煤炭地下气化技术可行性分析与建议

（2）辽河油田具有开展无孔式地下气化的设备 与技术优势





辽河油田具有先进的钻井设备，7000 m、5000m、 3200 m、2000 m等一系列不同功率钻机可以满足 任何情况下的钻井施工。 MWD、LWD的引进可以解决煤层内几个井眼贯通的 技术要求和井眼在煤层中的准确位置。 完善的泥浆体系，解决了在煤层中钻进的井眼保护 问题。 先进的压裂设备可以解决在水平井和垂直井没有完 全贯通情况下的煤层内压裂贯通问题。 深部煤层地下气化过程要求全面的地质勘探、定向 煤层钻进及其监测、控制设备。油气工业丰富的设 备及技术，可以服务于现代地下气化过程。高分辨 的三维地震调查以及利用钻孔的地震分析可以对煤 层进行高分辨的勘探。
2、辽河油田深部煤层地下气化工艺 问题


欧洲地下气化现场试验表明，基于煤层定向钻进技术的受控后退 注入式地下气化工艺CRIP是目前深部煤层地下气化最可行的技术 方案，其关键技术是煤层定向钻进及其受控后退注入技术CRIP。 根据辽河油田深部煤层赋存条件和钻井技术条件，十分适合采用 CRIP技术工艺。 CRIP技术是由石油和天然气行业开发的。一个钻孔注入井钻进到 煤层中，另一个钻孔垂直生产井尽可能在煤层下部与注入井接通， 形成一个连续气化通道。钻完井之后安装同心套管，以提供产气 和注气的通道。
我国煤炭地下气化开发和应用情况
（三）国内外煤炭地下气化存在的主要问题



由于地下气化生产和煤气成本比现有天然气和石油等 原料高，因此地下气化在国外的发展受到限制。 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。
煤炭地下气化技术 可行性分析与建议
一、煤炭地下气化原理与方法


煤炭地下气化UCG（underground coal gasification）是将地下的 煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃 气体或原料气的过程。 煤炭地下气化集建井、采煤、转化工艺为一体，开发清洁能源与 化工原料，改传统的物理采煤为化学采煤，提取煤中有用含能组 分，实现煤炭清洁开采，具有安全性好、投资少、见效快、效益 高的优点。 煤炭地下气化因具有突出优点，深受世界各国的重视，被誉为第 二代采煤方法。早在1979年联合国“世界煤炭远景会议”就指出： 发展煤炭地下气化是世界煤炭开采的研究方向之一，是从根本上 解决传统开采方法存在一系列技术和环境问题的重要途径。为此， 世界各国相继投入了大量人力、物力进行研究和开发，取得了一 定成果。1992年我国制定的科学技术中长期发展纲要“白皮书” 明确提出:“到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化 试验研究”，并“建立商业性煤炭地下气化站”。




1976年，比利时和原西德签署了深部煤层地下气化试 验协议，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。 1978~1987年，在比利时的图林（Thulin）采用高压 气化进行现场试验，试验生产的煤气用于发电。采用 小直径定向钻孔和CRIP工艺，试验基本成功。 1991年10月到1998年12月，6个欧盟成员国组织成立 了欧洲地下煤炭气化工作组，在西班牙特鲁埃尔 （Teruel）对地表下深500~700m，厚度为2m的煤层 采用定向钻孔和CRIP工艺进行现场气化试验，煤气热 值达10.9MJ/m3。这次试验解决了一系列技术问题， 工作组准备在此基础还将进一步进行商业规模的试验。 英国、澳大利亚、日本、新西兰、印度、泰国、朝鲜 和乌克兰等国也对地下气化进行了研究或开发工作。




美国地下气化研究试验投入了大量资金。 七十年代能源危机期间，组织了28个大学和科 研机构，在俄怀明州进行了大规模、有计划的 科研工作。 到80年代中期，累计进行了29次实验室和现场 实验，气化煤炭4万t，纯氧气化煤气热值最高 达14MJ/m3。 1987年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在洛基山 1号进行注入点控制后退（CRIP）气化新工艺 试验，它是地下气化技术的一种新模式，是 UCG技术的一项重大突破。 与此同时也进行了扩展贯通井孔（ELW）模式 试验，气化的气化剂采用了富氧/水蒸气或氧 气/水蒸气，获得了不同组成的中热值煤气。
2 停滞阶段：

因绝大部分试验是依据自然条件进行的，试验和应 用与生产脱节，地下气化所生产的煤气未能真正发 挥作用，因此1962年以后基本上停止了试验。
3 发展阶段：





1985年，徐州马庄矿进行地下气化现场试验取得成功后，国 内地下气化试验受到重视，尤其在20世纪90年代中后期进入 了一个快速发展时期。 1994年以后，徐州新河煤矿的半工业性试验、唐山刘庄煤矿 的工业性试验、依兰及鹤壁等煤矿的“小型矿井式煤炭气化 技术”工业性试验等研究成果相继通过部、省级鉴定，从此 地下气化开始进入工业性试验阶段。 2000年，山东新汶“孙村煤矿地下气化技术研究与应用项目 在工艺技术上取得了多项进展。其主要特点是利用报废煤层 建立气化炉，煤气经净化后通过原输送管网供应给用户，从 而建立了工业生产规模的地下气化生产煤气、煤气净化和贮 存输送系统，为1万多户居民和若干台锅炉连续提供燃气，实 现了地下气化从试验到应用的新突破。 随后，新汶矿业集团公司协庄煤矿等6个炉先后点火运行，生 产的煤气用于民用和内燃机发电，目前新汶矿业集团公司是 我国生产规模最大的地下气化企业。 目前，建设和规划中的山西阳曲青龙矿、晋中义堂煤矿、山 东龙口北皂矿、肥城曹庄矿、内蒙古平庄矿、河南鹤壁三矿、 甘肃华亭煤矿、兖州“三下”煤和高硫煤“矿井气化”等煤 炭地下气化工程的建成，必将推进我国的煤炭地下气化工程 建设。
（5）加强基础理论研究。包括地下气化反应动力学、气 化过程传质、传热、能量传递、过程数学模拟及预测、 气化炉周边变化规律等，以期对现场应用起到指导作 用。 （6）地下气化炉的安全问题。隔断密封措施，防止煤气 泄漏；相应防爆、防火设施；对地下水量大的气化炉 采取相应排水措施；及时处理气化范围燃空区冒顶及 塌陷问题。 （7）因地制宜开发多种类、多型号地下气化技术。针对 不同煤层及周边环境、用户需要煤气规模大小，设计 不同类型、不同规模的地下气化炉，并走上标准化道 路。 （8）加强地下气化过程对环境影响的研究。包括煤气泄 漏情况、地下气化对地下水和地面环境的污染、地表 塌陷问题等。
① 有利于深部煤炭资源低成本回收； ② 可以采用较高的气化压力； ③ 操作灵活； ④稳定气化时间较长，有利于工艺控制。
四、辽河油田煤炭地下气化 需要解决的主要问题
1、辽河油田深部煤层地质勘探与精 细勘测问题



与地面气化炉生产过程不同，煤炭地下气化用煤是地 下自然赋存条件下的煤层，气化的稳定与气化效率受 煤的渗透性、膨胀性、胶结性、热传导率和热扩散系 数的影响较大。 因此需要研究辽河油田深部煤层地质条件如煤的渗透 性、膨胀性、热传导率、热扩散系数、地下水、煤层 顶、底板岩石性质、煤层构造及煤的结构等因素对地 下气化的影响。 煤炭地下气化的效益在很大程度上取决于地区地质构 造的研究程度。总的要求是要确切搞清地下气化地区 的地质构造、煤层的贮存状况、产状、厚度、煤质情 况以及水文地质情况，即矿床的勘探程度要达到建竖 井所需的详细勘探要求。
2、无井式


无井式地下气化方法只需在地面上钻孔 以及钻孔之间煤层的贯通。 无井式地下气化有单孔式和渗透式两种 方式。
3、地下气化站地面系统组成



钻机及贯通设备 鼓风和蒸汽系统 煤气冷却净化系统 煤气输送管道 计量系统
二、国内外煤炭地下气化发展 现状和趋势
（一）国外煤炭地下气化技术发展现状
国外重要的煤炭地下气化试验 和典型煤气组成
（二）我国煤炭地下气化技术发展现状
1 现场试验阶段：


1958年，我国在山西大同、吉林蛟河、黑龙江鹤岗 兴山等煤矿进行了地下气化试验，生产出可燃煤气。 1959年9月28日，在安徽广德独山东川岭建立煤炭 地下气化站，同年12月14日获得可燃煤气，供小型 煤气机和蒸汽机发电。



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年俄国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地下 气化技术在英国取得专利权。 1912年，英国化学家威廉· 上南姆塞在达勒姆煤田首次 进行地下气化试验。 1933年，前苏联开始进行地下气化现场试验。 并在1940~1961年先后在莫斯科近郊煤田和顿涅茨克 煤田等地建成5个试验性气化站，已气化了1500多万t 煤炭，获得50多亿m3的商品煤气。
（3）辽河油田深部煤层地下气化的优势与特点


目前我国煤炭地下气化技术主要用于浅部煤层地下 气化，地下气化煤层的深度为200m～300m。技术 特征主要表现为人工井巷掘进构建气流通道及地下 气化通道，在井下设置点火煤堆及点火装置，同时 采用井下排水措施；另一特征为低压气化，目前的 现场试验压力范围为10kPa～20kPa左右。 辽河油田气化煤层属于深部煤层地下气化，与浅部 煤层地下气化相比，深部煤炭地下气化具有以下优 势和特点：
气化过程的化学反应
（1）氧化区： 气化剂中的氧和炽热的煤中碳发生多相化学反应产生并释放 出大量的热： C+O2=CO2+393.9 kJ 2C+O2=2CO+231.4 kJ （2）还原区： 气流继续向前流动，CO2和H2O在炽热的煤层表面分别发生还 原反应： CO2+C=2CO―162.4 kJ H2O+C=H2+CO―131.5 kJ 甲烷化反应：CO+3H2=CH4+H2O―206.4 kJ （3）干馏干燥区： 无氧的高温气流进入干馏干燥区，热作用使煤层中的挥发物 质析出，形成焦炉煤气（可燃组分主要是H2、CO和CH4）。