地下煤气化技术的发展与应用

化工装备技术应用与发展地下煤气化技术的发展与应用马晓飞王永兵(新疆特种设备检验研究院，乌鲁木齐830013)摘要:深层煤炭储量巨大，但由于高水压、高地应力、高瓦斯与高地温等原因严重地影响这部分煤炭资源的开发和利用。为此，新的煤炭利用技术的探讨和试验凸显出其重要性和意义。文章通过对地下煤气化技术(UCG技术)的优势、经济性评价、实际产品应用的分析和总结，得出煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益，是我国洁净煤技术的重要研究和发展方向。关键字:煤气化洁净煤煤制气UCG1引言2 UCG的定义当今世界上探明的具有开采价值的矿物燃煤地下气化涉及到把地下的煤碳资源转变成料资源中,煤占75%。与此同时地球上煤的储量一种可燃气体的控制。图1说明了煤地下气化的大约是探明储量的10倍"，储量巨大的深层煤炭基本过程，包括: (1) 通过一口注入井向煤层:由于高水压、高地应力、高瓦斯与高地温等原泵人一种氧化剂(空气或氧)与蒸汽; (2) 点燃因未被开发和利用。因而，开发更深层的煤炭煤; (3)生成的气体通过生产井流回地表，进矿藏具有十分重要的意义。行净化或人工合成液体燃料”。煤炭地下气化是将地下煤炭有控制燃烧、UCG技术的成功往往取决于注入井和生产产生可燃气体的-种开发清洁能源与化工原料井之间良好的连通性。打通连接通道-般采取逆的新技术。该技术只提取煤中含能组分,而将灰向燃烧的方法。所谓逆向燃烧就是在甲口地面下渣等污染物留在井下叫。这种新技术集建井、采点燃煤层， 燃烧向乙口方向进行;而同时在乙口煤、转化工艺为一体,大大减少了煤炭生产和使出鼓入气化剂，气化剂向甲口方向推进，即:煤用过程中所造成的环境破坏，并可大大提高煤炭层燃烧方向与气化剂的推进方向相反。逆向燃烧资源的利用率。因此深受世界各国重视。在工方式也是目前工程中打通连接通道时最常用也可程中，地下煤气化技术被称作UCG技术。行的方法。地下煤的气化一般可以采出煤原始热值的50% ~ 70%。3 UCG技术背景前苏联、英国、美国等国相继投入了大量的人力和物力进行UCG技术的研究和使用，并取燃层得丰硕的成果。前苏联于1940年在顿巴斯和莫斯科近郊有两个煤炭地下气化站投入生产。美国地下气化试验始于1946年，1987 年进行的洛基山2号试验，获得了中热值煤气，为煤炭地下气化技术走向商业化道路创造了条件。图1 UCG技术示意图我国先后在大同、皖南、沈北等许多矿区进- 27-化工装备技术应用与发展行过自然条件下煤炭地下气化的试验，取得了一千扰降至最低; (6)需 要的劳动力较少并提高了定的成就。1985 年，中国矿业大学在徐州马庄安全性(无需地下工作人 员); (7)最大限度降低废矿中进行了现场试验。试验进行了三个月，产物处理的需 要(残留地下的固体物); (8)比煤层甲气16 x 104Nm',煤气平均热值4.2MJ/Nm'。中烷气作业的用水量少: (9)可在海上进入煤层; .国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中(10)排放的NOX降低; (11)在枯竭气化空隙内具心，在总结国内外地下气化工艺的基础上，提出有就地捕获和封存CO,的潜力。了适合我国矿井遗弃煤炭资源气化的长通道、大4.2局限性断面煤炭地下气化新工艺。采用新工艺进行了徐地下煤气化最直接的危险是，它可能会污染州新二号井半工业性试验和唐山刘庄煤矿工业性地下水资源。目前进行的试验性燃烧已经产生致试验，其中刘庄矿实现连续稳定生产五年多。癌物苯和酚，在美国落基山的-一个试验场需要花2000年“孙村煤矿煤炭地下气化技术研究与500万美元清除这些致癌物质。即使这些有毒化应用”工程投人试验和生产。成功为2万户居民学物质不扩散，它们也会毒化煤缝里面的水。和蒸汽锅炉连续提供燃气，并进行了2 x 400kw同时地下煤层燃烧会造成地表植物干枯。火小型内燃机发电试验。焰从地缝窜出，将会对人类在该区域的地表活动为了进一步提高单炉产气量，提高生产过程产生较严重的影响，甚至埋下安全隐患。的稳定性，国家高技术研究发展计划(863计划)5煤炭地下气化技术的经济评价课题“煤炭地下气化稳定控制技术的研究”于煤炭地下气化技术，煤炭不需要开采、运2002年1月启动，经过四年多的工作，建立了具输,不需要地面洗选、 加工、 转化，节约了大量有国际先进水平的煤炭地下气化模型试验台，并.建井、采煤、选煤工程投资，大大减少了煤炭运对褐煤、烟煤、焦烟、无烟地下气化过程进行了输费用，减少了地面建气化站设施的投资。试验研究。试验获得含H,量在40%以上的煤气。前苏联的实际工作有力地证明了煤炭地下目前，国家示范工程一山东里能集团气化具有基本建设投资省、建站周期短、生产“煤炭地下气化发电示范工程”正在设计当效率高、煤的回收率高、生产成本低、生产系中，预计将日产120万Nm3、热值在8.36 MJ/Nm'统简单且安全、没有三废外排问题、环境效益左右的煤气，供电厂发电使用。该工程将为煤好等优点。地下气化与地面气化生产相同下游炭地下气化技术工业化，乃至商业化生产起到产 品相比成本可下降”!: (1)生产合成气成本下较大的示范作用。降为43% ; (2) 生产天燃气代用品成本下降为104优点和局限性%-18% ; (3)发电成本下降为27%。地下气化热4.1优点力电厂与燃煤电厂相比'": (1)厂房空间可减少与其它清洁煤技术相比，地下煤气化具有以50%; (2)锅炉金属耗量可降低30% ; (3)运行人下优点。.数可减少37%。(1)将未开发的资源转变为有商业价值的储表1是地下气化与地面气化投资和成本的量; (2)省去了勘探费用; (3)降低 了投资费用(不比较数据。从表1对比的结果可以看出，地下需要准备煤和气化的地面厂房); (4)在单位能含气化相比地面气化， 投资成本、环境成本都明量基础上,井口成本比天然气低50%，(5)将地面显下降，同时具有工艺简单的优点。-28.化工装备技术应用与发展表1地下气化和地面气化投资与成本比较项地面气化地下气化基建投资/元.m350~450120~ 150成本/元.m0.4~0.60.15~0.25生产工艺备煤、选煤地下煤炭资源环境保护有灰渣排放无灰渣、污染物少.6利用UCG技术合成化学产品的实际应用已引起人们的普遍关注，它在制药、燃料、农药UCG技术具有合成氨、合成二甲醚、实现等化学工业中有许多独特的用途。也可作为优质煤的间接液化、制取纯氢等广泛的应用，工艺路的民用燃料及车用燃料。线根据现场条件和项目需要来制定。合成二甲醚要求煤气中氢与一氧化碳的比6.1合成氨例为1.15: 1~2: 1，每吨二甲醚的煤气消耗合成氨是一项成熟的煤气化及化工合成联产定额为4500m/h。太原东山瘦煤地下气化模型项目。但传统的煤气化工艺普遍采用常压固定床实验表明,采用纯氧-水蒸气地下气化工艺,调节间歇气化法间。过去中国先后引进了鲁奇炉、德气化剂纯氧及水蒸气用量比例，可以生产出廉价士古炉、U-gas炉,这些气化技术存在着投资大、合格的二甲醚原料气，为煤炭转化及二甲醚合运行费用高等缺点,导致合成氨及后续化工产品成开创新的途径。目前“太原东山煤矿煤炭地缺乏市场竞争力。若采用煤炭地下气化提供的原下气化实验工程一年产5 000t二甲醚”项目正料气，则可使合成氨产品成本大幅度降低。目前在实施。“昔阳煤炭地下气化暨合成氨联产”示范工程及63以气体原料合成油技术(又称煤的间接液化)甘肃华亭煤业集团“煤炭地下气化合成氨”项目煤的间接液化在许多国家已进行了工业化生正在实施。华亭气肥煤地下气化模型试验表明，产，合成工艺包括F-T直接合成及MobilI艺通过采用纯氧-水蒸气作气化剂，可以获得合格的合甲醇间接合成。其中的地面煤气化通常采用鲁奇成氨原料气，其(H2+CO)大于60 %。炉或温克勒气化法"。若采用煤炭地下气化工艺6.2合成二甲醚只需将合成气的供给由地面气化改为地下气化，二甲醚(DEM)作为21世纪的世界清洁能源而其他成熟技术都可以保持不变。表2几种以纯氧-水蒸气为气化剂的煤炭气化方法的比较气化方法煤气组成/ %H2_CO2CH4N2Lurgi15.242.130. 99.40.3K-T62.226.88.71.3Texaco49.235. 712.20.41.0KRW43. 231.817. 55.81.253.033. 79.03. 10.8Shell61.530. 61.74.8UCG46. 1724.518.89.010.19表2给出几种以纯氧-水蒸气为气化剂的煤6.4制取纯氢炭气化方法所得煤气的组成比较。由表2可以看氢气已被广泛应用于石油化工、电子工业、出，地下气化煤气从组成上与鲁奇炉加压气化法冶金工业及用作高能燃料等。目前尚无大规模廉及其它先进气化工艺所产煤气有效成分相当，因价制氢的方法，煤炭地下气化制氢可采用两阶段而可以作为合成油原料气应用于生产。地下气化或氧气-水蒸气气化工艺[8-9].化工装备技术应用与发展6.4.1两阶段煤炭地下气化是- -种循环向地从而维持了气化(氧化、还原)区的高温温度场。下气化炉供给空气和水蒸气的地下气化工艺。每在此条件下，二氧化碳及水蒸气的还原速率及还次循环由2个阶段组成:第-阶段鼓入空气，煤原率增大，煤气中氢气和-氧化碳含量增加。层燃烧蓄热，生产空气煤气;第二阶段鼓入水蒸此外，在地下气化长通道中，水蒸气存在下气，水蒸气与炽热的煤炭层相互反应，生成氢的水煤气变换反应加强，煤气中氢气含量会进一气、一氧化碳和二氧化碳，煤气中氢气含量可步增加。高达50%以上，可用于提取不同纯度的氢。两阶表3列出了试验褐煤、瘦煤、气肥煤纯氧-水段地下气化制氢的关键技术是根据地下气化过程蒸气地下气化试结果。由表3可以看出,尽管不同的能量平衡的计算，去确定两阶段的切换时间，煤种的气化反应活性存在差别，当采用纯氧-水从而保证水煤气的产量和质量。蒸气气化工艺,在适宜的气氧比条件下，均可获得6.4.2 采用纯氧-水蒸气气化工艺。由于气化中热值煤气,煤气中氢含量达到40%左右。如果剂中氧气含量的提高，增加了气化煤表面的氧气在现场试验，由于地下气化炉保温条件较好，可浓度，加快了煤的燃烧速率，强化了气化过程,以获得更为理想的数据。表3试验煤种O2- H2O (g)地下气化煤气组成煤种煤气组成/ %热值纯氧量蒸气量煤气量12_COCH4_CO2褐煤43.4427. 564.0423.7110. 423. 05.411.2气肥煤41. 7423. 745. 9026.7810. 563.08.12.3瘦煤40. 2224.933.6130. 039. 533.0，6.010.1注:表中热值单位为MJ/m2;纯氧量、燕汽量、煤气量单位均为: m?h采用纯氧-水蒸气地下气化制氢,虽然煤气洁净 煤技术的重要研究和发展方向。中氢气含量低于两阶段地下气化工艺，煤气及氢气成本较高。但其制氢工艺可以强化气化过程,参考文献实现连续稳定生产，制氡工艺的选择可以通过实[1]罗承先,周书慧，煤的气化技术及其应用[].中外能源.2009(01)际的氢气生产需要来确定。[2]赵元琪、煤气化技术发展与问题探讨([].中国新技术新7结束语产品.2011(08)煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃煤炭[3]沈际群,陈仁辉,徐波.型煤气化的试验研究[J].重庆大学学报(自然科学版). 1994(02)资源，而且还可以用于开采井工难以开采或开采经[4]吕岩.粉谋低温千馏工艺及发展趋势[A].第七次煤炭科济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”学技术大会文集(下册) [C]. 2011[5]李文钊.天然气转化的21世纪展望[A].面向21世纪的科压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层:地下气化燃烧后技进步与社会经济发展(上册) [C]. 1999的灰渣留在地下，减少了地表下沉，无固体物质排[6]王连勇,蔡九菊，王爱华,田红,刘汉桥、煤炭气化技术进展放，煤气可以集中净化，大大减少了煤炭开采和使[A]. 2004全国能源与热工学术年会论文集(2) [C]. 2004用过程中对环境的破坏;地下气化煤气不仅可作为[7]范礼.实施地下煤气化好处多[J].能源基地建设.1999(04)燃气直接民用和发电，而且还可用于提取纯氢或作[8]姜全坤.地下煤气化的新方法一电感 应加热气化法[刀.节能.1981(03)为合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料气。因此，煤[9]徐道一,朱铭,韩 盂,高果.节能减排与煤地下气化的战略开炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益，发[A].第四届环境与发展中国(国际)论坛论文集[C].2008大大提高了煤炭资源的利用率和利用水平，是我国(下转第48页)化工装备问题与对策3.3在对不合格试件(编号SB5220) 按上述取试样6个按标准均合格(具体见表5)，与前数措施进行模拟热处理后，对试件重新制取冲击试据冲击值比较得到大幅提高，说明试件的冷却效样(冲击试样规格10mm x 10mm x 55mm)，共果差 异是直接导致冲击值编号的主要因素。表5试件编号试样缺口位置冲击功(J)合格指标(J)171、176、180、SB5220新焊缝≥24J162、204、1803.4由上述试验结果可以肯定原焊接试件不经对上述方案进行归纳，特对产品焊接试件合格原因是由于空冷时冷却降温速度偏慢导致冲放 置方式进行了具体规定:试件尽量架空高于炉击功不合格，而非由于材料(包括原材料、焊接台不小于0.5m,且采用竖直放置。后续在同材质材料)、焊接(焊接工艺及工艺纪律的执行)和产品制作时未发现冲击功不合格现象，说明原先热处理工艺引起，同时决定对原热处理试件放置对试件冲击功不合格原因分析及改进措施是客观方式进行改进，由原先平放改为立放，以改善试有效的。件冷却效果。后对该试件代表的产品封头重新进行了正火处理(产品试件同炉热处理)，最终未参考文献发现上述冲击功偏低现象。[1]《承压设备焊接工艺评定》NB/T47014-2011(JB/T4708)[2]《压力容器焊接规程》NB/T47015-2011(JB/T4709)4结论[3]《固定式压力容器》GB150.2-2011Analysis for the Reason of Unqualified Welding Test Plate of 16MnDR Head ProductWang Jian dong (Yixing Jiuzhou Head Plate Forge Co, Ltd. Yixing 214212)Abstract: The essay mainly analyze the reasons of unqualified welding test plate about the 16MnDRhead product, investigating each process of manufacturing and determining the factors about the unqualifiedproduct test plate, and solving all the problems successfully by adopting the corresponding measures, layingthe foundation for the smooth delivery of qualified products.Keywords: 16MnDR, head, normalizing, test plate, disqualification(.上接第30页)The Development and Application of Underground Coal GasificationMa Xiao-fei, Wang Yong-bing (Xinjiang Special Equipment Inspection and Research Institute, Urumqi 830013)Abstract: The reserve volume of deep coal seams is huge, but the development and application isaffected by some factors, such as the high water pressure, the high crustal stress, the high gas and the highearth temperature. Therefore, the research and experiment of efficient coal technologies is irreplaceableimportant and significant. The advantages, economic evaluation and product application of UCG are analyzedand summed up. It draws a conclusion that UCG are both economically and environmentally attractive. It willbe an important research topic and the development directions in the field of clean coal technology.Keywords: coal gasification, clean coal, coal gas, UCG