煤层气化2.ppt.Convertor.doc

第二部分 煤炭地下气化技术 概 述 煤炭地下气化原理及工艺 提高燃气热值的措施 适用条件及其发展方向 工业性试验实例 煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）是指在煤层赋存地点直接获得可燃气体的过程，即在地下将固态矿物通过热化学过程变为气态燃料，然后由钻孔排到地面，供给用户。 煤炭的地下气化原理是由原苏联著名化学家门捷列夫在1888年提出的。后来，英国、苏联、美国相继试验成功，并建立了地下气化站。 一、概 述 我国自1958年先后在鹤岗、大同、抚顺、皖南等多个矿区进行了煤的地下气化试验，取得了热值为3.49～5.53MJ/m3的煤气，后因国民经济调整而相继停止。1994年，余力教授在徐州新河矿、唐山刘庄矿进行气化试验，取得热值在13.69MJ/m3以上的煤气。2005年在新矿集团鄂庄矿进行了地下富氧气化工业性试验，当氧气浓度在40％ ～80％时，能够稳定生产热值为5.8 ～ 9.2MJ/m3的煤气，单炉煤气产量达到50000m3/d。生产的煤气供陶瓷厂使用，效果良好。对埋深1200m以下煤层、残留煤柱、村庄下压煤和劣质煤的开采，地下气化技术将有重要发展前途。 煤炭地下气化是将含碳元素为主的高分子煤，在地下燃烧转变为低分子的燃气，直接输送到地面的化学采煤方法。它是将煤气发生炉与焦化炉产气原理融为一体。 煤炭地下气化过程中可燃气体的产生，是在气化通道中三个反应区里实现的，即氧化区、还原区和干馏干燥区，如图2.1所示。 二、煤炭地下气化原理及工艺 1 气化原理 在还原区主要反应为和水蒸气与炽热的煤层相遇，在高温下，CO2还原为CO，H2O分解为H2和O2，O2与C生成CO。 在氧化区主要是气化剂的氧与煤层中的碳发生多相化学反应，产生大量的热，使煤层炽热与蓄热。 这两步反应是主要的产气反应，其反应取决于还原区的温度。温度增加，H2 和CO 产率迅速增加，如图2.2 所示。 （a）反应CCO2→2CO中，平衡混合物组成与压力的关系； （b）不同温度下水蒸气分解反应总速度与压力的关系 当气化通道处于高温条件下时，无氧的高温气流进入干馏干燥区时，热作用使煤中的挥发物析出，形成焦炉煤气。 经过这三个反应区后，就形成了含有可燃气体组分主要是CO、CH4 、H2 的煤气。地下煤气是洁净能源，也是化工原料，可用于发电、工业燃烧、城市民用和冶金工业的还原气，还可以合成汽油等。 8 地下煤气发生炉有两种准备方法 矿井式气化方法 从地面向煤层凿出井筒后，用煤层平巷连通，点燃煤层，生产煤气。 这种方法有下列缺点避免不了井下作业；密闭井巷工作复杂，漏气性大；气化过程不易控制。 无井式气化方法 用钻孔代替井筒，然后贯通两个钻孔，并点火形成火道，进行燃烧。燃烧工作就是煤的真正气化过程，这种气化工艺系统如图2.3所示。 2 煤炭地下气化工艺 2.1 火道的贯通方法 建成地下发生炉的主要工程是将两个钻孔贯通，形成火道。其方法主要有 （1）火力贯通 在煤层中用燃烧源烧穿两钻孔间的煤层，这种方法叫空气渗透或火力贯通。在贯通中，按鼓风方向的不同，分为逆风贯通和顺风贯通。由于烧穿速度和耗风量的原因，多使用逆风贯通方法。 11 其施工过程为先打两排钻孔，下套管并对套管外的空隙进行注浆，将钻孔的周壁封闭，然后向两排钻孔内鼓风，把煤层中水分压出。预干燥后，停止向其中一排钻孔鼓风，让其大气相通，并在孔底部点燃煤层，这排钻孔叫做点火钻孔。风流由另一个钻孔以0.4MPa的压力压入，向燃烧源方向渗透。压力迅速下降，气体大量泄出和气体质量提高，是煤层全部贯通阶段结束的标志。 这种渗透贯通方法风耗大，贯通速度慢。为了提高烧穿速度，鼓风压力可提高到1.5MPa，风量不低于150m3/h，对透气性低的烟煤，烧穿速度如表2.1所示。 表2.1 鼓风压力与烧穿速度的关系 （2）电力贯通 电力贯通法是在两个钻孔中放入电极，把高压电流导入煤层，利用电能的热效应进行烧穿。表2.2所列为电力贯通烧穿速度指标。 电力贯通方法主要是利用煤的电物理特性。一般煤的电阻值较高，如表2.3所示。在煤充水的条件下，比电阻值很低。在加热的情况下，煤的比电阻将发生显著变化，在200℃时，煤的电阻达最大值，当达到900℃时，则急剧下降,如图2.4所示。利用此特性，可判断通道烧穿情况。 电力贯通方法的平均贯通速度为2.0-4.0m/d，对煤层顶底板没有破坏作用，只有预热干燥作用，利于气化，但这种方法耗电量大。 3）定向钻进贯通 定向钻进是控制钻进钻孔的斜度和方向，使钻孔由垂直逐渐改变斜度进而变为水平，使两钻孔连通。 前苏联专门设计了一种打定向钻孔的涡轮式钻机，在利西昌斯克气化站进行试验，证明可以由地面按60斜角，以曲率半径R115m钻入煤层（图2.5）。目前，这种钻机有yИБ3Иф1200AM型，倾角可从37变化到60，钻深可达300m。 图2.5 定向钻进 中国矿业大学在实验室内已试验成功拐角钻进，即在垂直钻孔接近煤层处，以曲率半径R2～5m拐90角度达到水平方向钻进。 4水力压裂贯通法 水力压裂法，其实质是用高压将粘性液体或水注入煤层，在煤层中形成许多裂缝，然后再向裂缝中注砂,以使裂缝保持良好的透气性,经点火烧穿后形成火道。技术经济指标如表2.4所示。 2.2 地下气化发生炉的结构及开采顺序 地下发生炉的结构分为有隔离火道的气体发生炉和所有火道都与一个点火道相连的气体发生炉。图2.6（a）表示发生炉的结构形式，图2.6（b）表示发生炉结构要素。按煤层倾角不同，火道布置形式也不同。对倾角大、厚度2～10m的煤层，建议沿煤层倾斜方向的发生炉长度为400～500m；对厚度为2m，产气量为2104m3的发生炉，走向长度100m。 20 对急倾斜煤层，发生炉在走向方向上可连续布置，顺序生产。沿倾斜方向有连续、分段和混合三种开采顺序，如图2.7所示。 （a）连续开采 （b）分段开采 c混合开采 对水平和缓倾斜煤层，发生炉的生产顺序有逆流、顺流和侧向排气三种形式，如图2.8所示。 2.3 两阶段煤炭地下气化工艺 经过多年的研究将地面水煤气生产工艺移植到地下，开创了长通道、大断面、双火源、两阶段煤炭地下气化的工艺理论。 提高产气率和稳定产气的有效方法一是提高还原区的温度，扩大还原区域，使CO2还原和水蒸气的分解更趋于安全；二是增加干馏区的长度，生产更多的干馏煤气。为达到以上两目的，煤炭地下气化反应通道，必须是长通道、大断面，这样就能为煤气反应提供最佳环境。 两阶段煤炭地下气化，是一种循环供给空气和水蒸气的气化方法。每次循环由两个阶段组成，第一阶段为鼓空气燃烧煤蓄热，生成空气煤气；第二阶段为鼓水蒸气，生成热解煤气和水煤气。在该煤气中氢的含量可达50以上，故可提取纯氢气，氢是一种清洁的新能源。 双火源能提高气化炉温度，增加燃烧区长度，以扩大水蒸气分解区域，提高水蒸气的分解率，并得到中热值煤气。 其热值能提高的原因主要有 （1）气化剂为汽，消除了N2，使煤气中可燃气体比例增大； （2）水蒸气不仅在氧化区被分解，而且在还原区和第二个火源进一步分解； （3）在整个气化通道长度内都能产生干馏煤气，煤气中CH4含量得到提高； （4）气流中H2浓度较高，在煤层中一些金属氧化物的催化下，将发生一定程度的甲烷化反应。 2CO2H2→CH4CO2247.4kJ/mol （2-6） 经过在实验室内的模型试验，徐州新河矿和唐山刘庄煤矿的工业性试验都证明该理论是正确的。 2.4 地下气化站工艺系统 气化站总的生产工艺系统如图2.9所示。它的主要构成可分为地上和地下两部分，地下部分是气化发生炉车间Ⅰ。地上部分有压风机车间Ⅱ，清洗和冷却车间Ⅲ，除硫或化工车间Ⅳ，燃气输送车间Ⅴ，以及生产控制和指挥系统的控制调度室Ⅵ。 压风机车间装备有两种规格的压风机，即高压和低压风机。高压为0.5-6.0MPa，供渗透贯通火道使用；低压为0.15-0.2MPa，供气化过程使用。 首先用旋流除尘器把由排气钻孔中带出的大粒尘沙清除，并可将温度降至200℃左右，同时除掉部分焦油，以免使输送管道发生堵塞；此后进入冷却洗尘间，清除灰尘和部分油脂物；再进入电滤器，将细尘和所有的油脂物彻底地清除掉。经洗涤后气体温度降到30-35℃。 在除硫或化工车间中，用干式或湿式除硫方法，把硫化氢从气体中分离出来，然后再送入气体输送车间，供给用户。 所谓干式除硫，是用固体吸收剂，如含氢氧化铁的矿石和活性碳等作吸收剂除硫。湿式除硫则是用液体溶液和悬浮液，如碳酸钠溶液、碳酸钾溶液、盐溶液和砷溶液等，把硫分离开来。在气化站，多采用这一方法。 三、提高燃气热值的措施 3.1 影响燃气质量的主要因素 决定气化工艺过程的主要因素有两个方面生产气体的真正化学过程和煤层表面反应作用的特性。其中影响最大的因素有 （1）煤层厚度 图2.10表示煤层厚度对燃气热值的影响。煤层厚度增大时，所得到的燃气热值也随之增加，而煤的气化程度则降低。目前所采用的气化方法，在厚度1m以内的煤层中是可行的，但只有在煤层厚度大于1.3m时，气化站才能获得较好的经济指标。 2 煤层中的灰分含量 图2.11表示煤层中灰分含量与燃气热值间的关系。当灰分含量超过40，热值急剧下降。此外，当煤层中岩石夹层的厚度占煤层总厚度30以上时，煤的损失达15-40，因此，气化这类煤层在经济上是不合算的。 3 煤层中的水分含量 煤层的水分对气化过程和热值有重要影响。当煤层的水分超过一定限度时，还原带的温度及气化过程遭到破坏，且使反应区燃烧热分配不均，造成很大损失。图2.12表示煤层中涌水量对燃气热值的影响，当地下水蒸发和分解所需要的热量占全部气化总热量的35以上时，则需疏干煤层。 35 4 鼓风强度 图2.13表示鼓风强度对燃气热值的影响。可以看出，气化过程并不永远随着送入风量的增大而无限地得到改善。当风量和速度超过一定程度时，使煤层周围岩石移动速度相应增大而产生裂隙，导致鼓风和燃气的漏损和热能损失，扰乱火焰工作面的气流，恶化了气化条件。最适宜的送风量与煤层埋藏的自然条件及煤的物理性质有关，其值由实验确定图，并且在整个气化过程中应随时调节，使燃气保持恒定的热值。 5风中氧气的含量 空气中增加氧气成分，不仅减少了空气本身的氮气（惰性气体）含量，而且使气化过程中的氧化反应速度加快，产生高温，并促使CO2还原，得再生燃气。因此，用富氧空气作为气化剂，可使煤气产品中的含氮量减少，可燃成分增加，从而大大提高燃气的热值。 3.2 提高燃气热值与稳定产气量的措施 （1）多功能钻孔的应用 固定功能的钻孔要实现对气化过程的有效控制是十分困难的。必须将所有的钻孔与总进排气管、供蒸汽管连接起来，每一个钻孔都设有注浆口。这样每一个钻孔都可以起到供风、供汽、排气、注浆、点火、测试的作用，构成多功能的用途。使长通道、大断面、双火源、两阶段煤炭地下气化的新工艺具有更高的可靠性、灵活性和可控性。 多功能钻孔的应用，可以使气化炉体成为可变式炉体，进风点可以不断向前推移，如图2.14辅助孔1进风后，必为辅助孔2进风等。 2 反向燃烧气化 当正向气化时，火焰工作面将渐渐向出气孔移动，干馏干燥区越来越短，到后期还原区也将越来越短，最终还原区长度将不能满足氧化区生成的CO2还原和水蒸气分解反应的需要，而使煤气热值降低。这时必须采用反向供风气化方案，则由出气孔鼓风，进气孔排气，使火焰工作面向进气孔方向移动，重新形成新的气化条件。因此反向气化时，同样可以得到与正向气化相同热值的煤气，甚至得到热值更高的煤气。 3 压抽相结合气化 由还原区的两个主要反应可知，CO2还原和水蒸气的分解都是体积增大的反应，因此降低还原区的压力，能够提高其反应速度，但是氧化区压力不宜降低，因为氧化区压力越高，向煤层里渗透燃烧的能力越强。为了能同时满足氧化区和还原区的要求，可以采用压抽相结合的气化方案，则由进气孔鼓风（氧化区一侧），出气孔用引风机向外抽风，调节鼓风压力和抽气压力，使还原区处于相对较低的压力条件下，有利于干馏煤气及时排放。更重要的是，压抽相结合气化减少了煤气漏失，能够确保矿井安全。 4气化空间充填 在连续的煤层气化过程中，顶底板受热破碎使地下气化炉燃空区不断扩大。一方面使冒落的岩石充填了燃空区；另一方面，岩石中出现裂缝，破坏了气化工作站的密闭性，造成气流漏损和围岩的热损，甚至地表出现塌陷，使炉体空间不断增大，减小了反应比表面积，导致煤层气化率的降低。 为了防止上述情况，必须及时向地下气化燃空区充填。充填物为黄泥、粉煤灰加水泥的混合物，用水使混合物成为流体，通过钻孔输送到地下气化通道内，通过自然流动在通道内延伸，达到燃空区充填的目的。 （5）双向气化技术 地下气化炉温度场的分布特点，是靠近进气孔侧温度高于出气孔侧温度10倍左右。双向气化技术根据两阶段地下气化的原理，将第二阶段鼓水蒸气改进气孔为出气孔鼓入，水蒸气将由低温处向高温处流动。双向气化在多功能钻孔气化炉结构的条件下，也同样可以建立双火源、两阶段地下气化的工艺过程。双向气化产生的水煤气的数量和热值，都高于单进气孔既鼓风又鼓水蒸气的气化发生炉。 （6）温控爆破渗流燃烧技术 初期在原始煤层进行地下气化时，由于原始地应力没有释放，煤层不容易渗透疏松，这将影响煤炭地下气化的效果。必须采用在气化煤层中预埋炸药，利用温度控制炸药的爆炸；利用爆炸的能量使气化煤层疏松、碎裂，创造渗流燃烧的条件，提高煤层地下气化的效果和热值。 四、适用条件及其发展方向 煤炭地下气化可以使埋藏过深或过浅不宜用井工开采的煤层得到开发，它不但改善了矿工的劳动条件，而且气化对地表破坏较小，没有废矸，还有利于防止大气污染。煤炭地下气化的经济效益较好，其投资仅为地面气化站的一半左右。 煤炭地下气化不仅可以回收老矿井遗弃的煤炭资源，而且可以用于开采井工难以开采的或开采经济性、安全性差的薄煤层、深部煤层和“三下”压煤，以及高硫、高灰、高瓦斯煤层等。 1 煤炭地下气化适用条件 一般来说，多孔而松软的褐煤及烟煤厚煤层比较容易气化，而薄煤层，含水分多的煤层和无烟煤较难气化。稳定而连续的煤层，顶底板的透气性小于煤层的透气性以及倾角超过35的中厚煤层对气化更为有利。 利用气化去回收报废矿井的煤柱、边角煤也是国内外气化的一个方向。 2 煤炭地下气化发展动态 煤炭地下气化自试验以来，得到了较迅速的发展，但至今尚未进入实用推广阶段。世界各国对煤炭地下气化均相当重视，投入了大量的人力和物力来发展和完善这一新型采矿技术。因此地下气化也出现了许多新的动向。 （1）无井式长壁气化工艺法 近几年来，为了提高煤气的质量和产量，国外实验了无井式长壁气化法。它是从地面钻定向弯曲钻孔，当钻孔通达煤层后，在煤层中直接贯通。贯通后，在钻孔的底部点火进行地下气化，如图2.15所示。 这种方式完全取消了地下作业，但定向弯曲钻孔要求技术水平高。该站的煤层条件是煤厚2m，埋藏深度300m，钻孔水平钻进90-100m。 （2）煤炭地下燃烧工艺 用煤炭地下燃烧工艺来回收被以往采煤所遗弃的煤柱。目前，该试验正在国外几个煤田进行工业性实验，其目的是将煤的热值转化为热能，以供民用或工业使用，提高煤炭资源的利用率，同时还可以获得化学能（H2、CO、CH4）。所采用的煤炭地下燃烧工艺如图2.16所示。 该工艺主要是采用抽风机造成负压，将燃烧产生的高温气体（300-600℃）通过热交换器使水蒸气供发电和民用。 3地下气化区燃烧面位置与温度的控制 地下气化燃烧面位置与温度的控制是一个难题，目前美国已试用卫星红外摄影进行监控。它可以探明燃烧面的确切位置和温度情况，从而用调节供氧量和供水蒸气量来控制其温度，提高或降低燃烧面的气化强度，提高煤气热值，试用效果良好。该矿气化产品价格已达商业应用标准，但卫星监控制费用较高。 4联合化工企业 地下气化得到的煤气不仅可供民用，还可发电。煤气中除可燃气体以外，还伴生有许多重要的化学物质，如酚、苯、油酸、硫等物质。因此地下气化站不仅可以作为动力企业，而且作为化工联合企业也是合适的。表2.5为煤进行气化和焦化时产生的化学产品资料。 煤炭地下气化作为一种开发地下煤炭资源的新技术，将环境保护的重点放在源头，而非末端治理，是一项符合可持续发展需要的绿色开采技术，并且具有显著的经济效益和社会效益，必将成为我国洁净开采技术研究的重要领域。 五、工业性试验实例 河北省唐山市刘庄煤矿煤炭地下气化工程于1996年6月12日点火成功。此项工程是刘庄煤矿与台湾合资，属国家“八五”重点科技攻关项目。生产的煤气供唐山市卫生陶瓷厂和刘庄矿供热锅炉使用。 刘庄煤矿气化区含煤两层，9号煤层厚3－4.5m, 12号煤层厚4－6.5m, 间距30－40m，倾角34－55,采用综合式气化炉，通道长9号煤层110m,12号煤层210m,断面3.4m2。 1 唐山市刘庄煤矿煤炭地下气化实例 1.1 气化工艺 采用的气化工艺为空气连续气化和“长通道、大断面” 两阶段煤炭地下气化新工艺， 注 N表示没有相关资料；据张祖培煤炭地下气化技术译文集,2001年。 中国矿业大学提出并完善了“长通道、大断面、两阶段”的地下气化新工艺。长通道、大断面气化炉有利于气化过程的稳定，两阶段煤炭地下气化工艺是一种循环供给空气或纯氧、富氧空气和水蒸汽的地下气化方法。新工艺实现了井下无人、无设备、长壁式气化工作面采煤，节省了大量的资金、设备和人员投人，经济效益显著。该工艺可获得含H2量在50％以上的煤气，煤气在地面稍作处理后，可作为合成甲醇等化工产品的原料气或用于提取纯氢。 1.2 刘庄煤矿气化技术研究 （1）空气连续气化过程及试验数据分析 当气化炉点火后，将供风量调整到合适的值，使气化炉内温度逐渐上升。图2.17为气化炉内各点温度的上升情况。根据唐山刘庄矿的试验数据，点火100h后，气化炉平均温度则能达到600℃以上，但从图中可以看出，在气化炉点火后1个月的时间里，气化炉温度上升缓慢，气化炉平均温度场上升速率为6.2℃/d。 其原因是 ① 薄煤层只有一个燃烧工作面，而有3个非反应面，散热面积大，热损失大，因此煤层温度场难扩展； ② 炉内有淋水，使相当多的热量用于炉内水的蒸发，从而使得炉里热量大量流失。 为解决这两个问题，可预先在气化通道里设置足够的松散煤堆，作为启动能源。采用了注氧、提高鼓风量等方法提高炉温。当气化炉温度提高后，气化炉、稳定生产空气煤气。空气煤气组分、热值和流量如图2.18所示。由图可知，一旦气化炉积累了足够的能量，热损失率将大大减小，煤气组分和热值趋于稳定，可稳定生产热值在4MJ/m3以上的煤气。 （2）测氡技术－在刘庄煤炭地下气化中的应用 刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验，点火一次成功，各项指标均已基木达到设计要求，但对地气化炉中火焰工作面的移动位置、范围及移动速度掌握得不甚确切。而地下气化工艺技术方案的实施则要取决于火源的位置、燃烧断面的大小及移动速度。因此，中国矿业大学利用测氡技术对刘庄煤矿地下气化炉高温区的位置、范围和移动速度进行了探测。 刘庄煤矿气化煤层为C－P煤层，气化范围内煤炭储量为14.49万t，设计有9＃和12＃两个地下气化炉，并同时进行气化，两地下气化炉基本情况列于表２.7。本次探测范围图２.19为9煤层地下气化炉9－1孔下－104.8点南8m开始，向南探测42m；12煤层地下气化炉12－1孔下－117.8点南16m开始，向南探测90m。为了能够有效地控制气化炉高温区的范围，沿炉体方向布置两条测线。第一条测线均在9＃和12煤炉体中央位置，9炉第一条测线向西平行布置，间距为2m。12炉第二条测线向东平行布置，间距为2.5m。点距皆为2m,共计测点226个。 1.3应用前景 我国煤炭地下气化虽完成了技术试验研究、半工业性试验和工业性试验，取得了重要成果，但要形成规模性商业化生产，还有很多问题需要研究和探索。尤其是对不同的煤层和煤化工产品原料煤气质量要求，对地下气化的检测与控制的实质性解决方案、特厚煤层气化、地下气化燃空区充填技术、气化对环境的友好性等还需继续研究，为加快煤炭地下气化技术的发展提供理论基础，为实现煤炭地下气化产业化生产推广提供技术保证。 2 鄂庄煤矿煤层地下富氧气化工艺 山东省新汶矿业集团鄂庄煤矿气化站2气化炉是为课题现场试验而建设的气化炉，该气化炉是长通道、大断面、变截面流道和有疏松盲孔巷的气化炉。采用富氧气化、分离出气的气化工艺。 2.1 地下气化炉开拓 （1）气化区位置范围 本气化区位于鄂庄矿井井田东部。东以F27断层为边界，西至F26断层及三采区轨道上山，北起3405工作面上顺槽，南到第四层煤-150m等高线与沙井井口之间。东西长约260m，南北宽约220m，面积0.0572km2。 （2）气化区储量及服务年限 该区内进行气化的煤层为第4层，为中厚煤层，平均厚度为1.8m，可气化储量为14万t，区内布置一个气化炉，产气量5万m3/d，服务年限约12年。 （3）气化开拓布置 气化区开拓利用鄂庄矿井-300m水平东大巷及315轨道上山，在原3404工作面南部100m处布置一条气化区轨道上山，通过该上山进入气化区南部-140m水平，开拓整个气化块段。气化区巷道掘进时进风经-300m水平东大巷及315轨道上山进入气化区轨道上山，利用局部扇风机将新鲜风流输送到各个用风点，乏风经三采区胶带上山进入总回风系统；气化区燃烧时新鲜风流通过气化区进风巷进入水封巷道，然后经气化回风巷道回入东回风大巷，从而与采煤回风系统隔离，达到减少干扰采煤生产的目的。 气化炉涌水均在水封巷道下部收集，使用水泵提升至气化区轨道上山-140m水平，自流进入315轨道上山及-300m水平东大巷，汇入井底车场水仓。 2.2 地下气化炉的布置及其结构 （1）气化炉的布置 煤炭地下气化炉结构形式主要有U型、多V型、盲孔炉等。本次试验选用U型气化炉结构，气化炉的布置采用了仰斜单炉布置方案。 仰斜单炉布置（地下气化炉的布置见图２.20），气化区倾斜长245m，走向宽260m，结合地面气化站位置布置钻孔，沿走向将在气化区作建成一个斜长203～213m、走向长205m的气化盘区气化炉，气化炉布置两条出气气流通道，一条气化通道，一条进气气流通道，能够实现分离出气气化工艺。气化炉气流通道与三采区轨道上山及F27断层之间留设20m隔离保护煤柱。气化炉设计布置三个钻孔与地面相连通，每条气流通道及辅助通道均对应一个钻孔，气化所需的气化剂和气化后的气化煤气通过每条气流通道对应钻孔与地面气化站相连。 该方案布置的特点如下 ① 单炉布置井下巷道工程量较省，钻孔少，井下巷道施工工期短； ② 单炉抗风险能力满足要求，能保证气化炉的正常连续燃烧； ③ 单炉布置煤柱少，可气化煤储量大，服务年限长； ④ 气化通道长，气流在地下气化通道与气流通道内流动的距离长，时间长，气化煤气出口温度低，焦油比较容易凝结在钻孔套管管壁。 （2）气化炉内结构形式 根据本气化区气化炉布置形式，现场对气化区原煤采样，进行了三次模型试验，对气流通道支护形式、煤层疏松方案进行了比较。根据模型试验结果显示，在气化炉内煤层预留裂隙疏松，气流通道分段支护对于气化的连续正常燃烧作用明显，气化炉内结构形式如图２.21所示。 该气化炉是“变截面流道气化炉”与“分离控制出气盲孔疏松气化炉”的混合气化炉，具有以下特点 ①从气化通道以上50m处起向上60m长的气流通道及辅助通道内，巷道内垒砌蓄能花墙； ②从气化通道以上50m处的范围内，每隔10 m在炉体内垂直气流通道及辅助通道布置一条疏松巷道，巷道宽2 m，深15 m，然后煤炭回填疏松巷道，剩余浮煤可铺设在气流通道内； ③在气化通道内上帮，每隔15m向上垂直气化通道布置一条疏松导硐，深50m，巷道掘煤要回填巷道内，尽量填满填实。在两条疏松导硐之间每隔5m平行疏松导硐布置蓄能壁龛，每个蓄能壁龛深5m，宽2 m，煤炭回填要填实； ④气化通道下帮及1、3气流通道外帮采用锚、喷、网支护，喷混凝土厚100mm；气流通道其他煤帮均采用锚、网支护；钻孔底部向下50m范围内亦均采用锚、喷、网支护，喷混凝土厚100mm。 81 2.3 富氧气化试验过程与试验数据 （1）气化炉点火 在冷态试验的基础上，确保点火生产安全的条件下，进入点火阶段。 ①由中间进气孔鼓风，两侧出气孔放散管阀门打开，调整气化炉的进风流量为2500m3/h，并检测出口气体中CH4、H2、CO含量，当其含量在混合气体爆炸极限以内时，继续鼓风； ②当出口气体中CH4、H2、CO含量在混合气体爆炸极限以外时，合电闸点火； ③随时测量出口煤气组分和热值，出口煤气中O2含量将逐渐下降，CH4、H2、CO、CO2含量和煤气热值将逐渐升高，同时测量气化炉温度。当出气口煤气中O2含量接近于零、煤气热值大于2.5MJ/m3600kcal/m3时,则认为气化炉点火成功。 气化炉点火成功后则开始全部参数测量，进入UCG－3.0采集系统中，并进入气化炉调试阶段。 （2）气化炉调试 在确信气化炉点火成功后，进入气化炉调试阶段，调试步聚如下 ①检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量小于1时，由进气孔逐渐供入富氧，富氧增加量按每次500m3速率增加； ②间隔5小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量大于1时，维持原有的供氧量，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量小于1时，再次增加供氧量； ③间隔5小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量大于1时，维持原有的供氧量，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量小于1时，再次增加供氧量，并减少供风量1000m3/h； ④间隔5小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量大于1时，维持原有的供氧量，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量小于1时，停止供风，并将供氧量调整到设计流量,即1200m3/h； ⑤间隔2小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量大于1时，维持原有的供氧量，并连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量小于1时，煤气热值大于8.36MJ/m3时，则进入富氧气化过程； ⑥连续测量出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量小于1时，煤气热值小于8.36MJ/m3时，向气化炉内逐渐供入水蒸汽，第一次供给量为500m3/h； ⑦间隔2小时后，再次检测出气口煤气组分，当出口煤气中O2含量小于1时，煤气热值仍小于8.36MJ/m3时，将水蒸汽调整到设计流量，即1700m3/h，必要时适当减少供氧量； ⑧连续检测出口煤气中的氧含量，当出口煤气中O2含量始终小于1时，打开煤气总管阀门，关闭放散阀门，启动引风机，向净化系统和气柜送气，则进入正常生产阶段。 （3）富氧气化试验数据 模型试验表明，气化初期由于煤层没有经过热气流的干燥，加之气化炉施工过程中带进煤层大量的水，或煤层顶板有少量淋水时，则不需要添加水蒸汽，而利用煤层中含水，直接进行生产水煤气试验和生产。 2.4煤炭地下富氧气化试验效果 煤炭地下气化技术是一种高新的三合一化学采煤技术，是将埋藏在地下的煤炭就地进行有控制的燃烧，通过对煤的化学反应与热作用产生可燃气体输送出来。其以井下无人、无设备，集建井、采煤、气化三大工艺合为一体的工艺特点，被称为第二代采煤法。 地下气化技术可提高了煤炭资源的利用率以及煤炭生产的经济效益，将是煤炭行业新的经济增长点；煤炭地下气化技术可减少煤资源利用过程对环境产生的污染，是一项符合可持续发展战略的绿色开采技术。 通过本次的工业性试验研究，解决了薄及中厚煤层地下气化产气量低、煤气组分不稳定的问题。目前单炉产气量已经突破5万m3/天，鄂庄气化站2台气化炉日产气量10万m3/天，年可实现销售收入1650万元，取得了巨大的经济效益和社会效益。“煤炭地下富氧气化工艺试验研究”的实施，充分证明富氧气化剂对提高地下气化煤气产量和质量的重要性，已由两阶段地下气化时的产量2万m3/天提高到富氧气化的5万m3/天。 用煤炭地下气化的方法可以回收矿井遗弃煤炭资源，开采井工难以开采或经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤以及高硫、高灰、高瓦斯煤层，大大提高了煤炭资源的利用率，减少或避免了地表环境破坏，实现了洁净燃烧，避免了大气污染，环境效益好。 综上所述，煤炭地下富氧气化工艺具有广阔的推广应用前景。