苏联煤炭地下气化考察报告.pdf

I 9 8 9 年 煤炭综合利用 第3 期 苏联煤炭地下气化考察报告 太原煤炭 气化公 司赴苏考 察团 l 苏联煤炭地下气化发展概况 煤炭地下气化的概念，i 8 6 8 年提出，I 9 I 2 年进行现场试验。i 9 3 1 年苏共中央通过关于煤 炭气化试验方案的决议。I 9 3 2 年到1 9 3 5 年苏联先后在莫斯科近郊顿 涅茨克煤田等地建成五个 简 单 的地下气 化试 验 站 ，从 I 9 3 6 年起 进 入工 业试 验 阶段 。二 次 世界 大战 期间停止 了试 验 。5 0 年代来恢复试 验，煤炭地下气化的工艺技术基本过关并投入 了工业生产。利用这种煤气发 电 正常稳定．使苏联 的此项技术在世界上处 于领先地位。现在苏联正在积极地 、大规模地发展 用 劣质 褐 煤气 化发 电，并 在 此基础上 研究 开发 供给城 市煤气和 化工原 料煤气 。 2 煤炭地下气化新工 艺的技术经济性 煤的地下气化与一般矿井采煤技术相 比．不仅可以节约投资，缩短建设周期．而且还嚣 降低生产成本，提高劳动生产率 ，安全和生产环境也会根本改变。现以苏联安格兰矿区为例 加 以 比较 说明 。 安格兰矿 区现有煤炭地下开采矿井 ．又有煤炭地下气化站，该站于1 9 6 1 年建成投产 ，设 计能力i 4 亿米。 煤气／年， 供地下气化的煤为褐煤 ， 煤层厚2 3 0 m．埋藏深度i 2 0 2 0 0 m，煤的 发 热量为2 3 0 0 千卡／于克 ， 灰分2 5 2 8 ％．水分3 i 一3 5 ％． 含硫2 畅 ．煤气 的热值为7 6 0 8 5 0 千卡／米。 ， 煤气的组成及百分含量为 H2 S O ． 4 一O ． 5 ；C H4 i ． 8 1 ． 9 C O 2 i 7 ． 2 2 O i c O 4 ． 5 7 ． 5Oz 0 ． 3 0 ．4； H2 l 7． 6 1 9 ． 7； c H 0． 2 ％ 0 ． 3 ； N2 4 2．7 5 8 ．煤气 中含水蒸气3 0 0 克 ／米。 ，煤 的产气量为3 3 ． 5 米。 ／千克。i 4 亿米 煤气／年折合为3 5 7 ／ 吨煤／年 ，二者的经济 技术 指标对 比如表 I 所示 煤炭地下气化所产生的煤气按其用途不同大体可分为两类，一类是作燃料的动力煤气 一 类是用于化工生产的合成气。 目前苏联 生产 的是动力煤气。煤气发电与火力发电相 比，蒸 汽锅炉 的金 属用 量约 降低4 0 ％5 0 ％ ，建 设投 资节省2 5 3 0 ％ ，发 电效率 提高 1 o 一2 0 嘶 ，工 人 劳动生产率提高3 5 4 0 畅，并且可大大改善劳动条件。如果地下煤气发电站使用燃气轮机发 电 ．则 其指 标 更为 优越 ，发 电成本 比火力发 电低 1 ／ 2 ％2 ／ 3 ．劳动生产 率提 高 3 4倍 ．工作 人员 减 少3 ／ 4 ． 鬻 本文 由间 守三 ．胡 盏 之执 笔 一l 4 维普资讯 囊 1 蕞件趣曩t车捃胃曲■● I 1 气1}l 与地下弃采的技木蠡魂擅暮对比 3 煤炭地下气化原理 煤炭地下气化的原理及过程与地面煤气发生炉内气 化 固体燃料 的 原理 及 过程基 本相 同。不 同之处 在 于地 面 煤气发生炉内气化的是人为破碎成一定 块度 的 固 体燃 料 ，而地下 气 化是在 顶底 板或煤组 成的 峒穴 内气 化 地下 的 自然煤。 地下煤气 发 生系统 原理 如图 1 所 示 ，从 地面 向煤层 打钻孔 1 和 2，设法将两孔连通，在连通的孔穴中将煤 点燃，空气从 I 孔压入．煤气从孔 2 排 出。在 孔穴的最 初一段长度上 ，煤中的碳和氢与空气 中的氧燃烧成为二 氧化 碳和水蒸 气 ，这一段 称为 燃烧 区 I ．气 流 继续 I 句前 流动时 ，二氧化碳与水蒸气就在灼热的煤层表面 ，分别 还 原成一 氧化 碳和 氢 ，进 行这种 反应 的 区 域 称 还 原 带 图l 地下煤气 发生系统筒 图 l 压 入空气钻孑 L ． 2 排出煤气钻孑 L ， 3 一一藏渣． 4 一一姑挠工作面 ， I 一燃烧帚 I 一 还原带 ． I一千馏带 ． Ⅳ一千謦帚 I． 在 煤层温 度不足 以维持 还原反 应的 地方为 千 馏 区 I． 在于 馏 区之后是 干燥 区Ⅳ． 煤在地下气化时．若用普通空气鼓风，则气化后生成的可燃性气体约 占混合气体总体舣 的 3 0 4 0 嘶 ． 4 煤炭地下气化方法及工艺过程 根据建造地下煤气发生系统所需进行的矿山工作方式不同，煤的地下气化可分为有井式 气化法和无井式 钻孔式 气化法。 4 ． I 有 并式气 化 法 有井式 气化 法是最 早进 行煤的地 下气 化时 采用 的 方法 ，这种方 法有 很多缺 点 1 控制气体动 力学过程报复杂，气化过程不稳定； ，l 5 维普资讯 在 。 2 密闭井巷的工作很困难，鼓风和煤气的漏损量强大{ 3 气化时有大量的煤气渗入围岩和邻近煤层，使新气化盘区的准备工作无法进行； 4 气化准备工作繁杂，免不了地下作业 、劳动繁重、成本高、效率低．有不安全因素存 有井式气化法由于以上缺 点，一般不再采用，而广泛采用无井式气化法。 4 ． 2 无井式 气 化法 的准备 和 生产工 艺过 程 无井式气化法的准备工作包括两个部分， 气 化通道 。 打钻孔可 以采取三种形式 垂直钻孔 、 倾 斜 钻孔 、曲线 钻孔 一 般常用垂直钻孔．它可在气化薄煤 层及 中厚煤 层 时作 长时间的使 用。必 须将 钻孔 布 置 在气化区上部岩石破碎带以外 时 ， 使用 倾斜孔 。 衄线孔是在定 点贯 通 ． 钻 进气化通道时才使用 。 钻孔直径一般为1 5 0 v 2 O O mm，钻孔间的距离根据煤层的厚度 和煤层的透气性等 因素来确定，一般】 5 v 5 0 m，最大可 达 1 O O m。贯通 的气化 通道直 具有如下的基本技术要求 ； 一 是从地表向煤层 打钻孔，二是在煤层中准备 图 2开拓钻 孔示意 图 1 一一 垂直钻孔． 2 一一侦辑钻孔， 2 一一曲线 钻 孔 ， 一 一钻 孔倾 斜 角 ．H～煤 层 深度 ． R一一 钻孔 曲率 半 径 ． 1 整个通遭直该顺着煤层开凿 ．而不伸入岩层 中； 2 在中厚煤层及厚煤层 中，通道应位于底板附近； 3 与鼓风钻孔相连的气化通道，应保证地下煤气发生系统的密闭性和工作时的安全． 目前苏联和美国贯通气化通道的方式有 以下几种 ； 1 爆炸断裂贯通法 这个方法是为了气化厚煤层的。煤用糊状炸药炸松，然后从煤的顶部点燃 ，从上列下甩 空气或 氧一 水 蒸气 混台物并 流气 化。1 9 7 6 年 l 0 月美 国在怀 俄 明北部进 行 了一 次野外 试 验 ，甩 空气作为气化舟质。通过两个钻孔底部同时爆炸使煤的透 气性 从 0 ． 3 Da n c y提高到 2 4 Da n c y ，煤 层 下部 的透 气性 应该 比上部 的高 ．以避 免气化 前沿在 上 部受 到 破坏 ． 1 0 天试验 总 计气化 1 3 0 吨煤，所 得煤气 热值为9 0 o v 1 3 O 0 千卡／米。 。 2 火力渗透 贯通 法 该法包括常压、高压、顺流．逆 向四种形式。 钻孔打好后，在一个孔内用烧红的焦炭或其他引燃物将煤点着 ，空气从另一 个 孔 里 压 入，借助煤层 中的天然裂缝渗透到点火孔 ，使火焰逐渐 i 燃蔓延 ，向着 鼓 风 钻 孔的方 向移 动，最后将两孔烧通，这叫逆向贯通。鼓风钻孔用的风压采用i 一5 大气压时叫常压 火力营遘 贯 通 采 用5 “ - - 1 5 大气 压时 ，叫 高压 火力 渗透 贯 通。 如果 打好孔 后 ，点火和 送 风 都用 一个钻 孔 ，逐渐 向另 一个钻孔贯 通的方 法叫 顺 向 贯 通 法 顺向贯通可用常压也可用高压火力渗透贯通。因为顺向贯通速度不如逆向贯通速度快 ， 而 电量和鼓风消耗量大，所 以通道贯 通都采用高压逆 向贯通法 只有煤层的裂缝裂藩特别发 维普资讯 育．煤层透气性好时，才用常压顺向贯逋法． 图 3逆向贯通示意图 图 4 电力 贯通j 壶示意图 3 电力 贯通 法 电力贯通是将电极通过钻孔插入煤层，通过高压电在 电流热力睁作甩下 ，使煤层的结构 和物理性质发生变化，形成多孔的透气性很大的焦化通遭。 一般用1 3 0 0 3 0 0 0 赫的电流，最 高用 6 0 0 0 伏电压。煤层含水大时 ，此法消耗大量电能。 4 定点钻机贯通法 此种方法是利甩钻机进行贯通，如图 2中的 3孔沿煤层和 l 孔钻通。在 地面 安 装 钻 机 时，使钻杆和水平面成为5 0 6 0 度交角。钻到煤层时，让钻杆沿着J爆甚钻进霸『 另 一个钻孔贯 通 这种钻法要 求准确 ，难度很大．但是，用此法贯通有很 多优点，如通道规整、贯通的速 度快、电能消耗少，贯通成本低等 ，因此苏联和美国都很重视对 此法瞬研究和应甩。 5 水力贯通法 水力贯通法是借用石油工业部 门中利用水 力破碎矿层的办法来贯通钻孔。在相邻的一个 钻孔中注入高压 水．水沿着煤层 中的裂隙和孔隙渗透贯通．然 后将水抽出再进行点火气化。 钻孔式气 化法的地下气化盘区内．煤气发生系统 的作业顺序如图5所示。 在气化盘区内先打好几排孔，如图 5 a 所示，以后随着煤层运渐气化 ．再把萁采 的 钻 孔依次逐步准备出来。首先贯通第一排孔，形成一条点燃线 ，如图5 b 所示。然 后将第二排 孔与此点燃线贯通 ，如图5 c 所示。贯通结束后即可进行气化．气化时可向第二捧簸1只。第 一 排孔 即成为排 出煤气 孔 如恩5 d 所示。 气化一、二排孔之间的煤层 的同时，还需要进行二，三排孔之间的贯通工作如图5 d 所 示．此项贯通必须在一 ，二排孔之藏怕煤垒部气化完以前结束 ，而后即可 向第三排孔鼓 风， 由一 、二排孔排 出煤气，以此凳箍基步气化．如 图5 e 所示． 这种气化方法的特点是，每个钻孔都按照下列顺序超贯通、鼓风和排出煤气三种作用 ． 所以每个钻孔的管道在地面都和进压气的管道、避往 电厂的煤气管道相连通 ．它们之间用阀 门来控 制，该送压气送压气 ，谈出煤气出煤气 。送出地面的煤气 ．经过净化冷却后输进到用 户。苏联安格兰煤炭地下气化站井峒贯通就是采用的水力贯通 法。煤炭地下气化站的原则瀛 程 图如 图 6所 示 ． 该站由下列几个主要部 分组成 l 煤气 出口钻孔；1 ． 进风钻巩 ；3 一一煤气 的 净 化和 冷却 4 一一洗涤水冷却系统 ；5 i 风机冷却系统 ；e - 压飙 租，7 一一火 力发 电 站原设计煤气 中估计会有许多粉尘 ，但几十年运行的实践表明，从 雉巾洗涤下的粉尘很 少 ，几十年来从沉淀池中才排出几吨煤泥。相反 ，沉淀池循环冷却洗涤水 中酚含量却不断积 聚，超 出允许排放的浓度。苏联将在以后的设计 中充分考虑这一情况。 ’ -l7 维普资讯 广⋯] 』 口 。 a Ⅳ 。 I I i 。 。 。 口 j 蕾 ． ． I b n f 口 O o o 口 r‘ ． I I I Ⅳ 气忆 盘目 裳越’ 钻坤 教 鼓风方向 摊出 煤气 方向 贯通 冉 弛下煤气藏萌方向 煤层气化方向 壶 c 鳓 e 、 图 5 逆火贯通作业麒序图 6 煤炭地下气化的控制及气化剂的合理使用 在如何控制煤炭地下气化这个问题上 ，苏联与美国采取了完垒不同的方式．美国的耍 主 1 8 ， 图 6 安格 兰煤 炭气化 站原则流程图 维普资讯 测试方法有 1 采用热电偶测量地下温度。由于地下条件苛刻，电偶很容易损坏，故采用了 分较电 偶 ，当 电偶损坏时能及时发现故障．另外还试验 了 反置电偶 ，使温度测量 按 程 序 进 行 ，并定期用无线 电波传递数据。由于煤层导热性差 ．故热电偶只能测出米 以内的温度情 况。要在较大范围内测定气化燃烧区 ，最好用其它遥测手段 ，目前使用的主要有 地面电位测 量和高频 电磁波测量。 2 地面 电位测量。其原理是地下煤气化时 ，煤体受热变为焦炭 ，导 电性有很大变化．这 一 变化影响了地面各处 电位变化，测量地面上各点的 电位后，根据一定的简化假设和计算方 法 ，可以算出焦炭区的轮廓． 3 高频电磁波测量。其原理是煤层受热变焦炭或气化后，对 电磁波的吸收率不 高．根据 吸收率的变化可 以推断在 电磁波经过的通道上存在气化区或炭化区。在 某一区域以不同角度 测量几次就可以确定气化区的位置。 4 测量地层变化的仪器。主要 目的是了解地下煤气化过程岩层塌落下沉等情况，所用仪 表有仲长仪、电阻仪．倾斜仪，地角仪等。 每个地下气化现场试验点都有一套计算机数据收集系统。现场试验的太部分原始数据 ， 如空气的流量，温度．压 力，煤气的产量 温度 ．压力以及地下测试仪表的各种数据 都经 过一定通道送入计算机处理及储存。 对美国采用 的控制方法， 苏联学者认为 ，由于气化现场范围很大， 且需根据气化程度不断 变动位置，因而采用各种现代化仪器仪表并不一定有太多的优越性 而基本建设投资却要增 太．仪表维修人员也要增多。苏联在煤炭地下气化站现场每个进风智和 出气管上都安装有压 力表 ，温度计 ，流量计则在压风机出 口 处和煤气出口管上安装。气北站现场有 几座移动式工 房，供采集气样．数据和分析使用 ，每班三人 ，全站仅2 5 0 人。苏联工程技术人员板据 各种 数据 ，综台分析地下气化状况，用闵门来控 制压风量、煤气产量及其热值和 温 度。教 十 年 来 这一套控制方法已成功地用于莫斯科郊区煤田、 顿涅茨克矿区高尔洛夫斯克煤田 安格兰 煤 田等地的地下气化。美国德克萨斯电力公司购置 了苏联煤炭地下气亿专利 。并请苏方专家 到现场工作。苏联也正规划建设一系列煤炭气化工厂，包括新安格兰 克拉斯诺雅尔斯竟3 5 亿米 ／年，沿海边这几个2 5 0 - , 3 0 0 亿米。 ／年，自俄罗斯、莫斯科近郊 第聂伯绶特罗夫 斯 克合计2 5 O 0 亿米0 ／年。 气化剂的选择取决于煤气的用途和煤气的技术经济指标．从技术上讲，煤炭地上气化所 用的气化剂 空气 ．空气与蒸汽 、氧气 、氧气与蒸汽 都可用于煤炭地下气化。苏联与美国 对上 述气化剂都进行不少试验，并取得很 多有用的结果。目前苏联煤炭地下气化工业生产厂 遂是主要采用空气作为气化荆。它所产生的煤气热值虽不高，但由于空气廉价，整个气化工 厂是 盈利的。安格兰地下气化站1 9 8 8 年生产能 力为6 亿米。 煤气／年， 年盈利6 O 万卢布．他们 预测】 9 9 1 年满负荷生产后 ．年盈利将达2 l 0 万卢布。表2 列出采用各种不 同气化剂的煤气组成 和热 值。 尽快在我国开展煤炭地下气化的研究 正如上面已介绍的 ， 煤炭地下气化具有一系列优点 基本建设投资省，建井周期短，生产 ’l 9 t 维普资讯 成本低 ，生产效率高，煤的回收率高．生产系统简单且 安全 ．没有兰废外排等．因此，它是一个非常吸引人的 煤炭转化方法。美国从5 0 年代就进行 试验，仅能源部就 已耗资5 0 0 0 多万美元 ．虽然仍有不少关键技术 尚 未 解 决．但他们从未放弃这方面研究．苏联则早已将这种技 术用于工业化生产 ，并将在 新的五年计划 中规划建多座 煤炭地下气化站，也正在从事煤炭地下气化制合成气的 研究 。我国煤炭资源丰富．煤种齐全，开采量虽占世界 第一，但能源利用率却很低。 目前的开采状况 ，特别是 地方煤矿煤的回收率很低。加上我国能源结构 中煤炭 占 主要地位 ，煤炭资源和 品种在全国各省分布不均，这就 加剧了铁 路运输的压力。我们应尽快开展煤炭地下气化 的研究 ，将这一新技术应用到生产 中去，以解挟资金， 运输 ．利用率等方面的问题。我们 认为 1 首先应解决一个 认识问题。煤炭地下气 化并不是 一 个无法克服其困难的技术 ．也不是要花费 巨大投资的 工程。苏联莫斯科郊区褐煤地下气化站的实践，顿 巴斯 无烟煤地下气 化站的实践，塔什千安格兰褐煤地下气化 站的实践都充分说明了这个问题．它们的技术经济指标 已作 出了肯定的回答。 2 收集国内外煤炭地下气化方面的资料．吸取前 的弪 验教训 ．集众家所长为我服务。根据我国的煤质特 征 、煤田地质条拌 、矿区用气状况等因素确定煤炭地下 气化地点，制定 出煤的地下气化方案。 3 先选择一两个点在各专家和技术人员的配合下联 合攻关。为了缩短研究 周期，可从苏联引进一些关键技 术 ． 4 在中试成功的基础上选择更大的矿区做工业性试 验 。 逸 蒜 昌 嚣 嚣1 、 I； l 。 。 I I ； 量 I 品 蚤嚣蚤；； l ； 詈 嚣 I 詈量 l _ 器 等。。嚣 ； j 暑 墨 莹 罱 窿腑 ． 崔霉 曩堆 艳酋【 0 ∞ ● 0 譬 ． 0 ． 0 n． 0 ． 0 ． 0 ● ． _ ． 0* ． H_6 N N． 群摊 v k 田 替椒 精埘疟辫 { 重椒 v 韫 琏彘般毒 岱椒 v 捉 崭玳蛙婷噼 岱摊 一耕擘 I 馘 H o } I 。 n“ H 乏 H n 。 。u H } I ． 卓～ 趟 ∞ 矿 瞬 鼍 囊 犀 铤 曩 囊 掣 孽 姑 囊 留 霰 l’ r 匠 需 嘲 旺 雠 门 群 维普资讯