对煤炭地下气化的认识与实践.pdf

趔 生筮垒翅堪贮遮进 窆 掣 “j i j二 ”* “删j { j 矗 ≮。j } 一-t∞ 一 如2 。_ 8 _| ；|t “ 济南煤炭设计研究院江道罴 摘要煤炭地下气化技术，是国家提倡的一种洁净煤技术。本文详细介绍了煤炭地下 气化技术的发展史以及我国现阶段煤炭地下气化技术的应用。 关键词煤炭地下气化洁净煤技术洁净能源 1 巨人百年的设想与关注 1 8 8 8 年俄国化学家门捷列夫设想“随着时 间的推移，这样的时代可能要实现，即煤不从地下 开采出来，而是在地下直接转化为可燃气体 ⋯⋯。”1 9 1 2 年英国化学工程师拉姆塞做了试验 并发表了肯定性的论文。1 9 1 3 年列宁以“一个技 术上的伟大胜利”为题撰文，指出“这一发明在工 业中所起的变革将是巨大的。”前苏共中央作出决 议，率先在苏联进行煤炭地下气化实验。1 9 7 9 年 联合国召开世界煤炭远景会议提出“发展煤炭地 下气化是世界煤炭开采的研究方向。”1 9 9 2 年国 家科委制定的我国科学技术中长期发展纲要，把 “完成煤炭地下气化研究试验和建立商业性煤炭 地下气化站”定为战略目标和关键技术之一。江 泽民总书记于1 9 9 4 年5 月2 4 日亲自批示“中国 矿业大学煤炭地下气化试验，从煤炭资源的充分 利用以及经济效益来讲，值得进一步研究。”钱学 森多次写信给中国矿大主持这项研究的余力教 授，指出“等这项试验圆满成功之日，我们的资源 概念也将革命了，是真正的新世纪了。”国务院及有 关部门领导对我国煤炭地下气化也很关注和支持。 2 煤炭地下气化的基本概念与原理 煤炭地下气化的基本概念与特征，可概括为 以下几条 一种全新的采煤方法与传统的物理采煤法 有着根本的区别，地下气化是一种化学采煤法，即 将埋藏在地下的煤炭就地进行有控制的燃烧，通过 对煤的热作用与化学反应产生可燃气体输送出来。 二无采煤工艺无人、无设备。 三合一的煤炭开采与气化工程集建井、采 煤、气化三大工艺为一体化工程，在地下联合完 成。 四个控制与稳定技术 1 监控进行持续稳定的地下燃烧； 2 控制达到持久稳定的煤气产量； 3 调控得以保持稳定的煤气热值； 4 测控能以维持稳定的煤气组份。 五大优点 1 充分利用煤炭资源老矿遗留丢失的煤 柱，开采成本高不经济的煤层，高硫煤以及“三下” 压煤等，可通过地下气化采出来。 2 基建投资省、工期短、见效快比井工开采 可节省投资2 ／3 并缩短工期一半以上；比地面气 电站可节省大量设备和占地。 3 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。 4 经济效益显著不仅煤炭开采本身的直接 利润高，而且可实现煤 地下气化 、热 地下煤气 供工业与民用 、电 使用地下煤气发电 、化 应用 地下煤气转变成化工产品 、能 利用地下煤气提 取洁净能源一氢能、甲醇等 的综合开发、综合利 用、多种经营，使煤炭价值和产业的经济效益提高 繁蔽■鹣糍鬻黼瓣浚麓鬻瓣 万方数据 Q 堪芷遮盐趔 生筮垒翅 十多倍。 5 对环保极为有利不仅可以消灭煤矿矸石 山、电厂与气化站的废碴场，避免大量占地和生态 破坏；而且能减小地面沉陷 煤层燃烧后废碴留在 地下，可起到充填及支撑上部地层的作用 ；特别 是地面变烧煤为燃气、用电或洁净能源，可减少大 气污染；高硫煤气化后易于脱硫，且可转变为有价 值的化工产品。 煤炭地下气化的基本原理，与一般煤炭气化 一样。是把煤炭的固体有机物通过热力和化学作 用变为可燃气体，其区别在于这种变化过程是在 地下进行，而不需要把煤炭开采出来。煤炭不加 氧进行加热，只能使煤炭有机物在高温下强烈地 分解出挥发物煤气和焦油蒸汽。这样部分气 化法，仅可能获取少量的煤炭热能。剩余留下的 炭和灰这两种主要成分组成的焦碴，采用氧和水 蒸汽对其在高温下进行化学处理，使可燃固体变 成可燃气体。其化学反应式是 送氧时 氧化反应式C 0 2 一C 0 2 Q 热能 还原反应式C C Q 一2 C O Q 送水蒸汽时化学反应式为 C 2 H 2 咿C 0 2 2 H 2 一Q C H 2 咿C O H 2 一Q 据此原理，地下气化炉内部必须完成煤炭的 氧化和还原的化学反应，才可能生成可燃气体一 氧化碳；在高温条件下加水蒸汽，才可能生成氢 气。气化通道 气体工作面 应由氧化带、还原带、 干镏干燥带三部分组成。 煤炭地下气化的基本方式有三种 1 无井式全部通过钻孔建立地下气化炉， 利用钻孔送入气化剂和输出煤气，并在孔底贯通 形成气化通道； 2 有井式利用井巷通道建造地下气化炉； 3 综合式使用钻孔与井巷相结合建成地下 气化炉。 三种方式各有优缺点，要因地制宜灵活应用。 地下气化炉的形式多种多样，最基本、最简单 的是“U ”型炉，如下图示 3 国际煤炭地下气化的动态 1 9 3 2 ～1 9 4 0 年，前苏联首先在莫斯科近郊、顿 地下气化原理图 巴斯和库兹巴斯煤田，建立了多处地下气化试验 站。探索在不大的工业规模内生产煤气的可能 性，并研究地下气化特别是无井式气化的技术方 向。1 9 4 1 年莫斯科近郊气化站首先解决了无井 式地下气化的技术问题，建成第一个小型的地下 气化工业企业。二次大战后地下气化得到迅速恢 复和发展，全苏1 9 5 0 年地下煤气产量3 亿m 3 ， 1 9 6 0 年增至2 3 亿甜。先后建设了十多个地下气 化站，比较有代表性并取得工业应用的较好的地 下气化站，以南阿宾斯克气化站 为典型。该站 于1 9 5 5 年建成投产，气化煤层厚度1 ．8 9 m ，倾 角5 5 7 0 0 ，埋深5 0 一3 0 0 m ，围岩含水。设计产气 量5 亿m 3 ／a ，至1 9 9 1 年共气化了3 0 0 万t 煤炭，产 气9 0 亿甜，平均热值3 8 1 4 k J ／m 3 。主要供应工厂 和煤矿锅炉，输送距离2 0 k m 。实践证明，大型锅 炉改烧煤为燃气，可减少职工3 0 ％，并易于自动 化；不需要储存和转运燃料及灰渣。其它一些地 下气化站生产的煤气供发电厂应用。 在二次大战后，美国、英国、法国、意大利、比 利时、波兰、日本等国家也先后开展了煤炭地下气 化的试验工作。在地下气化工艺技术上取得了新 的进展。由于能源危机感尚不迫切，还没有形成 规模化、产业化的发展，主要是为掌握这种技术作 储备。美国声称已经掌握地下气化技术，一旦能 源危机需要，即可起动付之实施。至今全世界已 地下气化了2 0 0 0 多万t 煤炭。 从各国的试验资料看，包括了各种煤层的地 质条件深度2 5 ～2 5 0 m ；倾角O ～6 0 0 ；煤厚O ．8 ～ 1 2 m ；煤质烟煤、褐煤。表明可供地下气化的煤 层是很广泛的。 4 我国煤炭地下气化的动态 5 0 年代末，我国在安徽、山东、河南等省多处 开始了煤炭地下气化的研试工作，取得了一定的 成绩和经验。其中合肥工业大学的皖南地下气化 万方数据 趔 生筮生期煤窆遮进 站是较为成功的一个。该站位于安徽广德独山东 川岭。1 9 5 9 年5 月开始筹建，9 月2 8 日建成了地 下气化炉，准备气化煤量6 1 0 t 。经过点火、调试， 于1 2 月1 4 日获得了可燃煤气。接着使用小型蒸 汽机和煤气机的发电试验也获成功。曾获前煤炭 部的科研奖，并有1 4 个单位百余人来站参观指导 给予好评。 该站地下气化的煤层平均厚度1 ．0 m ，倾角 6 0 0 ，气化通道长度2 8 m ，炉子倾斜长度1 9 ．5 m 。煤 质为气肥煤，焦油量很大，灰分2 9 ．7 1 ％，挥发分 3 6 4 4 ％，水分0 ．8 3 ％。 该地下气化炉正常运行1 个月，获得3 8 万甜 煤气，热值为3 3 4 9 ～4 6 0 6 k J ／甜。因地处山沟里煤 气无用处而结束。之后将燃烧过的气化炉打开， 进行实际观察和研究，取得了宝贵的第一手资料。 1 9 8 4 年中国矿大余力教授悉心研究了国内 外煤炭地下气化的实验资料和经验教训，结合中 国煤炭资源与开发的情况，创造性地提出了长通 道、大断面、两阶段 地下气化新工艺。1 9 8 7 年在 江苏徐州马庄煤矿报废的开采水平进行现场试验 成功。之后被列入国家“八五”科技攻关项目， 1 9 9 1 年在徐州新河煤矿二号井进行半工业性试 验成功，通过了煤炭部的技术成果鉴定。 接着于1 9 9 5 年又在河北唐山市刘庄煤矿进 行工业性试验。建成两个地下气化炉于9 6 年5 月点火成功出气，至今已正常持续运行了四年多。 许多外国专家前去参观深感兴趣和赞赏。 近几年来，河南、辽宁、山东、山西等省也都积 极开展地下气化的现场试验、示范工程和产业化 的工作。可以说，我国的煤炭地下气化、特别是利 用老矿井巷进行地下气化，正方兴未艾，走在世界 前面。 5 新汶孙村地下气化站的重大成功 该站是由新汶矿业集团、中国矿大与济南煤 炭设计研究院合作，进行设计开发和研究试验的。 于1 9 9 9 年9 月提出设计，1 0 月进行井下老巷修 复，1 1 月开始地下气化炉的巷道掘进、气化钻孔 与地面设施的施工。2 0 0 0 年3 月底点火，经过调 试摸索运行，6 月初产出煤气，7 月1 2 日正式向原 地面煤气站送气，并已通过该煤气站向机厂和居 民供应煤气。从设计起9 个月就建成投产，充分 显示出地下气化工期短、见效快的优点。 该站是利用孙村矿早已结束的生产水平修复 报废巷道，在靠近邻矿边界处遗留的一块煤柱建 造两个地下气化炉，使丢弃的煤炭资源得到充分 利用。目前日产水煤气4 万甜 热值1 0 4 6 7 k J ／m 3 左右 ，成本约0 ．2 元／甜。地下煤气已完全代替 了原地面煤气站使用外来无烟煤 生产成本高达 1 ．0 5 元／甜 ，正常向矿、厂和万家居民供气，使用 效果良好。其经济与社会效益十分显著，很快即 可回收投资并赢得高利润。 9 月8 日山东省科委和中国煤炭协会与各方 面专家领导对孙村煤矿地下气化技术研究与应 用 项目进行鉴定认为“该成果在气化试验研究 的深度、系统性和规范性方面取得突破性进展，是 一项从造气到应用的成功的产业化示范工程，达 到国际领先水平，具有广泛推广应用前景。”新汶 矿区正准备进一步将煤炭地下气化推向更大规 模、更大范围、更高水平、更高效益的开发应用。 6 体会与认识 作者通过先后担负皖南和孙村地下气化站的 设计施工、研究试验工作，对地下气化逐步加深体 会和认识 1 煤炭地下气化的原理简单、实施易行，特 别是利用老矿的井巷设施进行有井式或综合式的 地下气化，很容易实现。不仅可充分回收利用呆 弃资源，提高经济效益，而且是解放高硫煤、“三 下”煤的新途径，使老矿焕发新活力。 2 建设煤炭地下气化工程，一定要落实煤气 应用和销售渠道，实现产业化、市场化。既可供工 业和民用燃气，也可搞发电和化工。 3 应该进一步深入进行地下气化的监测、控 制技术和设备的研究试验工作，使其工艺更加可 靠、稳定、完善。 4 煤炭地下气化工程必须要有正式设计，以 保证和提高工程项目的正规性、规范化，科学性、 合理化，安全性、效益化。 责任编辑章新敏 万方数据