煤炭地下气化技术现状及产业发展分析

煤炭地下气化技术现状及产业发展分析(2014-11-1109:29:45)煤炭地下气化技术现状及产业发展分析煤炭地下气化（ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＵＣＧ）是将地下赋存的煤在煤层内燃烧、气化成煤气，输送到地面，作为能源或化工原料，特别适用于常规方法不可采或开采不经济的煤层，以及煤矿的二次或多次复采，产品气可以经过处理通过管道输送，也可以直接使用煤气发电或化工合成。煤炭地下气化（ＵＣＧ）是一门融多学科为一体的综合性能源生产技术，牵涉到地质学、水文学、钻井技术、点火燃烧控制技术、产品气加工利用技术、生态环境保护技术等一系列技术，其复杂程度远超地面气化，这也使其风险程度增加。目前，煤炭地下气化（ＵＣＧ）技术在少数国家已经实现了少量的商业化应用，俄、美、英、德国、澳大利亚、日本和中国等国家已不同程度地掌握了该领域的一些关键技术。１煤炭地下气化（ＵＣＧ）基本原理及相关技术１.１基本原理煤炭地下气化的过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的，整个气化过程可以分为氧化、还原、干馏干燥３个反应区（图１）。从化学反应角度来讲，３个区域没有严格的界限，氧化区、还原区也有煤的热解反应，３个区域的划分只是说在气化通道中氧化、还原、热解反应的相对强弱程度。经过这３个反应区以后，生成了含可燃组分主要是Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行，气化通道的煤壁（气化工作面）不断燃烧，向前推进，剩余的灰分和残渣遗留在采空区。１.２关键技术类型１）有井式气化技术。该法又称巷道式地下气化炉技术（图２）。在开采或废弃的煤矿井中建地下气化炉，以人工掘进的方式在煤层中建立气化巷道，并在进气孔底部巷道筑一道密闭墙（促使定向燃烧煤层），然后便可将密闭墙前面的煤炭点燃气化，从一个井筒鼓风，通过平巷，由另一个井筒排出煤气。此法只应用于关闭矿井中遗弃资源的回收，须进行井下施工，作业环境和安全性差，这对其应用带来不利。除新奥集团内蒙古地下气化试验外，我国已完成的ＵＣＧ项目以及正在进行前期工作的绝大部分ＵＣＧ项目都是有井式的。２）无井式气化技术。该法采用常规的油气钻井技术钻孔（图３），很好地发挥了石油企业的钻井技术优势，免去了巷道式建地下气化炉的条件限制。相比于“有井式”气化炉，“无井式”气化建炉具有工艺简单、建设周期短的特点，适用于整装煤田的大规模地下气化，也可用于深部及水下煤层气化。无井式煤炭地下气化法从地面向煤层打直径１５０～４００ｍｍ、间距１０～４０ｍ的一系列钻孔，两钻孔之间贯通形成气化通道，点火气化。双孔式气化技术中两孔间的贯通方法常用的有低压火力渗透贯通法、高压火力渗透贯通法、电力贯通法、水力压裂贯通法以及定向钻孔贯通法５种。１.３产气率及产品气组成１）产气率。产气率与煤质、赋存条件以及采用的气化剂种类等有关（表１）。一般来说，气化烟煤时，如果采用空气作为气化剂，煤气热值１２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３，产气效率大约为３８３０Ｎｍ３／ｔ，若采用富氧水蒸气作为气化剂，煤气热值２２００ｋｃａｌ／Ｎｍ３，产气效率大约为２１００Ｎｍ３／ｔ。２）产品气的组成。煤炭地下气化产品气的组分与煤阶、气化剂类型以及工程技术等因素相关，与地面煤炭气化产品气组成基本一致，不同煤阶、气化剂所对应的产品气组分如表２所示。２国内外煤炭地下气化（ＵＣＧ）技术发展现状２.１国外主要技术现状１）前苏联ＵＣＧ技术。前苏联是世界上进行煤炭地下气化试验研究最早的国家，也是地下气化工业应用最成功的国家之一，我国目前比较先进的煤炭地下气化技术主要是在前苏联技术基础上发展起来的。前苏联最初试验于１９３３年，到２０世纪６０年代初期，在莫斯科近郊、顿巴斯和库兹巴斯已有５个商业规模的地下气化试验区，利用气化技术已回收了约１５００万ｔ煤，生产煤气超过５００亿ｍ３，所生产的煤气用于发电或工业燃料。１９４２年苏联在莫斯科近郊煤田又试验成功无井式地下气化炉，同时还发展了各种贯通技术，由过去的渗透技术转向定向钻孔贯通技术，以求得长距离贯通。在气化技术上，他们对气化剂进行了试验，由过去的鼓入空气得到低热值煤气转向鼓入氧气得到中热值煤气，大大提高了煤炭地下气化技术的水平，从而在苏联和世界各国得到推广。该地下气化技术的优点表现在：ａ逆向火力燃烧＋定向钻进，形成渗滤气化通道；ｂ采用Ｕ型结构实现煤层预热，减小热损，提高气化效率；ｃ实现多点移动注气、多孔稳定出气，保证煤气产量；ｄ实现中等规模生产。缺点表现在：ａ气化钻孔比较多，气化炉成本高；ｂ对地质水文要求比较高；ｃ缺少富氧和纯氧运行经验。２）美国ＣＲＩＰ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅｔｒａｃｔｉｏｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔ，受控注入点后退气化）工艺。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室１９７６年开始研究地下煤气化，在模拟研究和实验室研究的基础上，研发出受控注入点后退气化工艺（ＣＲＩＰ）。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。该地下气化技术的优点表现在：ａ注气点移动实现气化工作面控制；ｂ热解带减小，气化效率提高，减少了通道堵塞及钻孔堵塞；ｃ从事了富氧试验。缺点表现在：ａ点火操作比较复杂；ｂ气化规模小，生产不连续不适用于规模生产。３）加拿大εＵＣＧＴＭ技术。成立于１９９４年的加拿大ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司的地下煤气化技术是目前最受关注的技术之一，近年其专有的εＵＣＧＴＭ技术已被多个国家的多个公司选用来建设试验装置（表３）。该方法基于前苏联地下煤气化开采技术，利用煤层中已存在的天然通道并对其进行改良，建立连接注入井和生产井之间的通道来解决无法建立有效贯通通道问题。２.２国内技术现状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２００１—２００２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ｍ３，煤气热值达到１１.２６ＭＪ／ｍ３。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ｍ３／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ｍ３／ｄ，富氧连续气化生产气量１５万ｍ３／ｄ，达到了工业化生产要求。２.３世界主要ＵＣＧ项目１）澳大利亚Ｃｈｉｎｃｈｉｌｌａ项目。澳大利亚煤炭资源丰富，包括Ｌｉｎｃ能源公司、ＣａｒｂｏｎＥｎｅｒｇｙ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运行成功的最大试验项目，技术采用加拿大的εＵＣＧＴＭ技术。该项目于１９９９年１２月２６日开始产气，２００３年４月完成试验和有控制的停运。期间共钻了９口工艺井，煤层厚１０ｍ，深约１４０ｍ，共气化煤３５０００ｔ，最大产气量约８００００ｍ３／ｈ，相当于７０ＭＷ电力。最近Ｃｈｉｎｃｈｉｌｌａ的４号ＵＣＧ发生器已投运，同时计划建设５号发生器。Ｌｉｎｃ能源公司以空气为气化剂获得的合成气低热值约为５ＭＪ／Ｎｍ３、压力１１０ｋＰａ、温度３００℃，典型组成（剔除氮气后计算）为Ｈ２３２％，ＣＯ１７％，ＣＨ４１８％。Ｈ２／ＣＯ摩尔比为１:８１，很适合用于通过ＧＴＬ工艺合成油。２００７年Ｌｉｎｃ公司收购了乌兹别克斯坦的Ａｎｇｒｅｎ地下煤气化厂（目前唯一运转的工业化装置），并获其相关知识产权。Ｌｉｎｃ的ＣｈｉｎｃｈｉｌｌａＵＣＧ装置所产气体主要用作发电机组的燃料，其规模将来可能扩大到４００ＭＷ。正在与美国合成石油公司合作开展煤制油，计划建设一个大的煤制油装置。２）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４～２４ｍ，煤灰分含量２５％～２８％，含水３１％～３５％，热值３６５０ｋｃａｌ／ｋｇ，煤层倾角５°～１５°，深１１０～２５０ｍ，井间距２５ｍ。系统压力１５６ｋＰａ（平均）。设计规模１４亿ｍ３／ａ，最大年产气量达１４.１亿ｍ３（１９６５年）。产品气热值为８００～８５０ｋｃａｌ／ｍ３。目前已被澳大利亚Ｌｉｎｃ能源公司收购，日产合成气１００万ｍ３。３）南非ＭａｊｕｂａＵＣＧ项目。该项目由ＥｓｋｏｍＨｏｌｄｉｎｇｓ公司实施，采用ＥｒｇｏＥｘｅｒｇｙ公司的εＵＣＧＴＭ技术。于２００７年１月投产，初始３０００ｍ３／ｈ，最终将提高到２５万ｍ３／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。所产高质量合成气用于发电。３煤炭地下气化（ＵＣＧ）产业综合分析３.１与传统煤炭利用相比的优点与其他煤清洁利用技术相比（表４与表５），煤炭地下气化（ＵＣＧ）技术主要具有以下优点：１）煤炭地下气化技术具有较好的环境效益。煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，采用充填技术，大大减少了地表下沉，无固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了废物和粉煤灰堆放面积及对地面环境的破坏，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，ＵＣＧ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分离出来储存或作其他用途，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。煤炭地下气化技术由于实现了井下无人、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。由此没有运输过程中的燃料损失和煤尘等污染物排放，并减少相应的费用。３.２存在的不足综上所述，尽管地下煤气化相对于地面煤气化具有基本建设投资省、建站周期短、工艺简单、生产效率高、煤的回收率高、生产成本低、没有三废外排问题等很多优点，但技术上仍存在多种局限，距离广泛工业化推广任重道远。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，很多的过程变量，诸如水注入速度、气化区中反应