煤炭地下气化技术报告.doc

煤煤炭炭地地下下气气化化技技术术 （参参考考） Underground Coal Gasification 目目 录录 引引 言言3 1 煤炭地下气化基本原理煤炭地下气化基本原理4 1.1 氧化区 .4 1.2 还原区 .5 1.3 干馏干燥区 .5 1.4 地下气化炉的类型 .6 1.4.1 有井式.6 1.4.2 无井式.7 1.4.3 混合式.7 1.5 地下气化和煤层气开采的区别7 2 煤炭地下气化影响因素煤炭地下气化影响因素7 2.1 气化炉温度场 .8 2.2 鼓风速率 .8 2.3 水涌入速率 .9 2.4 气体通道的长度和断面 .9 2.5 操作压力 .11 2.6 煤层厚度 .11 2.7 空气动力学条件和气化炉结构 .11 2.8 煤质对气化的影响 .12 3 国外煤炭地下气化技术的发展国外煤炭地下气化技术的发展12 3.1 国外技术发展 .13 3.1.1 早期的有井(筒)式气化工艺13 3.1.2 UCG 描述13 3.1.3 贯通技术.14 3.1.4 煤层勘测和模型研究.15 3.1.5 气化过程控制.15 3.1.6 环境影响评价及防治技术.15 3.2 美国的 CRIP 气化工艺.15 3.3 国外重要 UCG 项目.16 3.3.1 俄罗斯南阿宾斯克气化站.16 3.3.2 美国汉那地下气化试验.16 3.3.3 美国罗林斯地下气化试验.17 3.3.4 美国森特雷利亚地下气化试验.17 3.3.5 比利时图林煤炭地下气化试验.17 3.3.6 西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验.18 3.4 结论 .18 4 国内煤炭地下气化技术的发展国内煤炭地下气化技术的发展20 5 煤气综合利用前景煤气综合利用前景21 5.1 化工合成联产22 5.1.1 合成氨.22 5.1.2 合成二甲醚.22 5.1.3 合成油.23 5.2 提取纯氢 .23 5.3 地下气化煤气联合循环发电 .24 5.4 经济效益分析 .25 5.5 几个工程实例的效益分析26 6 国家对发展煤炭地下气化技术的政策国家对发展煤炭地下气化技术的政策27 7 几个比较关心的问题几个比较关心的问题30 8 本公司技术人员对该项目的研究与发明专利本公司技术人员对该项目的研究与发明专利34 引引 言言 中国一次能源消费总量中煤炭占 65以上（美国 23），是世界上最大的煤炭生 产国和消费国。中国已经探明煤炭可采储量约 1900 亿吨，但总储量估计可能高达四万 亿吨，如果加紧查清资源家底，运用先进科技合理化开发，可望维持供应一百甚至数 百年之久。 中国要初步实现现代化，至少需要人均一个千瓦的电力，以 15 亿人口计，将有 15 亿千瓦的需求，为现有发电能力的三倍以上。根据“十六大”提出的到 2020 年 GDP 翻两番，达到四万亿美元的经济发展目标估计，届时全国约需发电装机容量为 89 亿 千瓦左右。但来自政府部门的信息显示，到 2020 年，预计水电总容量可达 1 亿千瓦， 核电总容量达 3600 万千瓦。风能和生物能都只有约 2 千万千瓦，太阳能仅 1 百万千瓦， 加上其他各种可能资源提供的电力，不到总发电能力的 20。据此，今後整个“能源 峡谷”时期中国电力供应必然主要依靠火力发电，由于石油、天然气资源即将见底， 除了主要指望煤炭，别无选择。 近年中国煤炭产量上去了，但技术装备和管理水平相当落后，全国采煤机械化程 度仅为 45；为数相当多的小煤矿，技术手段和开采方式尤其落后，难以保障安全经 济运行。 中国煤矿事故频繁，矿工死亡率是美国的百倍，已成不可承受之痛。据查全国有 安全保障的煤炭生产能力仅为 12 亿吨，去年约有 7.5 亿吨是在不具备安全生产条件下 生产出来的，其中相当一部分是非法违规生产的煤炭。在这种情况下，中国现在年产 近 20 亿吨，实际上已经大大超过了安全生产容许的极限。 中国煤矿资源极为浪费严重，目前资源回收率仅在 30%左右，小煤矿回收率只有 15%左右，可以比拟为“猴子吃苹果”咬一口就扔。估计 1980 年到 2000 年，全国煤 炭资源浪费 280 亿吨，扔掉的煤炭几乎是被利用资源的两倍。长此以往，到 2020 年， 全国将有 560 亿吨煤炭资源被浪费，实际上相当于每年耗用 50 亿吨煤炭。在这种极端 粗放型暴殄天物的同时，精查储量却一直上不去，不消四十余年，已知可采储量就会 消耗殆尽。 煤炭行业现状，显示现行能源战略部署同客观需求大有南辕北辙之势，前景极其 堪忧。 同时，传统煤炭开采涉及一系列环境问题及健康问题，如：地面沉陷，矿工的健 康和安全，脱硫、灰尘的污染，废物（水）的排放等。 煤炭加冕第一，不是简单重复早年粗放、肮脏、低效的利用方式，必须极大地提 高能量转化效率，减少环境污染，并转变为可以方便运用的其他能源形态，作为充分 合理利用宝贵的煤炭资源，维持社会可持续发展的必要基本政策。 煤炭地下气化集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，变传统的物理采煤为化 学采煤，省去了庞大的煤炭开采、运输、洗选、气化等工艺的设备，具有安全性好、 投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。 与传统采煤和地面气化相比，煤炭的地下气化技术有以下优势： （1）可以回收传统方法开采不经济和无法开采的煤炭资源； （2）由于煤炭无须人工开采，地下气化最大限度的减少了矿工的健康和安全问题； （3）减少了地面沉陷，以及固体废物排放很少； （4）减少了对社会经济的影响； （5）投资省，煤气成本低。 江泽民总书记曾题词：“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” 。著名科学家钱学森曾说：“煤炭地下气化的试验成功，无疑 是煤炭工业的巨大革命” 。随着煤炭地下气化技术的推广应用，一个以煤炭地下气化为 “龙头”的大型煤、电、化工联合企业将展现在世人面前。对保障国民经济的可持续 发展具有十分重要的战略意义。 鉴于煤炭地下气化技术的显著优点，前苏联、英国、美国、德国、法国等世界许 多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和使用，取得了丰硕的成果。我国也由 实验室试验研究、现场试验研究，逐步向工业化生产迈进。 1 煤炭地下气化基本原理煤炭地下气化基本原理 煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化 学作用而产生可燃气体的过程。该过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的，如 图 1.1 所示。 1.1 氧化区 由进气孔鼓入气化剂(空气、O2和 H2O(g) ，并在进气侧点燃煤层，气化剂中的 O2遇煤燃烧产生 CO2，并释放大量的反应热，燃烧区称为氧化区，当气流中 O2浓度接 近于零时，燃烧反应结束、氧化区结束。主要反应列式如下: 氧化反应(燃烧反应)： C+O2 = CO2 +393.8 MJ/kmol 碳的部分氧化反应(不完全燃烧反应) ： 2C+ O2 = 2CO + 221.1 MJ/kmol CO 氧化反应(CO 燃烧反应)： 2CO+ O2 = 2CO2 + 570.1 MJ/kmol 1.2 还原区 氧化区结束后，则进入还原区，氧化区使还原区煤层处于炽热状态，在还原区 CO2与炽热的 C 还原成 CO，H2O(g)与炽热的 C 还原成 CO、H2等，由于还原反应是吸 热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度降低到使还原反应程度较弱时，还原区 结束。主要反应列式如下: CO2还原反应(发生炉煤气反应) ： CO2+C = 2CO 162.4 MJ/kmol 水蒸汽分解反应(水煤气反应)： H2O+C = H2+CO 131.5 MJ/kmol 水蒸汽分解反应 ： 2H2O+C = 2H2+CO2 90.0 MJ/kmol CO 变换反应： CO+ H2O = H2+CO2 + 41.0 MJ/kmol 碳的加氢反应 ： C+2 H2 = CH4 + 74.9 MJ/kmol 1.3 干馏干燥区 还原区结束后，气流温度仍然很高，对下流即干馏干燥区煤层进行加热，释放出 热解煤气，同时产生甲烷化反应。主要反应列式如下: 煤热解反应 ： 煤- CH4 + H2 + H2O +CO+CO2+ 甲烷化反应 ： CO+3H2 = CH4 + H2O + 206.4 MJ/kmol 2CO+2H2 = CH4 + CO2 + 247.4 MJ/kmol CO2+4H2 = CH4 +2 H2O + 165.4 MJ/kmol 图 1.1 煤炭地下气化原理示意图 从化学反应角度来讲，三个区域没有严格的界限，氧化区、还原区也有煤的热解 反应，三个区域的划分只是说在气化通道中氧化、还原、热解反应的相对强弱程度。 经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分主要是 H2、CO、CH4的煤气，气化反应区 逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见可燃气体的产生 主要来源于三个方面：即煤的燃烧热解、CO2的还原和水蒸汽的分解，这三个方面作 用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气组分和热值。 1.4 地下气化炉的类型 1.4.1 有井式 有井式气化建炉先从 地面开凿井筒，然后在地 下开拓平巷，用井筒和平 巷把地下煤气发生炉和地 面联接起来，在平巷里将 煤层点燃，从一个井筒鼓 风，通过平巷，由另一个 井筒排出煤气。 图 1.2 有井式煤炭地下气化示 意图 1.4.2 无井式 利用钻孔揭露煤层，并利用特种技术在煤层中建立气化通道而构成的地下煤气发 生炉叫无井式地下气化炉。无井式气化炉从进排气点和气化通道相对位置来分可把它 们分为几种基本炉型，即 V 型炉、盲孔炉、U 型炉等。 图 1.3 无井式地下气化炉示意图 图 1.4 混合式地下气化炉示意图 1.4.3 混合式 由地面打钻孔揭露煤层或利用井筒辅设管道揭露煤层，人工掘进的煤巷作为气化 通道，利用气流通道(人工掘进的煤巷)连接气化通道和钻孔或管道，所构成的气化炉为 混合式气化炉。 1.5 地下气化和煤层气开采的区别 煤层气的开采是通过“井下抽采”与“地面钻采”的方式，把煤中吸附的瓦斯抽出，受 煤层中瓦斯气存量的影响，风险很大；往往是钻孔达到煤层后气量很少，抽采时间不 长就没气了，造成钻孔等费用的巨大损失；而煤炭地下气化是通过热作用，把煤炭转 化成煤气采出，只要地下有煤炭资源，就能产出煤气，煤炭资源越多，煤气采出越多， 生产周期越长； 煤炭地下气化也包括“井下巷道开采”和“地面钻采”两种生产方式，与煤层气 的“井下抽采”相比，地下气化的“井下巷道开采”工程简单，投资少。在“地面钻 采”方面，地下气化的钻孔直径较大，一般都在 500mm 以上，从而保证了煤气的大量 生产。 另外，通过煤炭地下气化技术，不仅把煤炭转变成了煤气，同时，煤层中原有的 瓦斯气也同时被采出，成为煤气中重要组分。 2 煤炭地下气化影响因素煤炭地下气化影响因素 煤的地下气化系非常复杂的物理和化学过程，影响煤气质量的因素很多，既有地 下气化所采用的工艺措施，又有煤层自身的特性及煤层顶地板的移动状态。一般来讲， 影响煤炭地下气化过程的主要因素包括以下几个方面： 2.1 气化炉温度场 煤炭地下气化过程实际上是一个自热平衡过程，依靠煤燃烧产生的热量使地下气 化炉内建立起理想的温度场，进而发生还原反应和分解反应，产生煤气。因此，在地 下气化过程中起关键作用的是炉内的温度场，尤其是对于生产高热值水煤气的两阶段 地下气化更是如此。两阶段气化是一种循环供给空气和水蒸气的地下气化方法，每个 循环由两个阶段组成，第一个阶段为鼓空气燃烧蓄热生产空气煤气，第二个阶段为鼓 水蒸气生产地下水煤气，只有第一阶段积蓄足够量的热能以后才能使第二阶段水蒸气 的分界反应得以顺利进行，从而产生高热值地下水煤气，同时，煤层热分解的程度以 及热解煤气的产量，完全取决于煤层内的温度分布。 2.2 鼓风速率 气化过程的稳定主要决定于单位时间内起反 应的碳量，又决定于固体碳和二氧化碳的化学反应速度，决定于二氧化碳向固体碳表 面的扩散速度。前者与气化带的温度有关，后者则与送风流的速度(鼓风量)有关。气流 运动速度越大，扩散速度也越大。煤的气化强度增加；另外，鼓入风速的增加，初级 产物一氧化碳的燃烧可以部分避免，而从氧化区带走，从图可以看出，提高鼓风速度 可以相应地提高煤气热值。 煤层中水的涌入速率很难控制，但可通过改变鼓风速率来抑制水涌入所造成的影 响，在相同水涌入速率的情况下，鼓风速率越高，气化区温度越高，煤气中水含量越 少。 无论在什么条件下，鼓风速率的增加都是有限的，过高时系统压力增大，煤气热 值随着鼓风速率的增加而提高，但超过一定数值，煤气热值反而降低，而二氧化碳含 量却增加，这说明部分气化产物被燃烧了，所以应选择适宜的流速和压力，以避免煤 气的泄漏和一氧化碳被氧化。 一般认为变空气鼓风为富氧鼓风可以大大提高煤气的热值，令人意外的是 CO/CO2比率并不随着鼓风中氧含量的增加而有明显的变化。虽然燃烧区的温度由于鼓 风中氧含量的增加而升高，但因为氧的旁路或附加的水蒸气转换 CO 为 CO2的反应并 不完全。 2.3 水涌入速率 气体煤层中水的来源有：1.煤本身的含水量 2.在热分解中产生的水分 3.围岩的含水 量 4.地下水的渗入 5.人为注入的水 煤气含水量反映出地下水从煤层周围涌入气化区域的速率，水涌入速率是由围岩 的渗透率和整段地带的静水压力所决定的。通常条件下，静水压力随时间变化缓慢， 基本上是稳定的。判明水涌入的实际轴向分布范围一般比较困难，而其分布情况对煤 气组成有很大影响。 气化炉中存在少量的水，对气化过程的进行是有利的，在高温下水被分解，使煤 气中富含 CO 和 H2，同时又能适当降低煤的燃烧温度，从而降低了煤灰的熔融温度， 保证了良好的析气条件。如果水涌入量比较大，即超过一定的限度，高温气流的冷却 作用及 CO/CO2平衡转换占优势，可燃组分相对减少，从而使煤气热值降低，此外， 水涌入量增加，容易使孔道内形成水层，堵塞狭窄的气流通道。在煤炭地下气化现场 试验过程中，我们一般从两个方面来抑制水涌入的影响：一是适当提高鼓风压力，而 是在操作系统中始终保持气化通道足够高的温度，以蒸发所涌入的水，使所有涌入的 水均以煤气中的水蒸气或水与煤之间反应物等形式出现。 地下水的存在，直接影响煤层的含水(充水)程度，其对地下煤层贯通和气化影响在 于：在贯通时贯通通道的空间小，内部表面不大，只有比较少的地下水进入贯通的通 道，影响不大；但在气化通道贯通以后，煤层开始气化，气化的空间迅速增大，因而 进入地下煤气炉系统地水量也增大，将严重影响着气化过程的进行。当煤层中的水分 含量超过一定限度时，还原带的温度及气化过程遭到强烈的破坏，同时在反应区中燃 料的燃烧热分配不当，化学热降低而物理热升高，造成很大的热损。 在进行地下气化的准备工作时，地下水，特别是流砂层常会给打钻工作带来困难， 并且常因地下水改变钻孔内煤层的物理化学性质而妨碍贯通工作的进行。据地质钻探 方面资料可知：在一般含水量的情况下，对钻孔工作没什么困难，而影响钻孔工作的 主要是流砂层，特别是含水的砾岩层，在这种岩石中钻进，不但时常发生漏水现象， 而且往往因钻孔壁陷落妨碍钻进。 2.4 气体通道的长度和断面 可燃气体的产生在气化通道中经历了三个不同的反应区，当气化通道较长时，氧 化区、还原区、干馏区均能得到充分的发育，有利于一些可燃气体生成反应的进行， 使煤气中的 H2，CO，CH4 等成分增加，煤层热值提高。若气化通道过短，只有氧化 区和还原区得到发育，干馏区很短或消失，这样煤热解反应减弱，煤气中 CH4 含量降 低，煤气热值降低，因此，建立足够长的气化通道是提高煤气质量必不可少的措施之 一。 对于国内外气化通道长度短、断面小的试验，其产量小，地下煤气中可燃组分含 量少，热值低。比利时由于加大了气化通道的长度和断面，其煤气质量明显得到改善。 我国一改 20 世纪 50 年代的建炉模式，采用有井推进式大型炉结构，通道长，断面大， 使产品煤气中可燃组分大幅度增高，煤气热值提高。分析其原因，主要包括以下几方 面：大型炉煤体燃烧后，形成大而稳定的高温场，氧化带和还原带的范围扩大，可 燃组分增多，从而使煤气热值提高；由于通道长、断面大，所以干馏煤气产量大， CH4 含量高；因由较长的干馏干燥带，煤气显热大多用于加热煤层，故热效率高； 大型炉为两阶段地下气化创造了良好的条件。 但是气化通道亦不可过长，苏联的操作表明，过长的气化通道则因煤气被冷却， CO/CO2之比率降低，而甲烷在过低温度下生成速率很小，易发生如下反应： 2CO+H2OCO2+H2+41.03KJ/gmoL 2COCO2+ C+172.5 KJ/gmoL 所以，对于某一特定的气化煤层来说，气化通道应满足各反应区长度的要求。 2.5 操作压力 在倾斜、缓倾斜或近水平煤层中进行地下气化时，气化剂仅限于在贯通通道内流 动，而不能提供有效燃烧气化所需要的大反应表面。实践证明，通过改变操作系统的 运作方式，可以得到较大程度的补偿，即通过周期性变化的操作压力可以提高煤气的 质量。 模型试验和现场试验均表明，在压力周期变化条件下，流体主要以对流方式传递 给煤层热量，这样，一方面对气化反应带前某一距离内的煤层起到预热作用，有利于 煤层的燃烧与气化；另一方面增加了热解的产物，且避免了热解气体的燃烧。 Mohtadi(1981)使用无烟煤分别在恒压和周期变化的压力下进行了试验，其结果如 表 2-2 所示。从下表可以看出，周期变化压力条件下，热损失减少约 60%，热效率和 气化效率分别为恒压时的 1.4 倍和 2 倍，产品煤气的热值约提高 1 倍。由此证明了在压 力变化的条件下，气化过程得到了较大程度的改善。 2.6 煤层厚度 在地下气化过程中，燃烧区和煤气不仅因水的涌入而被冷却，而且其中一部分热 量散失到煤层和围岩(底板、顶板等)中去。当煤层厚度小于 2m 时，围岩的冷却作用剧 烈变化对煤气热值影响甚大。对于较薄煤层，增加鼓风速率或富氧鼓风可以提高煤气 热值，苏联 Lischansk 地下气化站在小于 2m 的煤层中进行试验时，即采用富氧鼓风。 后煤层进行地下气化不一定经济，一般以 1.33.5m 厚的煤层进行地下气化比较经 济合理，煤层的倾斜度对其气化难易也有影响，一般说来急倾斜煤层易于气化，但开 拓条件钻孔工作较困难。试验证明，煤层倾角为 35时，便于进行煤的地下气化。 2.7 空气动力学条件和气化炉结构 现行的地下煤气发生炉的运转经验表明：在地下气化炉的不同工作阶段，均匀地 向煤层反应表面鼓风，是气化炉内稳定析气的主要条件。在气化过程中，气化通道的 大小、形状、位置都随着煤层和顶板的冒落而不断发生变化。因此，气化工作面的大 小、形状、位置和空气动力学条件也在不断地发生变化，从而影响气化过程的稳定。 顺利送风于反应的煤表面，从而保证一定的空气动力学条件是气化过程的稳定基础， 因此必须设计结构合理的气化炉，以实现这一目的。 2.8 煤质对气化的影响 气化反应过程与煤的性质和组成有着密切的关系，又与煤层情况和地质条件有关， 如无烟煤由于透气性差，气化活性差，脆性很高，在外力作用下最容易分解，因此一 般不适于地下气化；而褐煤最适于地下气化方法，由于褐煤的机械强度差，易风化， 难于保存，且水分大，热值低等特点，不宜于矿井开采，而其透气性高，热稳定差， 没有粘结性，较易开拓气化通道，故有利于地下气化。 影响气化过程稳定性的因素还有许多，如围岩受热变形、塌裂、扩展的影响，煤 质煤层赋存条件的影响等。这些因素对气化盘区的选择和气化炉的建立过程影响较大， 对于气化过程控制煤气成分和热值的影响不大。煤层顶底板岩石的性质和结构对地下 气化有重要影响，要求临近岩层完全覆盖气化煤层。当气化过程进行到一定程度时顶 板往往在热力、重力和压力的作用下破碎而垮落，造成煤气大量泄漏，影响到气化过 程的有效性和经济性。 综上所述，气化炉温度场、鼓风速率、气化通道长度、煤层涌水量是影响气化过 程稳定性的主要因素。因此，将通过模拟计算和现场试验，研究这些因素的变化规律 以及对气化过程稳定性的影响程度，从而认识地下气化过程的一般规律，并研究合理 的气化炉结构和工艺措施，实现对气化过程的控制，已达到稳定生产的目的。 3 国外煤炭地下气化技术的发展国外煤炭地下气化技术的发展 1868 年，德国科学家威廉西蒙斯首先提出了煤炭地下气化(UCG)的概念。1888 年， 俄罗斯 化学家门捷列夫提出了地下气化的基本工艺。1907 年，通过钻孔向点燃的煤层 注入空气和蒸 汽的 UCG 技术在英国取得专利权。1933 年，前苏联开始进行 UCG 现 场试验。19401961 年建成 5 个试验性气化站。其中规模较大的是俄罗斯的南阿宾斯 克气化站和乌兹别克斯坦的安格连 斯克气化站。这 2 个气化站都采用无井(筒)气化工 艺。前苏联的试验性气化站，生产的煤气 热值低，产量不稳定，成本高。1977 年,安 格连斯克等气化站被关闭。南阿宾斯克气化站气 化烟煤，到 1991 年累计产气 90 亿 m3，煤气平均热值 3.82MJ/m3(1600kcal/m3)。安格连 斯克气化站气化褐煤，1987 年恢 复运行，生产低热值燃料气供发电。 20 世纪 50 年代，美、英、日、波、捷等国也都进行 UCG 试验，但成效不大。到 50 年代末都停止了试验。7080 年代，除前苏联外,美国、德国、比利时、英国、法国、 波兰、捷克、日本等国都进行试验。 美国 UCG 研究试验投入大量资金。劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚国家实验等研究机 构，应用高 技术进行 UCG 的实验室研究和现场试验。到 20 世纪 80 年代中期，共进 行 29 次现场试验，累计 气化煤 炭近 4 万 t，煤气最高热值达 14MJ/m3。劳伦斯利弗 莫尔国家实验室开发成功的受控注入 点 后退(CRIP)气化新工艺，是 UCG 技术的一项 重大突破，使美国 UCG 技术居世界领先地位。美国 UCG 试验，证实了 UCG 的技术 可行性，但产气成本远高于天然气，据美国能源部 1986 年评估报 告，地下气化成本 为 4.8 美元/MBtu，而天然气井口价仅 1.7 美元/MBtu(1989 年，1MBtu=28m 3天然气)， 汉那商业性地下气化站设计预估成本高达 10.4 美元/MBtu。 西欧国家(英国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙)深度 1000m 以下和北海海 底煤炭储量 很大。石油危机后，这些国家试图采用 UCG 技术从不能用常规方法开采 的深部煤层取得国产 能源。1976 年，比利时和原西德签署了共同进行深部煤层地下气 化试验的协议，1979 年在比利时成立了地下气化研究所，进行 UCG 实验室研究和现 场试验。19781987 年，在比利时的图林进行现场试验。气化煤层厚 2m，倾角 15， 深 860m。第一阶段采用反向燃烧法，试验失败。后来采用小半径定向钻孔和 CRIP 工 艺，试验基本成功。1988 年，6 个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验 证深部煤层地下气化可行性的商业规模示范。1991 年 10 月到 1998 年 12 月，在西班牙 特鲁埃尔进行现场试验。气化煤层厚 2m，深 500700m，采用定向钻孔和 CRIP 工艺。 罗马尼亚正在日乌河谷烟煤煤田进行 UCG 试验，目的是弥补天然气供应不足。 除上述国家外，计划进行 UCG 试验或建设气化站的国家有：印度、巴西、泰国、 保加利亚、 新西兰。 3.1 国外技术发展 3.1.1 早期的有井(筒)式气化工艺 UCG 试验采用有井(筒)式工艺，需要开凿井筒、掘进巷道，或利用老矿的井巷。 这违背了地下气化的基本宗旨是避免井下开采作业的初衷，而且准备工作量大，产气 量小。1935 年以后，发展无井(筒)式工艺，即从地面向煤层钻孔。过去 50 年，国外所 有 UCG 试验和可行性研究都采用无井(筒)式工艺。 3.1.2 UCG 描述 最简单的 UCG 工艺是按一定距离向煤层打垂直钻孔，再使孔间煤层形成气化通道。 然后通过一个钻孔把煤层点燃，注入空气或氧/蒸汽，煤炭发生热解、还原和氧化等气 化反应。蒸汽 提供反应所需的氢，并降低反应温度。产生的煤气从另一个钻孔引出， 煤气的主要成分是 H 2 、二氧化碳、CO、CH4和蒸汽，各种组分的比例取决于煤种、 气化剂和气化效率。注入空气和蒸汽产生低热值煤气(3.96.3MJ/m3)；注入氧和蒸汽 可得中热值煤气(8.211.0MJ/m3)。 低热值煤气可就地发电或做工业燃料；中热值煤 气可作燃料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然 气等产品。UCG 的关键技术问题是连续钻孔的方法，即贯通技术、煤层勘测和气化过 程的控制。 3.1.3 贯通技术 迄今已试验 5 种贯通方法：电力贯通，爆炸破碎，水力压裂，反向燃烧，定向钻 孔。只有后两种方法证明是可行的。 （1）电力贯通。这是早期采用的方法，因煤层电阻大，耗电太多，而效果不好， 早已淘汰 。 （2）爆炸破碎法。70 年代，美国试验爆炸破碎法，未能使煤层产生足够的渗透性， 而且难以控制。 （3）水力压裂。水力压裂是从钻孔向煤层注入带支撑剂(砂子等)的高压水，使煤 层压裂， 排水后砂子留在煤层裂隙中，从而提高煤层渗透性。美国、法国、比利时、 德国等都曾进行水力压裂试验，均以失败告终。1980 年法国进行水力压裂试验，煤层 深 1170m，压力达 750ba r，结果水砂倒流，发生堵塞。 （4）反向燃烧。反向燃烧是从甲孔点火，从乙孔鼓风，燃烧面的推进方向与气流 方向相反 ，煤气从甲孔引出。美国 ARCO 煤炭公司在怀俄明州吉利特附近进行试验， 煤层厚 34m，深 213 m，为次烟煤。注入空气，煤气热值达 7.9MJ/m3。 （5）定向钻孔。定向钻孔是石油工业开发的一种钻井新技术，它是从地面打垂直 钻孔，钻 到一定深度后，钻孔可以拐弯，变成水平方向钻进，形成水平孔。定向钻孔 有两种方法：一是逐渐拐弯，一般每 30m 拐 36，不需特制的钻具，曲率半径约 500m。另一种是小半径拐弯钻进，需采用挠性钻具和孔内导向装置，曲率半径可小到 15m。英国采用天然伽玛射线传感器导向，在厚度和倾角变化的煤层中进行定向钻孔试 验，水平孔长达 500m。比-德地下气化研究所在比利时图林大深度煤层 UCG 试验中， 采用垂直钻孔、逐渐弯钻孔和小半径拐弯钻孔相结合的设计方案。 此方案可用一个逐渐拐弯钻孔联接若干垂直钻孔，在气化几个煤层时尤其方便， 而且垂直孔与层内水平孔的交接比较精确，两者距离可控制在小于煤层厚度的范围内。 英国设想用定向钻孔技术气化北海海底煤层，水深 25130m，煤层厚 12m，从地面或 近海钻井平台打定向钻孔。 3.1.4 煤层勘测和模型研究 待气化煤层的精细勘测和气化反应带的预测和监测，是 UCG 能否成功的关键要素。 在煤层勘测方面，已采用钻孔温差电偶、孔间地震仪等进行三维精细勘测。在地面用 电阻率方法进行勘测也能取得良好效果，而且成本较低，有效深度约 1000m。深部煤 层用高频电磁波进行勘测，已证明是一种有效而经济的方法。 目前，UCG 试验通常都采用计算机模型模拟气化过程，已开发出多种模型。应用 这些模型，有可能相当精确地模拟气化反应过程，预测能够气化的煤量、煤气的产量 和质量，以及生产成本。美国能源国际公司采用 UCG 经济性模型和现场试验数据，对 拟建的怀俄明州汉那商业性气化站设计方案的经济性进行预测和优化。 3.1.5 气化过程控制 UCG 是受多种因素影响的复杂的物理化学过程，难以控制。主要影响因素包括： 煤层地质条件，煤质特征，涌水量，矿山压力，气化剂及其注入压力和流量等。 气化过程控制的主要问题是冒落矸石对气流的影响，以及气化效率随气化带的推 进而降低。美国在地下气化机理和气化过程方面进行大量的研究开发工作，包括气化 过程监测、自控和摇感技术，应用声学、地震学和电子技术，取得化学、热力学和地 质学等方面的数据。 3.1.6 环境影响评价及防治技术 美国和欧盟重视 UCG 对健康和环境影响的评价以及防治技术的研究。主要问题是 气化区地面 塌陷，地下水污染，煤气净化系统排放物对环境的影响。 美国能源部对怀俄明州 70 年代末进行试验的地下气化站对健康和环境的影响进行 专项评估。对气化站附近地下水中的异丙基苯含量进行测量，并采用生物技术(需氧菌 群)进行分解苯的示范试验，结果地下水中的苯含量下降 80。 3.2 美国的 CRIP 气化工艺 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 1976 年开始研究 UCG，在模拟研究和实验室研 究的基础上，19761979 年在怀俄明州吉利特附近进行了 6 次现场试验，先后采用爆 炸破碎、反向燃烧和定向钻孔贯通技术，注入空气和氧/蒸汽。这些试验除爆炸破碎效 果不佳外，煤气热值都超过 4MJ/m3，最高达 10.3MJ/m3，但都发生冒顶、漏气和水流 入等问题。为解决这些问题， 提高气化效率，该实验室研究开发出受控注入点后退气 化工艺(CRIP)。这种新工艺把定向钻 进和反向燃烧结合在一起，定向钻孔先打垂直注 入孔和产气孔，到达煤层后，从注入孔沿煤层底板继续打水平孔，直到与产气孔底部 相交，然后在钻孔中下套管；开始气化时，用移动点火器在靠近产气孔的第一个注入 点烧掉一段套管，并点燃煤体，燃烧空穴不断扩展，一直烧到煤层顶板，待顶板开始 塌落时，注入点后退相当于一个空穴宽度的距离，再用点火器烧 掉一段套管，形成新 的燃烧带，如此逐段向垂直注入孔推进。 1983 年，在美国华盛顿州森特雷利亚附近的韦特柯煤矿进行首次全规模现场试验。 气化煤层厚 11m，气化上部的 6m，煤质为高灰分(20)、低渗透性次烟煤。试验历时 30 天，开始注入空气和蒸汽，第 14 天注入氧和蒸汽，气化煤量为 1814t，煤气热值 9.5MJ/m3。CRIP 工艺的最大优点是气化过程能够有效地得到控制。因为水平注入孔位 于煤层底部，气化过程在受控条件下由注入点后退逐段进行。这一特点使它特别适用 于大深度煤层和特厚煤层。气化大深度煤层时，一个产气孔可连接一组垂直注入孔， 煤气可通过已烧过的空穴流动，解决了在极高的岩层压力下保持通道的问题。气化厚 煤层时，当空穴扩大并发生大冒顶时，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP 工艺的另一 个突出优点是产气量大，还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸出的煤气。CRIP 工艺的 主要缺点是点火操作比较复杂。CRIP 工艺在美国试验成功以后，国外所有地下气化试 验或可行性研究项目都采用这种新工艺。 3.3 国外重要 UCG 项目 国外 UCG 试验和商业性示范项目主要有俄罗斯的南阿宾斯克气化站，美国的汉那、 罗林斯和森特拉利亚气化试验，以及比利时的图林和西班牙的特鲁埃尔气化试验。 3.3.1 俄罗斯南阿宾斯克气化站 南阿宾斯克气化站位于俄罗斯库兹巴斯矿区。煤层厚 29m，倾角 5570，深 50300 m，煤种为气肥煤。1955 年建成试验性气化站，设计年产气能力 5 亿 m3，采 用井(筒)气化工艺。到 1991 年累计气化煤炭 3Mt，产气 90 亿 m3，煤气平均热值 3.82MJ/m3(1600Kcal/ m3)。煤气供附近 12 个工矿企业用作燃料。 3.3.2 美国汉那地下气化试验 19721979 年，美国能源部拉勒米能源技术中心在怀俄明州汉那附近进行地下气 化试验。气化煤层为次烟煤，厚 9m，深 49122m。首次采用反向燃烧法，注空气， 气化煤炭 15741t，煤气热值 4.06.6MJ/m3。19871988 年，劳伦斯利弗莫尔国家实 验室采用 CRIP 工艺在汉那进行试验，获得成功。 3.3.3 美国罗林斯地下气化试验 19791981 年，Gulf 研究与发展公司在怀俄明州罗林斯附近的一个急倾斜煤层进 行地下气化试验。气化煤层厚 7m，倾角 63，深 30m，煤种为次烟煤，钻孔贯通。试 验分 3 个阶段进行。第一阶段注空气，煤气热值 5.9MJ/m3；第二阶段注氧气，煤气热 值 9.8MJ/ m3；第一、 第二阶段的注入压力为 485795kPa；第三阶段注氧气，最大压 力提高到 1100kPa，煤气热值 12.9MJ /m3，有 19 天平均达 14MJ/m3。累计气化煤炭 7766t。这是美国最成功的一次地下气化试验。 3.3.4 美国森特雷利亚地下气化试验 1983 年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在华盛顿州森特雷利亚附近进行地下气化试 验。气 化煤层厚 11m，气化上部 6m，煤层深 75m。采用 CRIP 工艺，运行 30 天，气 化煤炭 13315t，煤气热值 9.5MJ/m3。 3.3.5 比利时图林煤炭地下气化试验 这是比利时和德国深部煤层地下气化试验合作项目。试验地点在比利时波利纳日 煤田的图林。气化煤层厚 4m，深 860m，煤种为瘦煤。19781980 年打了 4 个钻孔， 呈星形布置，2 号孔居中，1、3、4 号孔沿圆周布置，与 2 号孔相距 35m。第一阶段采 用反向燃烧法进行贯通试验，由 1 号孔注入高压空气(最大压力 260bar)。由于地层压力 高达 200bar，煤层刚被烧通，周围煤体即在高压作用下产生蠕动，将通道封死，注入 孔底附近的煤层发生自燃，试验失败。 1983 年改用小曲率半径定向钻进技术进行贯通试验。采用多节挠性钻管，依靠钻 孔中的导向装置导向，使垂直注入孔逐渐转向，进入煤层中继续钻进，钻到距垂直生 产孔 24m 处停止，用 175bar 高压水打通，完成贯通。曲率半径仅 15m。1986 年定 向钻孔顺利完成。气化试验采用美国的 CRIP 工艺。为适应深部煤层，对此工艺作了一 些修改。从垂直注入孔下套管，在套管中用 350bar 压力推入蛇管。蛇管内装有 3 根热 电偶电线和 2 根可燃的空心管，一根空心管用来输氧，另一根空心管用来输送三乙基 硼和甲烷。蛇管端部固定点火器。气化时，通过热电偶点火，使钢管和蛇管一起反向 燃烧，第一段烧掉 11m，然后以 80bar 压力、7000 m3/h 流量注入空气，待气化约 10t 煤以后，压力降至 2030bar。第二段和第三段再从注入点分别后退 11m，第二段注入 40氧气、30 二氧化碳和 40 N2 混合气体，第三段注入 40氧气、60二氧化 碳混合气体，压力均为 25bar，流量 2000 m3/h。最后阶段以 25bar 压力、10000 m3/h 流 量注入空气，若温度太高，注入 1200 m3/h 的 N2。气化剂采用氧气和二氧化碳，不用 蒸汽。因为蒸汽要在 250下输送，成本高，而且在到达气化带前会因岩层的热交换 而冷凝。采用氧气和二氧化碳注入孔不用绝热，孔径可减少 35。 3.3.6 西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验 1988 年，6 个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验证欧洲典型煤层 地下气化可行性的商业规模示范。项目选定西班牙特鲁埃尔矿区中等深度煤层进行现 场试验。 该项目实施时间 7 年零 3 个月，从 1991 年 10 月到 1998 年 12 月。气化煤层为次 烟煤，厚约 2m，深 500700 m，硫分高达 7.26。采用 CRIP 工艺。用潜孔钻机进行 小半径定向钻进，注入孔和生产孔相距 150m，注入管和点火器与图林项目基本相同， 在地面用特制的滚筒使其在注入孔内移位。气化试验从 1997 年 6 月 30 日开始，共进 行 3 次(即注入点后退 3 次)，到 10 月 6 日结束。气化剂为氧 和水。气化过程对气化剂 流量、产气孔压力、煤气流量和组分等进行监测和分析。根据参与气化的元素质量平 衡测量气化煤量、煤气损失量和地下水涌入量，用示踪气体氦监测煤层空穴的扩展动 态。 气化试验完成后，在地面钻孔并取芯，勘测气化空穴的形状和气化残留物。对气 化区周围地下水中的污染物以及煤气输送管道的腐蚀进行取样分析。 试验结果表明：定向钻孔适于建立气化通道，CRIP 工艺效果良好，运行顺利；煤 气产出率随注氧量增加而增大，反应灵敏，因此有可能使气化过程暂停几天时间，这 对发电很有利；煤气热值达 10.9MJ/ m3，与地面气化相当，约为天然气的 1/3；煤炭地 下气化的环境影响应引起重视。 这次试验解决了一系列技术问题。如果现有的技术问题得以解决，并证明经济合 理，煤炭地下气化可在 1015 年内实现商业化，这是欧洲利用自有煤炭资源发电的战 略选择。此外，欧洲地下气化技术还有良好的出口前景，包括钻井、完井所用特种钢， 气化工程技术等。 3.4 结论 （1）发展 UCG 的基本宗旨。开发利用本土能源资源、从根本上杜绝矿井伤亡事 故以及减少煤炭开采和利用对环境的损害，是各国发展 UCG 共同追求的目标。最初提 出 UCG 的一个根本出发点，就是使煤炭直接在地下转化成气体燃料，完全取消井下作 业，从根本上杜绝矿井伤亡事故和井下作业导致的职业病。 因此，虽然早期的 UCG 试验曾采用有井(筒)式工艺，但 1935 年以后就开始发展无 井(筒)式工艺。过去 60 多年国外所有 UCG 试验和可行性研究，都采用无井(筒)工艺路 线。经济合作与发展组织/国际能源机构 (OECP/IEA)1999 年出版的非常规开采认 为：有井(筒)式工艺违背了 UCG 避免井下作业的初衷，采用油气工艺的定向钻进技术 解决了气化通道的贯通问题。 （2）UCG 不能替代常规采煤方法。国外普遍的看法是 UCG 不能替代常规采煤方 法，只可用来开采常规方法不可采或开采不经济的煤层，包括大深度煤层、高灰高硫 劣质煤、急倾斜煤 层和薄煤层，成为提供洁净能源的一种可供选择的途径。 （3）UCG 煤气有多种用途。气化过程注入空气和蒸汽，生产低热值煤气 (3.96.3MJ/m3) ，可就地发电或用作工艺燃料。注入氧和蒸汽可得中热值煤气 (8.211.0MJ/m3)，可用作燃料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、 合成氨和合成天然气等产品。 （4）UCG 是一项涉及多种学科的高技术。多项高技术的应用，是欧美国家 UCG 研究试验取得重大进展的关键。这些技术包括：应用声学、地质学、地震学、化学、 热力学和电子技术，研究地下气化机理；UCG 计算机模型，模拟气化过程，测算煤气 产量和质量、生产成本；待气化煤层的精细勘探、三维勘测技术；气化过程自动监测 和控制技术；耐高温、抗腐蚀特种合金钢管和特种泥浆；适于 UCG 的先进燃气-蒸汽 联合循环发电技术；UCG 环境监测和防治技术。 （5）UCG 技术尚不成熟。UCG 虽已证实技术和工程可行性，但技术尚不成熟， 存在一系列有待解决的问题，主要是气化过程很难控制；冒顶可能严重干扰气化过程， 地下水进入气化带；烟煤加热膨胀产生塑性变形，会阻塞气化通道，煤气中的固体颗 粒和焦炭会堵塞和腐蚀管道。 （6）目前没有发展新一代 UCG 技术的研究开发活动。定向钻孔和 CRIP 气化工 艺是 UCG 技术的重大突破。但是国外近年 UCG 技术的研究开发活动，致力于改进现 有工艺和设备，解决气化和环保等方面的技术问题，没有发展新一代 UCG 技术的研究 计划。 （7）UCG 要解决一系列环境问题。UCG 的优点是不排放矸石，粗煤气经净化处 理后成为一种洁净的燃料。但 UCG 对环境的损害也是尚待解决的一个重大问题，美国 能源部把解决环境问题作为 UCG 商业化的前提条件。首先是气化残留物中的有害有机 物和金属污染地下水。其次是气化区会产生地面塌陷，需采取复田等措施。第三是粗 煤气净化系统的排放物对环境的影响，必须加以处理。 （8）需要国际合作。UCG 技术研究开发和示范是高投入高风险大型项目，加强 国际合作对促进其商业化是十分重要的。西班牙深部煤层地下气化试验是一个高难度 项目，也是 20 世纪 90 年代国外唯一的大型 UCG 试验项目，技术上取得了重大进展， 这是持续 20 年的国际合作的成果。这次试验的成功，增强了欧盟成员国深部煤层地下 气化商业化的信心，并使欧盟在这一高技术领域的国际竞争中处于有利地位，为出口 相关技术提供了机会。 （9）UCG 的前景。预测 UCG 商业化的前景是困难的。国外大多数专家仍把它看 作长期的目标，关键在于能否和何时解决技术上存在的问题(包括气化工艺和环境损害 防治)，以及何时能够同石油天然气相竞争，政府的政策也是一个重要因素。因此，各 国的情况是不同的。欧盟煤炭地下气化工作组 1999 年的报告认为，若能解决现存的技 术问题而且经济上可行，UCG 有可能在 1015 年内实现商业化。 4 国内煤炭地下气化技术的发展国内煤炭地下气化技术的发展 我国于上世纪五十年代、在学习前苏联煤炭地下气化技术的基础上，开始了我国 煤炭地下气化技术的研究，1958 年到 1962 年，我国先后在大同、皖南、沈北等许多矿 区进行过自然条件下煤炭地下气化的试验，取得了一定的成就。鹤岗地下气化试验是 在 1960 年进行的，首先是用电贯通方法建立一个 10 米的通道，然后通过火力渗透， 建立一个 20 米的通道(包括电贯通的 10 米) ，并连续采用此通道气化 20 余天，生产出 可燃煤气，但受当时技术、经济条件的限制，未能将这一工作坚持下去。80 年代后， 中国矿业大学（北京校区）针对我国能源供应紧张、矿井遗弃煤炭资源多、传统的煤 炭资源开采、运输、使用过程中环境污染较大的特点，提出了利用煤炭地下气化技术 开采我国传统煤炭开采技术难以开采或开采经济性、安全性差的煤层的技术路线，并 成立了煤炭工业地下气化工程研究中心，开始对无井式、有井式地下气化进行深入地 研究，建立了具有世界先进水平的炭地下气化实验室。通过多年的基础研究、实验室 研究、国际合作研究，首创了“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化新工艺，先 后完成了完成了江苏省“七五”攻关项目徐州马庄矿煤炭地下气化试验、国家“八 五”重点科技攻关项目徐州新河二号井煤炭地下气化半工业性试验、河北省重点科 技攻关项目唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验和山东“新汶孙村煤矿煤炭地下 气化技术研究与应用”项目，并进行了民用及内燃机发电。2002 年承担了国家高技术 研究发展计划（863 计划）-煤炭地下气化稳定控制技术的研究，对不同煤种(褐煤、 烟煤、无烟煤)、不同厚度（薄煤层、中厚煤层、厚煤层） 、不同倾角(近水平、缓倾斜、 急倾斜)的煤层进行了试验研究。在此基础上申请了 5 项国家专利，并在山东新汶、肥 城、山西昔阳等地建立了 6 座工业化应用地下气化站。 煤炭地下气化新工艺 利用现有的矿井巷道或煤层中新开拓的巷道，进行煤炭的地下气化，是一项非常 具有应用前景的煤炭开采技术，可以消除传统的煤矿开采以及运输存储等环节对环境 的污染；通过煤炭的地下气化，变采煤为采气，实现煤炭开采的自动化，实现煤矿向 煤化工企业的转变。同时，煤炭地下气化技术尤其适合人工无法开采或人工开采不经 济的煤层，回收遗弃资源。 国内外