此外，水涌入量增加，容易使孔道内形成水层，堵塞狭窄的气流通道。在煤炭地下气化现场试验过程中，我们一般从两个方面来抑制水涌入的影响：一是适当提高鼓风压力，而是在操作系统中始终保持气化通道足够高的温度，以蒸发所涌入的水，使所有涌入的水均以煤气中的水蒸气或水与煤之间反应物等形式出现。地下水的存在，直接影响煤层的含水(充水)程度，其对地下煤层贯通和气化影响在于：在贯通时贯通通道的空间小，内部表面不大，只有比较少的地下水进入贯通的通道，影响不大；但在气化通道贯通以后，煤层开始气化，气化的空间迅速增大，因而进入地下煤气炉系统地水量也增大，将严重影响着气化过程的进行。当煤层中的水分含量超过一定限度时，还原带的温度及气化过程遭到强烈的破坏，同时在反应区中燃料的燃烧热分配不当，化学热降低而物理热升高，造成很大的热损。在进行地下气化的准备工作时，地下水，特别是流砂层常会给打钻工作带来困难，并且常因地下水改变钻孔内煤层的物理化学性质而妨碍贯通工作的进行。据地质钻探方面资料可知：在一般含水量的情况下，对钻孔工作没什么困难，而影响钻孔工作的主要是流砂层，特别是含水的砾岩层，在这种岩石中钻进，不但时常发生漏水现象，而且往往因钻孔壁陷落妨碍钻进。1.4气体通道的长度和断面可燃气体的产生在气化通道中经历了三个不同的反应区，当气化通道较长时，氧化区、还原区、干馏区均能得到充分的发育，有利于一些可燃气体生成反应的进行，使煤气中的H2，CO，CH4等成分增加，煤层热值提高。若气化通道过短，只有氧化区和还原区得到发育，干馏区很短或消失，这样煤热解反应减弱，煤气中CH4含量降低，煤气热值降低，因此，建立足够长的气化通道是提高煤气质量必不可少的措施之一。对于国内外气化通道长度短、断面小的试验，其产量小，地下煤气中可燃组分含量少，热值低。比利时由于加大了气化通道的长度和断面，其煤气质量明显得到改善。我国一改20世纪50年代的建炉模式，采用有井推进式大型炉结构，通道长，断面大，使产品煤气中可燃组分大幅度增高，煤气热值提高。分析其原因，主要包括以下几方面：①大型炉煤体燃烧后，形成大而稳定的高温场，氧化带和还原带的范围扩大，可燃组分增多，从而使煤气热值提高；②由于通道长、断面大，所以干馏煤气产量大，CH4含量高；③因由较长的干馏干燥带，煤气显热大多用于加热煤层，故热效率高；④大型炉为两阶段地下气化创造了良好的条件。但是气化通道亦不可过长，苏联的操作表明，过长的气化通道则因煤气被冷却，CO/CO2之比率降低，而甲烷在过低温度下生成速率很小，易发生如下反应：2CO+H2O→CO2+H2+41.03KJ/g·moL2CO→CO2+C+171.5KJ/g·moL所以，对于某一特定的气化煤层来说，气化通道应满足各反应区长度的要求。1.5操作压力在倾斜、缓倾斜或近水平煤层中进行地下气化时，气化剂仅限于在贯通通道内流动，而不能提供有效燃烧气化所需要的大反应表面。实践证明，通过改变操作系统的运作方式，可以得到较大程度的补偿，即通过周期性变化的操作压力可以提高煤气的质量。模型试验和现场试验均表明，在压力周期变化条件下，流体主要以对流方式传递给煤层热量，这样，一方面对气化反应带前某一距离内的煤层起到预热作用，有利于煤层的燃烧与气化；另一方面增加了热解的产物，且避免了热解气体的燃烧。Mohtadi(1981)使用无烟煤分别在恒压和周期变化的压力下进行了试验，其结果如表2-2所示。从下表可以看出，周期变化压力条件下，热损失减少约60%，热效率和气化效率分别为恒压时的1.4倍和2倍，产品煤气的热值约提高1倍。由此证明了在压力变化的条件下，气化过程得到了较大程度的改善。1.6煤层厚度在地下气化过程中，燃烧区和煤气不仅因水的涌入而被冷却，而且其中一部分热量散失到煤层和围岩(底板、顶板等)中去。当煤层厚度小于2m时，围岩的冷却作用剧烈变化对煤气热值影响甚大。对于较薄煤层，增加鼓风速率或富氧鼓风可以提高煤气热值，苏联Lischansk地下气化站在小于2m的煤层中进行试验时，即采用富氧鼓风。后煤层进行地下气化不一定经济，一般以1.3～3.5m厚的煤层进行地下气化比较经济合理，煤层的倾斜度对其气化难易也有影响，一般说来急倾斜煤层易于气化，但开拓条件钻孔工作较困难。试验证明，煤层倾角为35℃时，便于进行煤的地下气化。1.7空气动力学条件和气化炉结构现行的地下煤气发生炉的运转经验表明：在地下气化炉的不同工作阶段，均匀地向煤层反应表面鼓风，是气化炉内稳定析气的主要条件。在气化过程中，气化通道的大小、形状、位置都随着煤层和顶板的冒落而不断发生变化。因此，气化工作面的大小、形状、位置和空气动力学条件也在不断地发生变化，从而影响气化过程的稳定。顺利送风于反应的煤表面，从而保证一定的空气动力学条件是气化过程的稳定基础，因此必须设计结构合理的气化炉，以实现这一目的。1.8煤质对气化的影响气化反应过程与煤的性质和组成有着密切的关系，又与煤层情况和地质条件有关，如无烟煤由于透气性差，气化活性差，脆性很高，在外力作用下最容易分解，因此一般不适于地下气化；而褐煤最适于地下气化方法，由于褐煤的机械强度差，易风化，难于保存，且水分大，热值低等特点，不宜于矿井开采，而其透气性高，热稳定差，没有粘结性，较易开拓气化通道，故有利于地下气化。影响气化过程稳定性的因素还有许多，如围岩受热变形、塌裂、扩展的影响，煤质煤层赋存条件的影响等。这些因素对气化盘区的选择和气化炉的建立过程影响较大，对于气化过程控制煤气成分和热值的影响不大。煤层顶底板岩石的性质和结构对地下气化有重要影响，要求临近岩层完全覆盖气化煤层。当气化过程进行到一定程度时顶板