煤炭地下气化技术研究与应用

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1991-1998)
徐州新河矿(“长通道,大断 面,两阶段”工艺,有井式, 1994) 新汶孙村矿,鄂庄矿(有井 式,2000) 唐山刘庄矿(“长通道,大断 面,两阶段”工艺,有井式, 1996)
• 顿巴斯煤田(前苏联技
术,1932)
• 南阿宾斯克(前苏联技
术,运行40年)
• 安格林气化站(前苏联
技术,运行50年,运行中
灰 熔 点
气 化 活 性
硫 分 D6
着 火 点








D8
D9
D10
D11
稳 定 性








D13
D14
D15
D16
勘 查 程 度
D4
D5
D7
D12
D17
<5
30
5.01-10 90
10.01-20 80
20.01-30 70
30.01-40 50
40.01-50 0
<55 50 55.01-60 75 60.01-77 90 77.01-90 80 >90.01 30
)
• 南非Eskom(“UCG”技术,2007)
• Carbon Energy(美国CRIP
改进技术,试验中)
• Linc Energy, Cougar
Energy(加拿大Ergo公司
“UCG”技术,试验中)
2 煤炭地下气化技术体系
煤炭地下气化技术体系
气化原理图 进气孔
辅助孔
排气孔
反应区变化示意图
热值 MJ/Nm3 8.5~9.5 9.6~11 9.5~10
2 煤炭地下气化技术体系
2.2 气化工艺
前分苏离联 控煤 制炭 注气地点下后气退化-水炉雾结化构 煤炭地下气化技术
Discrete Control Technology of Receding Injection Point and Water
6
2 煤炭地下气化技术体系
新 工 艺 地 下 气 化 炉
工艺类型:矿井式(有井式) 工艺类型:钻井式(无井式)
煤矿开采技术和煤气化技术的结合 石油钻井技术和煤气化技术的结合
中国矿业大学(北京)于1984年成立了煤炭工业 地下气化工程研究中心。
2 煤炭地下气化技术体系
模型试验平台
监控系统
煤气净化和改制系统
1背 景
技术优势
煤炭地下气化过程
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产生可燃气体的过程。它集建井、 采煤、气化三大工艺为一体,变传统物理采煤为化学采煤。
高效:可回收老矿井遗弃煤炭 资源,开采低品位、难采和深部 煤炭资源;提高资源利用率; 安全:实现了地下无人生产, 避免了人身伤害和各种矿井事故 的发生; 环保:矸石、灰渣留在地下, 减少了地表塌陷。
◆中国的煤炭资源开采现状
遗弃的煤炭资源: 超过500亿吨 低品位煤: 褐煤, 高硫煤
“三下”压煤 深部煤炭资源: 主要是埋藏深度在1000米以下的资源(约2.7万亿吨)
◆中国环境现状
地表塌陷量: 300,000 公顷 煤矸石的累积: 覆盖12000公顷的区域, 约30亿吨 煤燃烧排放物: 占SO2 总排放的87%,占CO2总排放的71%,占NOx 总排放的67%,占灰尘 总排放的60%,雾霾
产业推动:提高煤炭利用价值 ,为冶金、建材等行业提供廉价 的燃气,带动煤炭、电力、化工 等传统产业发展。
全球地下气化发展历史
•汉那(LVW-
RCL,1971)
•Hoe Creek(LVW-
RCL,1972)
•落基山1号(CRIP
技术,1987)
• 波兰斯扎煤矿(“有井式”,1960) • 比利时图林(CRIP技术,1979) • 英国Newman Spinney (U型炉,1958) • 英国巴通(有井式,盲孔炉,1959) • 西班牙El Tremedal (“CRIP”技术,
2 煤炭地下气化技术体系
2.2 气化工艺
煤种 褐煤 烟煤 无烟煤
煤种 褐煤 烟煤 无烟煤
空气煤气组成及热值
H2 16.15 9.28 9.50
CO 3.52 12.32 15.00
煤气组成/%
CH4 3.50
CO2 19.68
5.82 18.40
3.01 18.50
O2 0.20 0.10 0.15
煤炭地下气化技术研究与应 用
内容
1 1 背景 2 2 煤炭地下气化技术体系 3 3 矿井式地下气化试验 4 4 钻井式地下气化试验 5 5 煤炭地下气化技术评价与应用前景
6 结束语
1背 景
◆ 中国能源现状
石 油: 还能使用20至30年, 到2020年缺口达45% 天然气: 2015年缺口达43%以上 煤 炭: 在今后很长一段时间内仍然以煤为主
Atomization for UCG(DCRA)
垂直孔压裂
褐煤-富氧CO2-顶板淋水
控制注气点后退
a-渗滤通道;b-自由通道(初始通道高度是煤层高度的1/4) 1-自由通道;2-反应区;3-煤层
2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律—温度场
2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律
(1)自由通道
a-点火10h
<5° 90 5-25° 85 25-45° 70 >45° 50
0 70
稳定 100
1-3 90 较稳定 80
4-8 80 不稳定 30
>8 50 极不稳定 0
一类 100
<10 0
二类 80 10.01-20 60
三类 50 20.01-30 85
四类 0
>30.01 100
<7 100 易冒落松软顶板 60
<5 100 6-50 80 50-65 60 >65 0
<1100 60 1100-1250 80 1250-1500 90
>1500 100
<15 0 15-30 60 30-60 85 >60 90
<0.5 100 0.51-1 95 1.01-1.5 90 1.51-2 85 2.01-2.5 80 2.51-3 75 >3.0 60
模型试验研究平台
参数采集与分析系统
2 煤炭地下气化技术体系
煤炭地下气化技术体系
煤层条件
气化开采煤层资源评价体系
煤炭地下气化基础理论研究
地质水文条件
实体煤层燃烧气化 特性及其演化规律
高温煤岩性质及 燃空区扩展规律
污染物富集及 迁移规律
计算机模拟及 仿真
煤炭地下气化工程技术开发
气化炉结构设 计与施工技术
b-点火20h
自由通道富氧(60%)-CO2连续气化过程温度场演化
气化工作面沿气化通道(横向)扩展速率远大于沿煤层(纵向)扩展速率。平均横纵速率比 为7.42:1。当纵向扩展速度比达到12.5:1时,煤气有效组分降至34.87%,说明反应条件变差。
15
2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律—温度场
<300° 70 300-400° 90 400-550° 80 550-700° 70 >700° 60
<50 0 50-100 50 100-200 85 200-300 90 300-400 85 400-500 80 >500 30
<1.3 0 1.3-3.5 60 3.5-8 90
8-12 95 >12 80
(2)渗流气化温度场分布与扩展
(3)分离控制注气点后退-水雾化气化(DCRA)温度场扩展
渗流气化横纵扩展速率比为(3.13-3.64):1,小于自由通气化横纵扩展速率比。 DCRA气化工艺横纵扩展速率比为(0.25-1.14:1),小于自由通16道和渗流气化过程。
2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律—浓度场
浓度场
自由通道气化出口煤 气组分
50
45
40
煤气组分/%
35
30
25
20
15
渗流气化出口煤
10
气组分
5
0
0
H2 % CO % CH4 %
30
60
17 点90火时间1/20h
150
180
210
2.3 煤层地下气化过程特征场演化规律—浓度场
(a)煤气有效组分含量
(b)煤气热值
DCRA气化过程出口有效气体组成及热稳定性特征
灰渣
气化通道
C+O2
CO2+Q
C+1/2 O2
CO+Q
CO+1/2 O2
CO2+Q
氧化带
CO2+C H2O+C CO+ H2O C+2 H2
还原带
CO—Q H2+CO—Q
H2+CO2+Q CH4+Q

CH4
+ H2
+ H2O
+……
干馏干燥带
气化煤层 气流通道
特点:(1)地面气化气固相可以在小颗粒条件下均匀接触,而地下气化是在不均匀的大尺度煤 块中完成气固反应;(2)地下气化料层(煤层)不发生移动,而是气化工作面随时间和空间移动, 反应区面积不断变化;(3)地下气化过程当反应区扩展到一程度后,导致顶板冒落,地下水进 入气化区,影响气化区温度,同时导致气化污染物扩散,影响地下水环境。
N2 56.95 54.08 53.84
富氧煤气组成及热值(氧浓度93%)
H2 36~45 33~42 35~45
CO 20~30 25~35 25~35
煤气组成/%
CH4 1~5
CO2 25~35
4~10 20~25
2~8 25~30
O2 0.05 0.15 0.10
N2 1~3 2~3 1~3
热值 MJ/Nm3 3.90 5.02 4.34
0.24 0.14 0.19 0.23 0.20 0.11
0.14 0.18 0.13 0.16 0.17
89.87 良好
二级权重输入和评价结果输出窗口
采用模糊两级综合评判法对结果进行评价。评判总值大于80的,适合进行地下 气化;评判总值大于50小于80的,比较适合进行地下气化,评判小于50的,不适 合进行地下气化。
系统管理
知识库管理
灰色推理机管理
知识库预警
灰色预测
反馈自动控制
门户网站
“状态可视化”软件
运行支撑
安 全 保 障 体 系
应用功能
标 准 规 范 应用支撑 体 系
数据管理
配置服务 管理
数据模拟 服务
场图展示 服务
8-15 90
中等冒落顶板 70
16-30 80 难冒落坚硬顶板 80
>30 30 极难冒落坚硬顶板 90
软弱性弯曲顶板 80
普查 0 详查 10 精查 80 勘探 90
适合 >80
较适合 50.01-80
不适合 <50
2.1 煤炭地下气化地质评价模型—应用实例
(三)地质评价模型软件开发
0.17 0.26 0.17 0.20 0.20 0.11
储量
储量评估依据为根据煤气产量
计算服务年限,考虑投资经济
性。理论上讲,矿区储量越大
,服务年限越长,具体情况视
设计要求1而0 定。
10
2.1 煤炭地下气化地质评价模型
(二)地质评价模型
评价体系
环保B1
水文B2
地质B3
安全B4
B5
Bn
煤质C1
煤层情况C2
地质情况C3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
灰 分
碳 含 量
粘 结 性
D1
D2
D3
网络传输 测控系统构成
信号转换 信号传输 动力系统 执行机构 执行反馈
2.5 煤炭地下气化测控与分析技术
地下气化过程测控与分析系统整体框架与构成
2.5 煤炭地下气化测控与分析技术-专家分析
(三)专家分析技术
(1)专家知识处理系统开发架构
煤炭地下气化专家系统 UCGES 总体架构 数据库(存储知识条目和系统配置数据)
❖ H冒= 13m~14m X ❖ H裂= 30~40m
❖ 顶板为软岩
2 煤炭地下气化技术体系
2.5 煤炭地下气化测控与分析技术
(一)系统总体架构
仪表系统 采集系统 分析系统
控制系统
温度、压力 流量
煤气组分 燃烧区扩展 污染物含量
信号转换 信号传输 显示、报警
存储 数据库
气化机理 实验数据 数学模型 专家系统 控制参数
气化工作面综 合探测技术
燃空区扩展及 水控制技术
气化过程稳 定控制工艺
污染物监测 与控制技术
动态监测与分 析控制技术
设计、施工、运行技术规范,能效、环境、经济全生命周期评价模型,煤炭地下气化工艺包 产业化示范与推广
2 煤炭地下气化技术体系
2.1 煤炭地下气化地质评价模型
(一)影响因素
煤层埋深
主要和环保、气闭性有关。埋深太 浅,气闭性差,造成环境污染;煤 层埋深过深,则建炉成本增高;根 据现场试验及国内外资料表明: 200-1200m较适合地下气化。
DCRA气化过程有效气(H2+CO+CH4)含量在59%-75%之间,平均67.03%,高于自由通 道和渗流(有效气含量在48.50~51.15%之间,平均49.83%,)1的8 25.66%。
2 煤炭地下气化技术体系
2.4 燃空区扩展
y
H0
Xi
LH
Xi
L0
氧化区
灰渣
氧化区
❖ 燃空区净高度 = 6m,
夹矸情况
主要考虑夹矸层数、单层厚度 等。煤层夹矸过多,单层夹矸 厚度过大影响气化稳定性,热 效率低,经济性较差;夹总厚 度小于煤层厚度的20%。
地质构造
主要影响因素为褶皱、断层 、岩浆岩等,其中断层对地 下气化的影响最大,断层带 易发生导水裂隙,产生环境 问题,要求不能断开煤层。
煤层厚度及粘结性
煤层厚度决定钻井和气化工艺 的具体实施 ,煤厚过薄,时围 岩的冷却作用对煤气热值的影 响剧烈;经济性不合理;煤质 的粘结性不能过高。
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