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第3 2 卷第6 期 2 0 0 3 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 2N o ．6 N o v ．2 0 0 3 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 3 0 6 0 6 2 4 0 5 不同煤种地下气化特性研究 刘淑琴，梁杰，余学东，余力 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要在地下气化模型试验及理论分析的基础上，研究了不同煤种的地下气化特性．比较了空气 连续气化及纯氧一水蒸汽气化条件下的煤气组成，并从气化煤层升温速率、气化速率、煤气产率、 气化效率等方面比较了不同煤种的地下气化特性．试验结果表明，煤种的不同组成决定了空气煤 气中C O ，H 。，C H 。含量的不同，鼓风量影响着空气煤气的组成．在适宜的汽氧比条件下，不同煤 种纯氧水蒸汽地下气化均可以获得中热值煤气．对于试验煤种，褐煤具有高的气化活性、气化速 率及低的煤气产率，其纯氧水蒸汽气化效率迭8 7 ％，最适于地下气化；瘦煤地下气化，气化煤层 温度上升缓慢，其气化活性较低，气化速率变化平缓，纯氧一水蒸汽气化效率为7 4 ％，但气化过程 稳定，且具有高的煤气产率，可以进行地下气化；气肥煤煤层升温速率最快，煤气产率仅次于瘦 煤，但在煤挥发分析出后，气化速率减小，气化稳定性变差． 关键词煤炭地下气化；纯氧一水蒸汽气化；气化速率 中图分类号T Q5 4 6文献标识码A 煤炭地下气化是将地下煤层就地气化的工艺 过程．煤的地下气化不仅与煤层情况、地质条件、煤 层顶底板岩石性质及煤层所处的水文条件有关，还 受到煤的性质和种类的影响．因此，本文在地下气 化模型试验的基础上，比较了不同煤种的地下气化 特性，以期为不同煤种的地下气化现场试验及地下 气化工艺的选择提供依据． 1 试验系统及试验方法 1 ．1 试验系统 气化炉体外壳采用5I T l m 厚钢板焊接而成， 气化煤层采用耐火水泥整体浇注，模拟煤层尺寸 为4 0 0m m 4 0 01 1 ] m 2 0 0 0m m ，煤层倾角依据煤 样实际赋存倾角设置．气化通道断面均为0 e 5 0m m ， 煤层中间设置辅助通道．煤层中共布置热电偶9 6 个．外保温层采用膨胀珍珠岩，填充于炉体与外壳 之间．气化炉体剖面图如图1 所示， 气化剂供给系统包括供风、供氧和水蒸汽发 生系统．供风采用空气压缩机，氧气由氧气瓶提供 9 8 ％ ，水蒸汽制备采用Z F QB 型医用水蒸汽发 生器． 图1 气化炉体剖面图 F i g3 S k e t c ho fg a s i f i e rs e c t i o n 检测系统流量测量采用涡街流量计．进出【J 及炉体压力采用P T 2 0 0 压力变送器，进计算机和 二次仪表显示．煤层温度测量采用镍铬一镍硅热电 偶，通过D a t a T a k e r 温度采集器及D c t r a n f e rv e r 2 ．0 采集软件进上位机显示，煤气组分分析采用东西电 子公司开发的煤矿专用自动进样色谱分析仪，通过 色谱工作站G C 一8 5 ，进人上位机显示、存储、分析． 煤样试验煤种为褐煤、气肥煤、瘦煤，分别由 内蒙大雁矿、山西太原东山矿、甘肃华亭矿提供，其 煤质分析结果如表1 所示． 收稿日期2 0 0 3o l 一2 2 基金项目国家自然科学基金项目 2 0 2 0 7 0 1 4 ；8 6 3 计划项目 2 0 0 1 A A 5 2 9 0 3 0 作者简介刘淑琴， 1 9 7 2 一 ，女，山西省离石市人，中国矿业大学讲师，工学博上，从事煤炭地下气化T 艺及环境科学方面的研究 万方数据 第6 期刘淑琴等不同煤种地下气化特性研究 表1 试验用煤煤质分析结果 T a b l e1 A n a l y s i so ft h et e s tc o a l 1 ．2 试验方法 模型气化炉采用液化气在气化炉进气侧点火， 之后鼓人空气或少量氧气助燃，预热气化炉，通过 煤层温度变化观察气化炉升温状况．并根据点火煤 层周围单点平均温度随时间的变化记录气化炉的 升温状况．待气化炉形成高温温度场后，鼓入空气 或O z H 。O g 进行连续气化试验，实时采集煤层温 度场数据，并分析记录不同气化工艺条件下不同气 化时刻的煤气组成． 2 结果与讨论 2 ．1点火及气化炉升温速率 实体煤的点火难易程度主要取决于煤的燃点， 而煤的燃点随煤化程度的加深而增加．因此，对于 试验煤种。褐煤最易着火，气肥煤次之，瘦煤相对难 燃．另外，在气化炉填煤过程中渗入大量水分，使煤 层点火相对困难．不同煤种的煤层升温速率如图2 所示． 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 ∞ 02 04 06 08 0】0 01 2 0 时间／m i n 图2 气化煤层升温速率比较 F i g ．2C o m p a r i s o no ft h er a t e “t e m p e r a t u r ed e v e | o p m e m 可以看出，达到相同的高温条件，气肥煤的升 温速率最快，升温时间最短，褐煤次之，瘦煤需要的 时间最长，这与煤种的燃烧活性密切相关．褐煤虽 然易燃，但由于其煤层中含有大量水分，水分蒸发 消耗大量热量，因此其升温速率小于气肥煤．瘦煤 结构致密，且为大块煤燃烧，初期燃烧活性小，气化 煤层升温速率最慢，升温时间最长． 2 ．2 空气连续气化 空气连续气化是以空气为气化剂的气化过程． 空气气化过程，由于其中氧气浓度较低，气化强度 较弱．不同煤种地下气化的空气煤气组成如表z 所 示．可以看出，空气煤气的热值基本稳定在3 ．5 0 ～ 4 ．5 0M J ／m 3 ．煤中挥发分的不同导致空气煤气中 C H 。含量不同．气肥煤挥发分含量较高，煤气中 C H 。含量达到5 ％以上，气化初期更高，因此煤气 热值最高．试验用褐煤由于其中含水量高，水分蒸 发并在高温下分解，导致煤气中H 。含量较高．同 时水蒸汽优先分解，使得C O 。还原率及还原速率 降低，煤气中C O 含量显著降低；瘦煤气化，由于其 有效碳含量高，在稳定气化阶段可以形成较其它两 煤种相对高的温度场，C O ，还原反应加强，因此煤 气中C O 含量最高． 表2 不同煤种地下气化的空气煤气组成 干基 T a b l e2 A i rg a sc o m p o s i t i o no fd i f f e r e n t c o a li nU C Gp r o c e s s 8 ／％ 褐煤1 6 1 53 ．5 2l g6 835 0o ．2 0E 65 5 气肥煤92 81 2 ．3 21 8 ．4 0 58 2 o ．1 0 5 40 8 瘦煤 95 0 1 5o o1 85 03 ．o lo ．1 55 3 ．8 4 此外，空气连续气化过程的鼓风量对煤气组成 有着重要的影响．鼓风量决定着地下气化通道中的 气流速度，气流速度越大，气体扩散速率也越大，煤 的气化强度增加，从而导致煤气中可燃气体含量增 加，煤气热值提高．而若鼓风速率过大，则缩短了 C O 。与还原区半焦的接触时间，使煤气中C O 含量 下降口] ．图3 为不同煤种空气气化过程中C O 随鼓 风速率的变化情况，可以看出，对于相同的气化系 统，不同煤种稳定气化的适宜鼓风速率不同． 1 6 芝1 2 曼8 钒 4 0 24681 0 鼓矾速率／ m 3 h1 1 图3C O 随空气鼓风速率的变化 F i g ．3C h a n g eo fC Oc o n t e n tw i t ht h ev e l o c i t yo fa i rb l a s t 2 ．30 2 一H 2 0 g 连续气化 为了提高煤气热值，增加煤气中H 。和C O 的 含量，可以改变气化剂组成，如采用空气一水蒸汽、 富氧一水蒸汽为气化剂，或采用两阶段气化工艺，即 空气气化、水蒸汽气化过程轮流进行，间歇生产水 p 、趟寤嵝蜷 万方数据 中国矿业大学学报第3 2 卷 煤气的方法．实践表明，o 。一H 。O g 气化工艺是连 续生产中热值鼓氧煤气的最佳选择． 1 不同煤种0 一H 。0 g 气化的煤气组成 不同煤种O 一H o g 连续气化过程的平均煤 气组成、气化剂用量及煤气流景如表3 所示． 可以看出，尽管不同煤种的气化反应活性存在 差别，而采用o 一H 。O g 气化工艺，在适宜的氧汽 有较高的含量．这是由于采用O 。一H 。O g 为气化 剂，气化剂中氧气含量的提高增加了气化煤表面的 氧气浓度，加快了煤的燃烧速率，强化了气化过程， 从而维持了气化 氧化、还原 区的高温温度场．而 在此条件下，C O 。及H O g 的还原速率及还原率 增加，煤气中H 。和C O 含量增加．此外，在地下气 化长通道中，H 。o g 存在下的水煤气变换反应加 比条件下，均可获得中热值煤气，煤气中C O ，H 。具强，煤气中H 含量进一步增加”1 表3 不同煤种0 2 一H 2 0 g 地下气化煤气组成 T a b l e3G a sc o m p o s i t i o no fd i f f e r e n t c o a li n0 2 一H 2 0 g g a s i f i c a t i o np r o c e s s 2 汽氧比的影响 汽氧比是气化过程中水蒸汽和氧气的耗量比， 它是控制气化温度的重要操作条件．随着汽氧比的 增加，气化温度将降低，水蒸汽分解率下降，水蒸汽 耗量增加．不同煤种因其反应性不同，要求不同的 反应温度，相应地选择不同的汽氧比口] ．反应性好 的煤可在较低的温度下气化，因而耗氧量减少，汽 氧比相对增大． 汽氧比的改变对煤气组成也有影响．随着汽氧 比的增加，水蒸汽的浓度增加，有利于变换反应的 进行．因而煤气中一氧化碳含量减少，氢气和二氧 化碳含量增加．煤气中H 。与C O 总和9 随汽氧比 的变化如图4 所示． 8 0 誉6 0 3 4 0 已 }20 10I52 02 ．5 O 汽氧地 图4 煤气组成随汽氧比的变化 F i g ．4C h a n g eo fg a sc o m p o s i t i o nw i t ht h e H z o g ／0 2r a t i o 2 ．4 气化速率 在地下气化过程中，煤的气化速率包括火焰工 作面 气化工作面 沿气化通道向前移动的速率和 煤层的横向气化 燃烧 速率“] ．它们取决于气化过 程的供风、供氧速率、气化炉温度、通道形群{ 因素． 火焰工作面向前移动的速率，可以根据在不同 气化时刻，气化炉内最高温度点所处的位置来确 定，即用两个不同时刻最高温度点的间距除以这两 时刻间的时间间隔，在不同时刻煤层燃烧范围边界 的扩展速度，就相当于煤层的横向燃烧速度．根据 试验时所测试的温度数据，可以计算出在不同时 刻、不同位置煤层的燃烧高度等温线位置，由此可 以计算出横向气化速度，即通道扩展速度“． 根据试验过程中不同气化时刻的煤层温度场 数据，计算得到了不同煤种O 。H 。O g 地下气化过 程中的水平气化速率及横向气化速率的变化情况， 如图5 所示． 可以看出，在供风点 包括进气孔、辅助孔、出 气孔 附近，煤层水平气化速率及横向气化速率均 出现最大值．这是由于，在供风点附近，反应煤表面 氧气浓度较高，气流压力大，煤的氧化还原速率加 剧，气化速率增大．而当供风点较远时，由于气化燃 空区增大，反应煤表面氧气浓度减小，氧化还原过 程相对较缓，气化速率下降． 与地面气化不同，在地下气化过程中，实体煤 的碎裂，能够增加气化反应表面积，增加气化强度， 从而有利于气化过程的进行． 褐煤，由于其水分、挥发分含量高，受热后水分 迅速蒸发导致大块煤不断碎裂，结构疏松，相对气 万方数据 第6 期刘淑琴等不同煤种地下气化特性研究 化反应的比表面积大，且褐煤具有丰富的过渡孔和 大孔，高温条件下容易破碎，使反应剂容易扩散到 这些反应煤表面，因而气化反应活性最高，气化速 ， 目 莓 制 羞 扩 0 ．51 ．0l520 气化通道长度／m 曲水平 率最快．同时，褐煤中含有F e 。O 。等大量矿物质，对 气化过程具有强烈的催化作用“1 ． 气化通道长度／m b 横向 图5 水平、横向气化速率变化 F i g ．5C h a n g eo fh o r i z o n t a la n de x t e n d i n gg a s i f i c a t i o nv e l o c i t y 瘦煤因为其水分、挥发分含量低，加之结构致 密，它生成的煤焦孔隙少，反应比表面积小，活性 低．但这种结构致密的煤热稳定性差，在受热后由 于内外温差大，膨胀不均产生应力，容易爆裂，在煤 地一F 气化条件下，有利于实体煤的碎裂，增加了气 化反应表面积，提高了气化活性，并能够使气化过 程稳定进行，因此瘦煤气化速率平稳变化． 气肥煤具有较强的粘结性，对于煤的气化过 程，粘结性往往是不利的，而在地下气化过程中，气 化过程沿气化通道横向移动，自身结焦粘结的煤会 继续提供相似的固体表面供气体接触和完成反应， 因为气体的流动断面是较宽的气化通道，因此地下 气化过程仍可以进行下去．但同时气肥煤热稳定性 好，不易碎裂，使得气化反应面积相对较小，气化渗 透速率减小，因此在气化中后期，气化速率明显下 降，气化过程稳定性较差． 2 ．5 煤气产率、气化效率及比消耗量比较 煤气产率是指1k g 原料煤气化后制得的煤气 量，干煤气产率可按下式计算 K 一邕， 式中v 。为干煤气产率，I n 3 ／k g ；V 。为干煤气总产 量，m 3 } G c 为气化煤消耗量，妇． 在地下气化模型试验中，根据实际的煤气产量 及气化炉解剖后得到的实际气化煤量，可以求得不 同煤种地下气化的干煤气产率．由此可进一步求得 气化效率，即单位重量气化原料的化学热转化为所 产生的煤气化学热的比例． - 一笼一警， 式中Q 。为每千克气化煤产生的化学热，M J ／k g ； H 。为干煤气的热值。M J ／m 3 ；々为气化效率，％． 比消耗量为生产1m 3 煤气所消耗的水蒸汽和 氧气量9 ] ，它是煤气生产的重要技术经济指标． 三种煤种0 。一H 。O g 气化条件下的煤气产率、 气化效率及比消耗量如表4 所示． 表4 不同攥种的煤气产率、气化效率及比消耗量比较 T a b l e4 C o m p a r i s o no fg a sr a t e ，g a s i f i c a t i o n e f f i c i e n c ya n dr a t i oc o n s u m p t i o n 煤种 竺2 气嶝荆1 竽毪厂 m 3 k g1 ％ u 2H 2 u 褐煤1 ．4 98 7 02 204 0 气肥煤21 17 902 506 7 瘦煤 2 ．2 47 40 ．2 806 0 计算结果表明，褐煤气化效率最高，达8 7 ％， 但其水分大，矿物质含量高，碳含量低，因此气化煤 气产率最低，氧气和蒸汽的比消耗量也最低；瘦煤 含碳量最高，因此其氧气比消耗量最大，但由于其 气化活性较低，气化效率只有7 4 ％；气肥煤挥发分 含量高，相对进入气化区的半焦量少，因此其氧气 比消耗量低于瘦煤，同时由于原料中的挥发分在于 馏过程中转化为干馏煤气，因此稳定气化过程的煤 气产率低于瘦煤，其气化效率介于褐煤和瘦煤之 间，为7 9 ％．三种试验煤种的气化效率均较理想条 件下低，这可能是由于模型地下气化炉热损失较高 的缘故． 3 结论 1 对于试验煤层，褐煤最易着火，气肥煤次 之，瘦煤相对难燃．达到相同高温条件，气肥煤升温 速率最快，瘦煤最慢． 2 不同煤种地下气化的空气煤气热值基本稳 定在3 ．5 0 ～4 ．5 0M J ／m 3 ．煤种的不同组成决定r 空气煤气中C O ，H 。，C H ；含量的不同．空气连续气 化过程的鼓风量对煤气组成有着重要的影响． 一1_1．目喜要F ㈣㈣ ㈣㈣呲 。 万方数据 6 2 8中国矿业大学学报 第3 2 卷 3 试验表明，不同煤种O 。H 。o g 地下气化 均可以获得中热值煤气 H 与C O 含量之和在 6 5 ％左右，O 。含量小于0 ．5 ％ ．不同煤种稳定地下 气化的适宜汽氧比不同． 4 试验条件下的煤层水平气化速率及横向气 化速率变化情况表明，在供风点附近，气化速率均 出现最大值．褐煤气化活性最高，气化速率最快．瘦 煤气化活性较小，气化速率变化平稳．气肥煤在气 化初期具有较高的气化速率，而在气化中后期，气 化速率明显下降，气化稳定性变差． 5 褐煤气化效率最高，但煤气产率小，比消耗 量也小；瘦煤气化效率较低，但其煤气产率最高，相 应比消耗最也最高；气肥煤煤气产率也较高，但气 化效率较低． 参考文献 [ 1 ]刘淑琴，梁杰，余力．煤炭地下气化中C O 。化学 反应特性及其影响因素E J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 0 ，2 9 6 6 0 66 10 ． 李耀娟，田玉璋，于在平．煤炭地下气化[ M ] ．沈阳 东北工学院出版社，1 9 8 1 ． 戢绪国，步学朋，应幼菊，等五种煤同定床气化小 试试烧综合研究口] ．煤炭转化，2 0 0 2 ，2 5 3 6 5 6 9 ． 杨兰合，余力，梁杰．煤炭地下气化温控爆破渗 流燃烧模型试验E J ] 煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 5 5 2 6 5 2 9 ． 杨兰合，刘裕国，江国．倾斜煤层煤炭地下气化模 型试验研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 ，2 3 5 1 0 1 3 ． 王同章．煤炭气化原理与设备[ M ] ．北京机械工业 出版社，1 9 9 9 ． 高福烨．燃气制造上艺学[ M ] ．北京中国建筑工业 出版社，1 9 9 5 ． C h a r a c t e r i s t i c so fU n d e r g r o u n dG a s i f i c a t i o no fD i f f e r e n tK i n d so fC o a l L I US h uq i n ，L I A N GJ i e ，Y UX u e d o n g ，Y UL i S c h o o lo lC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nU C G u n d e r g r o u n de o a l g a s i f i c a t i o n m o d e l t e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r g r o u n dg a s i f i c a t i o no fd i f f e r e n tc o a lw e r es t u d i e df r o mt h ea s p e c to fg a sc o m p o s i t i o no f a i rg a s i f i c a t i o na n do x y g e n s t e a mg a s i f i c a t i o np r o c e s s ，t h er a t eo ft e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，g a s i f i c a t i o nr e a c t i o n r a t e ，g a sy i e l da n dg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ye t c ．T h er e s u l t ss h o wt h a ta i rg a sc o m p o s i t i o ni sa f f e c t e db yc o a l k i n da n da i rb l a s tv e l o c i t y ．O no p t i m u mr a t i oo fv a p o rt oo x y g e n ，o x y g e n s t e a mg a s i f i c a t i o no fd i f f e r e n tc o a l c a np r o d u c em i d d l eh e a tv a l u eg a s ．L i g n i t ei nt e s th a sh i g hg a s i f i c a t i o nr e a c t i v i t y ，h i g hg a s i f i c a t i o nr e a c t i o n r a t ea n dl o w e rg a sy i e l d ．I ti sm o s ts u i t a b l ef o rU C Gw i t hg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f8 7 ％．T h et e s tl e a nc o a l h a sl o w e rr a t eo ft e m p e r a t u r ei n c r e a s i n gd u et oi t sl o w e rr e a c t i v i t y ．I t sg a s i f i c a t i o nr a t eg e n t l yc h a n g e sa n d t h ee f f i c i e n c yo fo x y g e ns t e a mg a s i f i c p r o c e s sw a sd i tt h eU C Gp r o c e s si sm o r es t a b l ea n da l s oh a sh i g hg a s y i e l d ．T h et e s tf a tc o a lh a sh i g hr a t eo ft e m p e r a t u r ei n c r e a s i n ga n di t sg a sy i e l di so n l yl o w e rt h a nt h a to fl e a n c o M ．T h eg a s i f i c a t i o nr a t eo f ／a tc o a ld e c r e a s e sa f t e rp y r o l y s i s ，w h i c bw i l lm a k et h eU C Gp r o c e s su n s t a b l e ， K e yw o r d s u n d e r g r o u n dc o a lg a s i f i c a t i o n ；o x y g e n s t e a mg a s i f i c a t i o n ；g a s i f i c a t i o nr a t e 责任编辑王玉浚 呦 嘲 Ⅲ 跚 ；兰 网 万方数据