煤炭地下气化

研究生课程论文科目：资源开采方法与新技术教师： **** 姓名： ****** 学号：*********** 专业：矿业工程类别：学术型上课时间： 2014 年11月至 2015 年1月考生成绩：阅卷评语：阅卷教师 (签名)重庆大学研究生院制目录绿色开采之煤炭地下气化 (1)1.煤炭地下气化 (1)2.煤炭地下气化原理 (1)3.煤炭地下气化方法 (2)3.1有井式 (3)3.1.1传统有井式煤炭地下气化工艺 (3)3.1.2“长通道、大断面、两阶段”工艺 (4)3.1.3管注气后退式气化工艺 (5)3.2无井式 (5)3.2.1无井式气化法气化通道的贯通方式 (6)3.2.2无井式气化方法生产工艺 (7)4.影响煤炭地下气化的主要因素 (9)4.1煤层赋存条件 (9)4.2气化炉的结构 (10)4.3温度 (10)4.4气化剂 (11)4.5涌水 (12)5.煤炭地下气化技术发展方向 (13)6.结语 (13)参考文献 (15)绿色开采之煤炭地下气化1. 煤炭地下气化煤炭地下气化（简称UCG ）是开采煤炭的一种新工艺。

其特点是将埋藏在地下的煤炭直接变为煤气，通过管道把煤气供给工厂、电厂等各类用户，使现有矿井的地下作业改为采气作业。

其实质是将传统的物理开采方法变为化学开采方法[]1。

2. 煤炭地下气化原理煤炭地下气化工艺可用以下示意图简单描述：煤1234ⅠⅡⅢⅣ图1 煤炭地下气化原理(俯视图)1——鼓风巷道；2——排气巷道；3——灰渣；4——燃烧工作面Ⅰ——氧化带；Ⅱ——还原带；Ⅲ，Ⅳ—干馏—干燥带即首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的巷道1和2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称为气化盘区，亦称地下发生炉。

最初，在水平巷道中用可燃物将煤引燃，并在该巷形成燃烧工作面。

这时从鼓风巷道1吹入空气，在燃烧工作面与煤产生一系列的化学反应后，生成的煤气从另一条倾斜的巷道即排气巷道2输出地面。

这种有气流通过的气化工作面被称为气化通道，整个气化通道因反应温度不同，一般分为气化带、还原带和干馏-干燥带三个带。

⑴气化带，亦称氧化区。

在气化通道的起始段长度内，煤中的碳与气化剂中的氧发生多相化学反应，同时产生大量热能，温度迅速升高至1200-1400C 。

，致使附近煤层炽热和蓄热。

mol Kj CO O C molKj CO O C 4.23122393222+→++→+⑵还原带。

高温气流沿气化通道向前流动到达还原区，这里温度为800～1000℃，二氧化碳与赤热的煤相遇，还原为一氧化碳。

同时空气中的水蒸气与煤里的碳起反应，生成一氧化碳和氢气以及少量的烃类气体[]3。

mol Kj H CO HO C molKj CO C CO 5.1314.1622222-+→+-→+⑶干馏干燥带。

经过还原区的气流温度逐渐降低，以致还原作用停止。

此时燃烧中的碳就不再进行氧化，无氧的高温气流进入干馏干燥区时，热作用使煤中的挥发分和水蒸气析出。

混和煤气一起向巷道2移动，并可进一步热解生成一氧化碳、氢气和轻质烃类。

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 、2H 、4CH 的煤气。

随着煤层的不断燃烧，火焰工作面会连续地向前向上推进，下方的析空区不断被烧剩的灰渣和顶板垮落的岩石所充填，而干燥、干馏、还原和氧化过程是连续进行的，直至该区域内煤炭全部耗尽。

3. 煤炭地下气化方法煤炭地下气化通常分为有井式气化法（又称巷道式地下气化炉技术）、无井式气化法（又称钻井式地下气化炉技术）两类。

有井式气化需进行竖井和平巷工程，如图1。

无井式气化通过钻孔和贯通完成气化炉的建筑，如图2。

3.1有井式有井气化需要预先开掘井筒和平巷等，其典型示意图如图1所示，即首先从地表沿煤层开掘两条倾斜的巷道1和2，然后在煤层中靠下部用一条水平巷道将两条倾斜巷道连接起来，被巷道所包围的整个煤体，就是将要气化的区域，称为气化盘区，亦称地下发生炉。

3.1.1传统有井式煤炭地下气化工艺如图1，即采用爆破松动煤层，用空压机压入高压空气或者富氧的方法进行煤炭地下气化。

前苏联是煤炭地下气化技术的先行者。

20世纪50年代前苏联科学工作者分别在莫斯科近郊煤田和顿涅茨克里希查煤田进行了一系列现场试验。

我国也在头山矿、马庄矿以及刘庄矿进行了一系列现场试验。

试验结果表明煤气生产过程不稳定，煤气质量较差，可燃气体（氢气、甲烷和一氧化碳）组分小，成气热值小且由于传统方法炉型小，燃烧时间较短，被松动的煤层很不均匀，导致难以连续获得可燃气体，难以满足民用及商业用途，这也是传统煤炭地下气化工艺的局限性所在。

表1为河北唐山刘庄煤矿现场试验鼓风煤气组分、热值和产量一览由图表可知，可燃气体体积分数总体低于50%，且产生了大量惰性气体氮气，气体热值仅为4.18~5.863m MJ ,远不及商业石油天然气的标准热值[]6（20C 。

时，天然气低位发热值为33.3673m MJ ）3.1.2“长通道、大断面、两阶段”工艺中国矿业大学(北京)开发了具有我国自主知识产权的“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺。

如图2所示：1、2、3、4—钻孔；5—气流通道；6—气化通道图2：“长通道、大断面”气化炉以钻孔或原有井作为气化炉的进、排气孔，以矿井已有的井巷条件施工气化通道。

由于气化通道是人工掘进的煤巷，因此通道可根据煤层条件而延长，断面相对于定向钻进等方法形成的气化通道断面要大得多。

两阶段工艺则是向气化炉循环供给空气(或富氧空气)和水蒸气，每个循环由2个阶段组成，第1阶段鼓空气燃烧蓄热，并产生鼓风煤气；第2阶段鼓水蒸气发生还原反应产生干馏煤气和水煤气。

在第2阶段，原第1阶段的高温氧化区成为水蒸气分解的还原区，水蒸气分解率提高，生产煤气中氢组分含量明显提高，煤气热值也相应提高，同时该工艺为煤在地下直接制氢开辟了一条新的技术途径。

表2为两阶段法河北唐山刘庄煤矿现场试验所得水煤气组分、热值和产量一览与表1对比可知，在其它条件相同的情况下两阶段法能明显提高产气的可燃气体体积分数、可燃气体的热值以及气体流量，大大改进了煤炭地下气化的效果。

3.1.3管注气后退式气化工艺为改进气流控制方法，柴兆喜等[]7提出了“地面定向钻孔管式注气”。

在矿井中，通过开拓布置井下操作巷、上下钻孔、气化巷、煤气巷等井巷工程构成气化工作面，在气化工作面的气化巷中，每隔20m布置1根注气管，形成单一气化反应器(气化工作面有效尺寸为20m×20m)。

气化反应器的数量可以根据气化工作面气化巷的长度进行灵活布置，在同一气化巷中的多个单一气化反应器构成一个气化炉。

3.2无井式无井式气化法是用钻孔代替坑道，以构成气流通道，避免了井下作业。

无井式气化法的准备工作包括两部分：即从地面向煤层打钻孔和在煤层中沟通出气化通道。

进、排气孔的贯通（即气化炉的建炉）是无井式气化工艺的关键技术。

图3为煤炭无井式地下气化发生炉示意图。

图3：无井式地下气化法（剖面图）3.2.1无井式气化法气化通道的贯通方式根据气化通道的注气方式，无井式地下气化技术可分为2类：渗透式气化和定向孔气化。

气化通道的贯通方法也有渗透法和定向钻孔法。

3.2.1.1渗透法（1）.常压火力渗透贯通法：钻孔打好以后，在一个钻孔用引燃物将煤点燃，从另一个钻孔压入空气，空气借助煤层中的自然裂隙渗透到点火钻孔，于是火焰迎着风流方向蔓延，最后将两个钻孔烧通。

本法要求煤层中有较多的天然裂隙，气化褐煤是常用。

（2）.高压火力渗透贯通法：当煤层透气性较差，不能利用一般鼓风机的风压实现贯通时，可采用高于贯通地点岩石压力的鼓风压，以便冲破煤层，造成大量人工裂隙，进而实现火力贯通。

（3）.电力贯通法：电力贯通法是将电极通过钻孔插入煤层，通以高压电，在电流热力的作用下，使煤层的结构和物理性质发生变化，形成多空的透气性很强的焦化通道。

然后再用高压空气将通道扩大。

（4）.水力压裂法：即通过钻孔往煤层内注入高压水，压裂煤层，提高煤层透气性。

3.2.1.2定向钻进贯通法这种方法是采用定向钻进技术，即打拐弯钻孔。

打垂直孔至煤层深度，然后沿煤层水平钻进与另一垂直空贯通。

定向钻进优点为贯通速度快，电耗小，通道面规整，方向性强;缺点是成本高，但有发展前景。

表3给出了五种贯通方法的经济技术指标比较：3.2.2无井式气化方法生产工艺3.2.2.1渗透式气化当采用火力渗透贯通气化通道时，要在无气流流动的钻孔底部点火，即盲孔中点火。

按照通风方式的不同又可分为正向供风和反向供风。

如图4：123123(a)(b)图4，正向供风和反向供风作业方式（1）. 正向供风作业：如图4（a ）所示，首先贯通第一排钻孔，随后将第二排钻孔与第一排的点燃线贯通，贯通后即可气化。

气化时先由第一排钻孔鼓风，由第二排钻孔排出煤气。

第一二排钻孔之间的煤层进行气化的同时，贯通第二三排钻孔。

当一二排钻孔间煤气热值降到最低标准时，就开始把第三排钻孔投入生产，此时由第二排钻孔鼓风。

余下各排钻孔以此类推。

这种方式煤层的气化方向与鼓风和煤气的运动方向相同，所以称为正向供风作业。

[]2（2）. 反向供风作业：如图4（b ）所示，首先贯通第一排钻孔，形成一条燃线。

然后将第二排钻孔与此点燃线贯通，贯通后即可气化。

气化是向第二排钻孔鼓风，由第一排钻孔排煤气。

反向供风作业方式特点为：煤层气化方向与鼓风和煤气运动方向相反。

中国矿业大学(北京)曾在江苏徐州马庄煤矿进行了火力渗透气化试验。

气化通道形成后，先后采用了正、反向供风气化工艺，生产出合格的鼓风煤气。

不同工艺条件下的煤气成分含量见表4，产气规模平均为1760d m 3。

煤气热值均为3.533m MJ 。

由表4可看出，正向供风气化和反向供风气化在成气质量上不相伯仲。

但后续的试验表明，正向供风作业能够利用煤气的余热，使煤层受到预热，因而能够改善气化过程，提高煤层气化程度，从而使煤的气化成本降低。

3.2.2.2定向钻进气化随着定向钻进技术的发展，定向孔长度可达到150m 以上，因此可形成长壁式气化通道，使煤炭地下气化技术有了很大提高，目前在世界上被广泛采用。

但由于定向钻孔断面小，因此形成的长壁式气化通道易堵塞，且温度不集中。

其中，美国开发了控制后退供风点 (CRIP)气化工艺，以液氧作为气化剂，生产中热值煤气，并完成了现场试验。

CRIP气化工艺示意图如图5：图5：控制后退供风点气化4.影响煤炭地下气化的主要因素煤的地下气化是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底板的赋存状态。

影响煤炭地下气化过程的主要因素，可从煤层赋存条件、气化炉结构、工艺条件、气化炉运行状况进行分析。