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

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ⅠⅡⅢⅣ

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 mol

Kj 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 mol

Kj 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