煤炭地下气化发展趋势探讨与建议.doc

煤炭地下气化发展趋势探讨与建议 （晋城煤业集团技术中心 郭昭兴 山西晋城 048006） 内容摘要介绍了煤炭地下气化技术的由来与发展现状，对近年来我国煤炭地下气化的现状和发展趋势进行了介绍、分析，提出了建议。 关键词煤炭地下气化 探讨 建议 1 煤炭地下气化技术的由来与发展现状 1.1煤炭地下气化技术的由来 埋在地下的煤炭，通过井工或露天开采运到地面，又通过破碎、洗选、最后将适合造气工艺的煤炭投入炉内生产出可供取暖烧饭和制化工产品的煤气。能不能将未经开采的煤直接气化，生产可利用的煤气呢这一设想最早是德国化学家威廉西蒙斯在1868年提出来的，后来沙皇俄国的大化学家门捷列夫和英国化学家威廉拉赛姆也提出了同样的设想并进行过试验。 1912年，英国首先做出了有井式煤炭地下气化的方案，但直到20世纪30年代前苏联才取得了试验的成功。此后，世界主要产煤国或工业发达国家也纷纷开展煤炭地下气化的试验，这其中主要有英国、美国、捷克、波兰以及日本等国家。煤炭地下气化的地下现场无人无设备，地面无气化炉，节省了投资保证了安全，当时被誉为“一个技术的伟大革命”、“开采技术上一场巨大的革命”。 国外当时采用的煤炭地下气化方式主要是无井式的，即在一定距离的煤层上方地面打钻孔，一个进气孔，一个排气孔，两孔在煤层内贯通，也可以在两孔中间打一辅助孔与气化通道相接。其工艺是在进气孔与煤层贯通孔（气化通道）交叉处将煤炭点燃并适量鼓入空气，煤炭经氧化产生二氧化碳并放出热量，随着气化向排气孔方向流动，整个气化通道被加热干C O2C →2 CO2-Q H2O C → H2CO-Q CO H2O → H2 CO2Q C2 H2→CH4Q 还原区 干馏干燥区 C→ CH4 H2 H2O 气 化 煤 层 灰渣 气化通道 CO2→ CO2Q C1/2 O2→ COQ C1/2 O2→ CO2Q 氧化区 进气孔 排气孔 气流通道 辅助孔 图1 煤炭地下气化原理示意图 馏，二氧化碳与碳发生还原反应生成一氧化碳和少量氢气，最后在排气孔形成含一气氧化碳和少量氢气、甲烷以及氮气等混合组分的煤气（见图1）。 1.2煤炭地下气化技术发展现状 1.2.1国外煤炭地下气化技术发展现状 煤炭地下气化做为一项特殊的采煤方法和技术，在曾提出、研究和实验的一些国家是成功的，但利用这项技术形成产业化规模的实例不多，目前国外多数国家这项技术的水平仍处于几十年前的状态。究其原因，分析起来可能有以下几个方面。 ①气化断面小、气化通道短、产气量低 国外煤炭气化大都采用无井式，据资料介绍，从地面向煤层打钻孔，其直径不可能很大，一般不会超过0.4m；钻孔打入所要气化的煤层后需转向沿煤层底板钻进并与另一地点从地面打入煤层的钻孔贯通，其技术难度可想而知，两孔距离越远难度越大，所用时间长，成功率低，成本高，故只能取短距离从而形成气化通道短的必然现象；气化通道断面小、距离短必然导致气化煤量少生产煤气量少的结果。这样的结果不可能产生其后可供大规模工业化利用的产业链，推广应用价值有限。以前苏联为例，从1933年地下煤炭气化成功到1993年60年的时间里，共气化地下煤炭1300万t，尚不及晋城煤业集团2002年一年的计划产量。 ②煤气稳定性差且不便常规运输 在确定了煤气的使用方案后，在煤气的供应中要求达到长期、足够、稳定的质量和数量要求，这些要求无论是生活用还是生产用煤气的过程都是至关重要的，很显然无井式煤炭气化技术达不到这个要求。能源的输送和运输是能源广泛利用的必然环节，而气体输送较之固体运输也存在很大的不利因素。气体输送必须在可承受一定压力的密封管道或容器中进行，而固体的煤用一般的铁路或公路普通的运输工具就可以了。 ③世界石油能源的大规模开发和利用 中东地区和世界其它地区丰富石油储量的发现和大规模开采使世界石油价格大大降低，石油替代煤炭还能减少污染，因此世界工业化国家和富裕国家以石油替代煤炭而减少了煤炭的开采和利用，即使在煤炭储量多，采矿技术先进的国家例如德国也是如此。在这样的大环境中，采煤和煤炭地下气化已不再为人们所重视。 据说在20世纪70年代世界石油危机时，以美国为首的一些工业化国家曾在寻找和研究替代石油能源时进行过煤炭地下气化的研究和实验，在技术上有一些进展。随着世界石油危机的缓解仅将其作为一项技术储备而束之高阁。 1.2.2国内煤炭地下气化技术发展现状 我国开展煤炭地下气化技术研究工作较世界上一些其他国家晚，在20世纪50年代末60年代初的中苏友好时期，曾在我国黑龙江省的鹤岗、辽宁省的抚顺、吉林省的蛟河和山西省的大同等矿区进行过试验。分析这项技术在我国第一次兴起和中断，虽然与当时中苏关系的好坏有一定的关联，但主要还是这项技术的局限性和技术难度的原因。 近十几年来，煤炭地下气化技术又在我国蓬勃兴起，煤炭地下气化试验点如雨后春笋一个接一个，从20世纪80年代末期至现在的十几年时间里，已有十几个矿区成功地进行了煤炭地下气化试验。这一现象的出现是由于我国的科学技术人员对传统的煤炭地下气化技术大胆突破的结果。这一突破的起因也具有中国特色。 我国是一个世界性产煤大国，近年来每年的年产量都在10亿t左右；我国又是一个煤炭消费大国，能源消费的70是煤炭。但是，我国煤矿的煤炭回采率较低，据资料，我国目前大、中、小煤矿的平均回采率约50，也就是说采一半丢一半，每年采10亿t煤就减少20亿t 煤炭储量。在被丢弃的煤中除不合理丢掉的外，还有保安煤柱、边角残煤、“三下”煤（建筑物、道路、水体下煤）、高硫煤。这些煤采用传统的采煤方法是不能采或不便采的，传统煤炭地下气化的方法也是不适用的。但在这些已开采多年的矿井中却有现成的井筒、巷道、通风和运输设施和系统可以利用。扬长避短、有井式与无井式气化工艺相结合并借鉴地面煤气发生炉鼓水蒸气生产水煤气的工艺原理，一个“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化工艺技术诞生了，其后不久，“气化矿井”技术也应运而生。中国新的煤炭地下气化技术的诞生是对传统煤炭地下气化技术一个新的突破，是一次新的技术革命。这一革命不仅得到了煤炭生产企业的欢迎和支持，而且得到了党和国家领导人、著名科学家和省、地、市政府领导的重视和支持，这也是多次工业性试验得以顺利进行并形成今天大好局面的一个极为重要的因素。 “长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺原理与传统的无井式气化方法基本相同。不同的是采用人工方法将气化通道大大加长了（一般在100m以上），气化断面加大了（一般在4m2左右），两阶段是指参加气化的介质不同，间歇替换地鼓入空气（或氧气）和水蒸气。其结果是反应断面大、气化通道长、产气量多，延续时间长，可以生产高热值的煤气，为大规模工业化利用打下了基础。 近年来曾经和正在进行煤炭地下气化的单位及基本情况如下 1987年，江苏徐州马庄矿，无井式火力渗透贯通，空气介质煤炭地下气化试验，气化通道长32m，生产出热值2.52MJ/m3煤气。 1994年3月，江苏徐州新河2号井，在井下煤柱采用长通道大断面工艺进行了半工业性试验，气化通道长168m，稳定生产煤气96天，日产煤气3.6万m3，热值5MJ/m3，共产煤气345万m3，气化煤量1152t。 1996年5月，河北唐山刘庄煤矿，气煤、急倾斜煤层，采用长通道，大断面、两阶段气化工艺，生产热值4.25.7MJ/m3的空气煤气，日产可达1012万m3；同时生产了水煤气和半水煤气，热值可达15MJ/m3，日产达5万m3。 1997年9月，黑龙江依兰煤矿，利用矿井式煤炭地下气化技术进行了两个多月的试验，生产出热值5MJ/m3的煤气。 1998年河南鹤壁一矿，采用矿井式煤炭地下气化技术生产出热值4.7MJ/m3的煤气，平均每天产气10万m3，每天气化煤炭22t。 1998年河南义马矿务局北露天矿，采用矿井式煤炭地下气化技术进行了70天的试验，生产出热值5MJ/m3的煤气，共气化煤炭3470t。 2000年，河南新密煤炭工业公司下庄河矿进行了三个月试验，生产空气煤气、水煤气，用富氧做为介质生产高热值煤气。 2000年山东新汶矿业集团孙村煤矿，采用“长通道、大断面、两阶段”气化技术，生产出平均10.54MJ/m3热值的煤气。 2001年山东肥城矿业集团曹庄矿在含硫煤层进行煤炭地下气化试验，生产出高硫煤气，热值6.28MJ/m3。 2001年山西昔阳煤炭化学公司，第一个在我国无烟煤煤层采用“长通道、大断面”工艺进行煤炭地下气化试验取得成功，生产出热值5.7MJ/m3的煤气。 2对我国煤炭地下气化发展现状及趋势的分析与建议 2.1 对我国煤炭地下气化发展现状与趋势的分析 由于“长通道、大断面、两阶段”和“气化矿井”煤炭地下气化技术的发明，使人们看到了煤炭地下气化形成产业化的希望，引起了党和国家领导、专家学者和煤炭生产企业及有关政府部门的重视。先期介入煤炭地下气化的专家和科技人员正地抓紧时间努力探索，寻找规律、确定参数、试验研究。一些曾经和正在介入煤炭地下气化工业工程设计和承担煤炭地下气化试验的煤炭企业的工程设计、技术人员在接触煤炭地下气化具体的技术工作中，也在不断的学习和探索，也有所发现、发明和创造。在方方面面的支持和有关人员的努力下，我国煤炭地下气化技术的探索和试验工作呈现出轰轰烈烈蒸蒸日上的局面。这一局面的形成无疑会对我国煤炭地下气化的发展进步起到非常积极的作用。 由于“长通道、大断面、两阶段”和“气化矿井”工艺是对世界上传统煤炭地下气化工艺的突破，所以目前该项技术我国处于世界的前列，知识产权的保护、专利申请的空间很大。据了解，从事这项技术较早的单位或个人已有若干项专利获得批准，一些承担地下气化试验的煤炭企业也宣布在某些方面有所创新而进行知识产权保护。这一现象的出现，说明我国的一些企业和个人知识产权保护意识大大增强，同时也激励其他从事这项工作的人努力工作，加快研究步伐，早出成果快出成果。 2001年11月下旬，煤炭工业技术委员会召开了煤炭地下气化专业委员会成立大会及技术研讨会。参加会议的代表人数大大超过了会议组织者的预料，报到人数超过150人，通过这次会议可以看出大家对煤炭地下气化专业委员会的厚望，对我国煤炭地下气化尽快产业化的渴望。 从目前我国从事煤炭地下气化研究的机构和人员构成看，主要是以从事煤炭开采的为主。但是从煤炭地下气化涉及的学科来看，不仅包括地质、采矿、机电、通风等一般采矿涉及的专业，而且包含化工、热力学、电子等行业或专业，是一项多学科交叉的综合性课题。我认为在研究工作向纵深发展的时候必然会遇到不少不熟悉的问题。 虽然目前煤炭地下气化技术引起了方方面面的关心，开起会来轰轰烈烈，但真正搞研究还是各自为战。有的虽有机构但人员很少，仅俩仨人，甚至仅是一个人在孤军奋战，人力物力倍显单薄。虽然有的研究单位或个人有了几项专利，有的科技人员在某一方面也有所发现、发明或创新，但大都仅能解决定性问题或受特殊条件限制的一孔之见。目前煤炭地下气化技术是处在工业性试验阶段。 综上所述，我认为我国的煤炭地下气化研究和发展前景是光明的，道路是曲折的，要达到可以大规模普遍推广和应用尚需时日。要加快研究的速度使这一天早日到来，就必须改变目前的一些做法，克服不利因素，争取和创造良好的条件和环境。 2.2对煤炭地下气化技术研究的建议 ①集中人力、物力、财力，成立基础雄厚的煤炭地下气化研究中心 鉴于目前这种个人发起，单位支持和散兵游勇各自为战的局面，对于多学科交叉的煤炭地下气化研究是十分不利的，应该集中有关行业、专业中年富力强的有识之士共同参与，方法可以采取招聘、聘请、项目招投标等形式。集中物力主要指现有的可以集中的研究设备、测试仪器、手段等。集中财力是将可申请到的、捐赠的、集资的资金集中统一使用，最好是能申请到国家科研开发项目，获得较充沛的研发资金。 ②加强基础理论和多学科交叉相互影响的研究 煤炭埋于地下，其自身及相关自然条件千差万别，如煤种、煤质、煤层厚度、倾角、围岩、盖山厚度等这些相关因素我们搞采矿出身的人是熟悉的；但热力场中的化学反应，什么氧化、裂解、还原及相关影响、制约因素以及与上面提到的我们熟悉的因素间的关系就不熟悉了，再往深处，恐怕连想象的余地都不多。不同地区不同品种的煤炭赋存在不同的自然条件和状态下，“长通道”多“长”为宜，“大断面”多“大”为好，“两阶段”多长时间为一周期，水蒸气要求多大压力多高的温度，等等。我想，一旦展开需要回答和研究的内容会很多。 ③进行测控理论与仪器设备的研究、生产和试验 煤炭地下气化的真实情况看不见摸不着，全靠仪器仪表的测试和人工分析，哪些因素能最直接全面反映煤炭地下气化的情况，如何收集，采用什么样的仪器最准确。根据测试结果应该如何控制地下气化的反应使之处于人们希望的状态，需要什么设备，需具备哪些条件和采取什么措施，能不能用计算机自动控制，软件编制与自动控制的必备和影响因素等等，都应该研究和试验。 ④有计划、有针对性地建立煤炭地下气化试验基地 检验理论是否正确最好的也是唯一办法是实践。因此，在加紧进行理论和基础研究的同时应根据不同的煤种、煤质和赋存的条件，选择不同地区，在研究者认为合适，“地主”愿意的情况下建立试验基地。基地应达到使研究者获得圆满的试验结果，承担试验的单位获得实惠。 ⑤制订煤炭地下气化设计规范 由于煤炭地下气化在我国是新事物，正处在研究和试验阶段，还没有一个经权威部门颁布或认可的煤炭地下气化设计规范。有关专家、学者和科技人员应该担起此重任。这项工作对于推动我国煤炭地下气化将会起到极其重要的作用。 ⑥重视安全和环境保护工作 我国目前煤炭地下气化方式基本上采用的是有井式与无井式相结合的方法，需要在井下人工完成气化区的密闭工作和挖掘气化通道，井下工作环境恶劣条件艰苦，应严格遵守井下安全操作规程，保障作业职工的生命安全和身体健康；在进行煤炭地下气化工作中，因为生产的煤气具有可燃可爆性，无论在地面或井下都有燃烧爆炸的危险，应制订严格科学的安全操作规程，防止事故的发生。 煤炭地下气化过程中会产生污染，主要包括煤气泄漏造成大气污染和产生的污染物对地下水的污染。这其中应特别注意防止污染地下水，一旦地下水被污染会造成长期灾难性的可怕后果。 ⑦加强对煤气利用的研究 当然这里的煤气是指煤炭地下气化生产的煤气，地面煤气发生炉生产的煤气工业利用已成定式。由于煤炭地下气化生成的煤气在质和量上与地面工业煤气有差别而影响了其产业化利用，这是目前该项技术不能普遍推广的一个重要原因。任何产品如果不能转化为商品就不能为生产者创造经济效益，生产者是不愿意干的。因此我认为，在加紧研究和完善煤炭地下气化工艺技术的同时，应该研究不同地质条件不同煤种采用不同的气化工艺产生不同量、不同组分煤气的利用问题，只有解决了这个问题，煤炭地下气化才有旺盛的生命力。 参考文献 山西煤管局、煤炭地下气化技术调研报告1998年 余力，“煤炭地下气化技术新工艺理论与体系”2001年 王敦曾，“关于煤炭地下气化技术发展的探讨”2001年 梁杰、余力，“矿井报废煤炭资源地下气化技术研究”2001年 孙宝铮等“煤炭地下气化的走势”2001年 作者简介郭昭兴（1945），男，汉族，河北省唐山市人，1970年毕业于北京矿业学院采矿系，高级工程师。现任山西省科技情报学会理事、中国煤炭协会科技文献信息咨询专业委员会委员。现在晋城煤业集团技术中心工作。 11