煤炭地下气化技术发展问题及建议.pdf

猱社科枚 Journal of Green Science and Technology 第16期2020年8月 煤炭地下气化技术发展问题及建议 贺盛 （湖南交通工程学院，湖南衡阳421001） 摘要简概述了煤炭地下气化技术，分析了该技术目前存在的问题①技术的限制。气源稳定性差，监控手 段缺失、科研人员缺失、缺少多学科的融合应用、试验缺乏，理论研究难以展开；②在经济上仍然没有竞争 力。成本较高、产晶开发困难；③环境问题难以解决。地下水污■染、地面塌陷、CO排量增加。提出了要成 功将其商业化还需要多学科融合解决其关键技术的建议。 关键关键词煤炭地下气化；技术；经济；环境 中图分类号中图分类号TD844 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1674-9944（2020）16-0185-03 1弓I言 煤炭地下气化（Un d er gr o un d Co al Gas if ic at io n,简 称UCG）是将位于地下的固体煤炭通过有控制的燃烧 变为有用气体，同时采集并利用这些气体的新技术。与 传统煤炭开采方式相比，其具有以下无可比拟的优点 ①避免工人在矿井中工作，能有效解决矿山开采的安全 问题;②符合我国低碳经济的产业政策，是绿色开采的 重要手段，符合我国环境保护政策；③能提高我国能源 安全度，降低对国外能源的需求；④满足国家和企业开 采量大面广难采残留煤资源的重大需求□切。 在经历了 100多年历史的长久发展中，多次地研 究、试验、应用之后，至目前，在全世界范围内，仍然没有 商业化成功的案例。煤炭地下气化技术的前景并不明 朗（图1）。造成这种情况的原因有很多。笔者试图从 技术、经济、环保等方面阐述其发展中的问题。以供 参考。 11排气L 图图1煤炭地下气化原理示意煤炭地下气化原理示意 2煤炭地下气化简述 煤炭地下气化的原理同地面气化相同，所得煤气成 分也基本相同。其原理如图1所示。将地下煤层点燃， 从进气孔鼓人气化剂，使煤层燃烧、气化，所得煤气由出 气孔排出冈。固体煤炭经过燃烧产生CO、CO2等气体。 生成的气体再与煤层，水蒸气反应产生主要组分是 co,h2,ch4的可燃气体。可燃气体经过干憎干燥后， 从排气孔输出，经地表冷却、洗涤和脱硫等净化工艺。 所得动力气体可供联合循环发电；所得合成气体经化工 厂再处理获得氢、甲烷、甲醇等化工原料询。 3存在的问题 3.1技术问题 到目前为止，国内外都已进行过不少的UCG试验 和半工业性试验。过往的试验都能产出有用煤气，而 且，随着试验、研究与各种技术手段的加入，UCG技术 逐步完善。以往的试验获得了诸多技术成果，特别是后 退式气化工艺（CRIP）的发明，使得美国地下气化技术 居世界领先地位⑷。这些技术成果为UCG技术走向工 业化道路奠定了基础。 但目前地下气化技术发展仍不完备。其自身的特 点和目前的技术手段限制导致了其发展的困难。技术 手段的缺失背后也有更深层次的原因。 3. 1. 1气源稳定性差，监控手段缺失 UCG工艺最终产物是煤气。而煤气产量、煤气热 值、煤气组分的稳定决定了最终产品的好坏。从当前的 UCG试验的结果来看，所产出的低热值空气煤气由于 应用价值低被放空。由于反应的不稳定导致中热值煤 气难以实现长期连续稳定地供给。这使得UCG煤气 的燃气应用和化学原料气的产品开发受到制约间。 造成煤气不稳定性的因素有很多气化工艺、水文 地质、冒顶、地质（断层、水文）、工艺（连续法/两阶段/可 靠性，如钻孔阻塞等）等。UCG发生和控制的地方是在 地下的煤层之中，这就造成了要有效地控制其反应过 程、控制各种影响因素是非常困难的，地下的环境，状况 非常复杂。所能引起的反应过程不稳定的因素也很多， 且要在地下采取有效手段控制这些因素更是困难重重。 目前的主要的控制手段是改变炉型以及注气工艺，但对 所产煤气影响有限。影响因素多样，如地下条件的限制 加上技术手段的缺乏，使得这个问题难以解决。 收稿日期收稿日期2020-07-04 作者简介贺盛作者简介贺盛（19 89 -），男，助教，硕士，研究方向为煤炭地下气化。 185 贺 盛煤炭地下气化技术发展问题及建议能源及节能 3. 1.2 缺少多学科的融合应用及科研人员 UCG是个综合性学科。它的发展需要多种技术的 支持。包括耐高温监控设备研发，微地震技术的应用， 计算机模型等等。目前而言UCG仍然是一个冷门学 科。在国内只有少数机构人员在研究，人力物力备显单 薄，而能进行现场试验的专业人员就更少了。目前主要 的有中国矿业大学徐州王作棠教授带领的团队与中 国矿业大学北京的梁杰教授带领的团队。这对于一 个综合性学科来说确实是力量不足。 3. 1.3 试验缺乏，理论研究难以展开 目前的UCG技术仍有很多参数，规范未能确立， 这都需要大量的试验研究来得到。而现在并没有条件 来进行大量的试验。在现场进行的试验需要耗费大量 的人力、物力、财力。实验室中也缺乏这样的试验系统 来进行这种综合性的试验。即使有也与自然地质条件 下的相差较远，达不到现场的效果。 3.2经济问题 经济上的问题也一直是煤炭地下气化技术发展缓 慢的重要因素。由于目前的能源结构与市场环境，导致 煤炭地下气化技术无法走上商业化的道路，缺少了以商 业促技术，以技术促商业的条件。根据国内外煤炭地下 气化发展的试验项目和现有的示范性性工程情况来看， 目前还不能对其生产的经济性做出全面准确的分析，但 还是能看到其中存在的一些问题。 3.2. 1 成本较高 在现在的能源市场条件下，同主流能源相比，UCG 并无竞争力。 同常规煤炭相比，UCG的可比性并不高。UCG不 能替代常规采煤是研究人员的共识。UCG主要用于开 采难采煤,滞留煤，残留煤。 同天然气相比，据美国能源部1986年评估报告，地 下气化成本为0. 1714美元/n ,而天然气井口价仅 0. 0607美元/n ,汉那商业性地下气化站设计预估成本 高达0.3714美元/n 。因此，美国国会大幅削减UCG 项目拨款，从1984年的600万美元减少到1991年的 46. 5万美元,1992年停止拨款。另外天然气用于下游 产品的开发工艺更加简单皿力。 同石油比较，国际上大多数国家在对UCG产品作 经济评价时，都把石油作为主要参照标准。20世纪中 期，廉价石油供应充足，西方国家地下气化试验消声匿 迹。1986年世界油价大跌，美国政府也大幅度削减研 究试验拨款。国际上的普遍看法是，UCG产品在经济 上无法与石油及石化产品竞争。 3.2.2 产品开发困难 UCG所产煤气的热值较低，无法作为城市煤气以 及化工合成气直接使用，需要进行一定的加工与处理。 而其组成及流量的不稳定，也给其应用带来了困难页。 3.3环境问题 UCG开采对环境具有很多正面效益，但同时也会 带来一定的负面影响。 3.3. 1 地下水污染 煤炭地下气化气化残留物中含有硫化物、苯和其它 多环芳桂等有毒物体。如果气化煤层与地下含水层相 通或相近有毒物体就会随排水进入地下水。特鲁埃尔 现场试验后曾取样分析，气化炉中的污染物有酚、氨和 硫化物。美国也曾对几个地下气化站附近被污染的地 下水进行采样分析,证明有苯含量超标的事实。获得充 分的地质水文资料，合理选择气化煤层和气化工艺，是 减少UCG过程对地下环境影响的有效途径。同时，应 对气化区周围岩层和地面、地下水进行监测，以防止预 想不到的事件发生盼扛 3.3.2 地面塌陷 随着地下气化的进行，原来的煤炭变为灰渣。虽然 灰渣有一定的质量、体积，能够承受一定的地层压力，但 其结果比原来的煤层所差甚远,形成燃空区。随着地下 气化继续进行，燃空区会进一步扩大，将会导致地层坍 塌，地面沉陷。地面沉陷会破坏植被、良田或者地面建 筑、设施。利用常规煤炭开采的充填技术是解决地表下 沉的有效技术。但无疑会增加成本。 3.3.3 CO排量增加 受生产条件限制，化学反应不充分，UCG会产生大 量的含CO的低热值煤气。这些煤气可利用价值很 低，只能放空。有研究表明，UCG低热值煤气燃烧时放 出的CO气体比常规燃煤电站排放量要大。这跟现在 倡导的低碳经济是背离的。所以在UCG气化过程中 分离和存储CO就很重要。我国目前尚缺这种技术。 即使有，这也会导致成本增加。 4结论及建议 1 在目前的条件下，煤炭地下气化技术的前景依 旧不明朗。其处在技术不成熟，经济无优势，有环境危 害的可能等的条件下。要想实现商业化非常困难，需要 技术上大的突破。 2 UCG因其本身拥有一些得天独厚的优势。其 对于开采残留煤、滞留煤、难采煤及深部煤层方面具有 很大的优势，是对能源的合理有效利用作出巨大贡献的 技术。可以将它作为长期战略性技术来发展，这需要国 家大力支持。 3 UCG总的技术路线可行，但发展尚未成熟。要 解决现有的一些问题关键还是技术上的突破。形成完 备的技术体系包括基础理论研究，工程技术体系的建 立与应用技术的开发。要取得成功的商业化成果，一些 关键技术的攻克是重点，主要有规模化生产地下气化 炉结构及构建技术;地下气化连续稳定控制技术；污染 物监控及燃空区管理技术;煤炭地下气化多联产技术。 4 UCG的研究还需要平台的搭建,促进各方面科 学、技术的融合应用。要突破现有的技术瓶颈，还需要 各学科的相互交流。研究人员也应当积极探寻各方合 作，要以包容、开放的心态，促进各领域的合作，解决技 术上的难题，才能合力有效地发展地下气化事业。 参考文献 「1］余力.煤炭地下气化的过去与未来［J］.矿业译丛，199041 〜10. 186 2020年8月绿色科技第16期 [2] 杨兰和，宋全有,李耀娟.煤炭地下气化工程[M] .徐州中国矿业 大学出版社,2001. 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Fir s t , t h e t ec h n o l o gy is l imit ed； t h e s t abil it y o f t h e gas s o ur c e is po o r； t h e mo n it o r in g met h o d s ar e l ac k in g； t h e s c ien t if ic r es ear c h per s o n n el ar e l ac k in g; t h e mul t id is c ipl in ar y in t egr at io n appl ic at io n is l ac k in g; t h e ex per i men t is l ac k in g an d t h eo r et ic al r es ear c h is d if f ic ul t t o c ar r y o ut . Sec o n d l y, t h e ec o n o my is s t il l n o t c o mpet it ive； t h e c o s t is h igh an d t h e pr o d uc t d evel o pmen t is d if f ic ul t . Th ir d l y , en vir o n men t al pr o bl ems ar e d if f ic ul t t o s o l ve. Gr o un d w at er po l l ut io n, gr o un d c o l l aps e, an d CO2 emis s io n s in c r eas es . Suc c es s f ul c o mmer c ial izat io n al s o r eq uir es t h e in t e gr at io n o f mul t id is c ipl in ar y s o l ut io n s t o s o l ve k ey t ec h n o l o gies . Key words un d er gr o un d c o al gas if ic at io n ； t ec h n o l o gies ； ec o n o my ； en vir o n men t 上接第182页 利益孕育于行业利益之中”的先进行业文化理念，通过 行业自律，主动从供给侧改革动态应对市场需求变化， 自觉淘汰落后产能、提高行业集中度、企业技术和管理 创新、加强环境保护及能效提升。 5.2以市场需求为导向，着力传统产业提升改造，打造 产业发展新空间 从现阶段市场的实际情况来看，在市场中传统的产 业大多都处于产能过剩状态，而在细度划分的产业市场 上，又处于产能不足的状态。因此，工业产业在发展的 过程中，既要注重产品的质量，同时又要注重提高产品 的特色和多样性，在实现传统工业转型升级的基础上， 不断地扩大市场的需求，并根据市场的需求对产品进行 不断的创新，以此获得市场的青睐，传统产业在提升改 造中需瞄准市场潜在的需求特别是群众多样化需求，发 挥创新原动力作用。 5.3综合利用各种资源，加强经济的循环发展 加强节能管理，促进工业绿色发展的主要目的就是 为了节能减排、转变经济发展方式以及对经济结构做出 合理调整。在促进工业绿色发展的过程中，应该注意加 强对产品的设计、内部管理的实施以及工艺的创新，加 强对企业内部可循环利用物质和能量的循环利用，以此 发展循环经济。通过资源综合利用规模不断扩大，技术 水平不断提高，增加社会财富，缓解资源紧缺状况，有效 地提高企业经济效益，治理污染，改善环境。 6结语 在建设资源节约型和环境友好型社会的背景下，为 了更好地推进其进步，必须从实际出发做好相关管理工 作，让政府的监管落实到位，企业重视，才能逐渐实现人 与自然的和谐相处。 参考文献 口]傅志寰，宋忠奎，陈小寰，等.我国节能环保产业发展的思考[J] .中 国工程科学,2015,1787580. M韩娟娟.河南省发展节能环保产业的紧迫性及对策分析口 ].赤峰 学院学报科学教育版,20114123-124. [3] 肖宏伟.2018年我国能源形势分析与2019年预测[J1发展研究， 2019,389156〜60. [4] 裴莹莹，柳 青，罗 宏，等.节能服务产业的发展现状及趋势分析 [J] .中国环保产业,2019 ,24713036. 187