煤炭地下氣化工藝

1、煤炭地下氣化工藝煤炭地下氣化是一種直接把煤在地下氣化的采煤方法。利用它可獲得熱能，電能或各種化學(xué)產(chǎn)品。本采煤方法可解除礦井內(nèi)的人員，礦工繁重的、不安全的勞動(dòng)；可建立一個(gè)環(huán)保潔凈的企業(yè)，這一工藝一百多年來吸引了多少研究工作者想把它會(huì)付諸于現(xiàn)實(shí)。目前有關(guān)煤層地下氣化發(fā)展前景的資料很多；但其作者對(duì)工技術(shù)的評(píng)價(jià)眾說紛紜。俄羅斯在煤層地下氣化技術(shù)方面在世界上是處于領(lǐng)先地位。早在三十年代初就在二個(gè)煤田；順涅茨克、庫(kù)茲巴斯和莫斯科近郊開始了實(shí)際工作。第一批試驗(yàn)是在地底下建立層狀的氣化爐、以獲取動(dòng)力氣體的水蒸氣。在四十年代末在戈?duì)柭宸虺恰⒗锵２槌呛投爬墙ǔ闪说谝慌I(yè)試驗(yàn)性的地下氣化站。當(dāng)時(shí)采用直井式和半直

2、井式的氣化方案，由于查明直井式方案有一系列原則缺點(diǎn)，所以后來就指定采用無井式方案。通過實(shí)際研究表明，采用氣流法能把原煤層氣化。地下氣化的過程由下列主要階段組成：從地表向煤層鉆進(jìn)垂直的、傾斜的和定向傾斜鉆孔。為了實(shí)現(xiàn)氣化過程，將鉆孔底端在煤層中貫通。將煤層點(diǎn)燃使煤體氣化：無井式方案揭露煤層的實(shí)質(zhì)就是在煤層上相隔一定距離鉆進(jìn)進(jìn)氣孔和出氣孔。氣化過程中吹入的氧氣與煤層的碳作用，生成二氧化碳、一氧化碳、然后是氫；此外，在氣體中還有其它可燃物質(zhì)；甲烷，不定的碳?xì)浠衔?，硫氫化合物。進(jìn)、出氣孔按一定的網(wǎng)格布置形成地下氣化爐，在地表設(shè)有壓送氣化劑，例如“空氣、富氧空氣的管道和把氣體輸送到凈化和冷卻設(shè)施的管道

3、以及相應(yīng)的設(shè)備和廠房。采用洗滌裝置進(jìn)行氣體的凈化，地下氣化站可以同時(shí)或單獨(dú)產(chǎn)生動(dòng)力氣體和進(jìn)氣體黔簡(jiǎn)單的氣體方案是采用空氣作為氣化劑，其工藝示意圖見圖1。所得氣體的組成及熱值取決于煤層埋藏的工藝條件、煤的質(zhì)量、氣化劑的成分以及氣體凈化程度。當(dāng)采用空氣作用氣化劑時(shí)，理論計(jì)算氣體熱值不會(huì)大于4.4MJ/m3（1050大卡/m3）；由于水蒸氣和煤的其它有機(jī)物質(zhì)的參于氣化過程。使熱值達(dá)到4.65.0 MJ/m3（11001200大卡/m3）；當(dāng)采用富氧氣化劑時(shí)（含65%的氧），熱值可提高至6.7MJ/m3（1600大卡/m3）；所以地下氣化時(shí)所得到的是低值熱氣體。歡迎下載圖1 煤炭地下氣化站工藝流1公斤

4、煤能氣化成1.55.5m3的煤氣。整個(gè)氣化過程以及燃燒熱的維護(hù)是通過調(diào)整進(jìn)、出氣量，對(duì)于地下氣化的控制是通過工藝、地質(zhì)和測(cè)定的方法。二次大戰(zhàn)后又恢復(fù)了地下氣化工作，當(dāng)時(shí)主要注意力集中在燃料再處理的化學(xué)工藝，礦山和鉆探工作，地下流體和氣體動(dòng)力學(xué)、水文地質(zhì)、設(shè)計(jì)專用機(jī)械設(shè)備。從1949年至1964年，從事煤層地下氣化問題的單位有全蘇地下氣化研究所和地下所氣化地質(zhì)研究設(shè)計(jì)院以及18個(gè)科學(xué)分析有關(guān)研究所。在此階段，設(shè)計(jì)和投產(chǎn)的有1955年“南阿賓斯克”站，設(shè)計(jì)能力為5億m3/年（相當(dāng)于25噸庫(kù)茨涅茨煤），1958年“沙特卡亞”站，產(chǎn)量為6.6億m3/年（相當(dāng)于25噸莫斯科近郊褐煤），1961年“安格林

5、”站，產(chǎn)量為23億m3/年（相當(dāng)于50噸煤）；還有在頓巴斯煤系和高濕潤(rùn)性的第聶伯爾煤田建的“卡敏斯克”和“西涅尼柯夫”氣化試驗(yàn)站。經(jīng)過研究和工業(yè)性的試驗(yàn)工作證明了無井式氣化褐煤層厚度從2m至22m，埋深從30m至250m；煙煤層厚度為0.6m至10m，埋深從50m至400m。在六十年代初發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模天然氣，改變了國(guó)家能源利用的結(jié)構(gòu)。天然氣與石油氣產(chǎn)品成為主要燃料，從這以后煤層地下氣化工作大大縮減。從1973-1974年，整個(gè)資本主義世界發(fā)生了經(jīng)濟(jì)危機(jī)、重新引起了對(duì)地下氣化的注意力。由于石油、天然氣的減少以及未來對(duì)能源需求增加。煤在未來的動(dòng)力和工業(yè)中的作用越來越顯著；還應(yīng)注意到，在資本主義發(fā)達(dá)國(guó)

6、家中，化學(xué)工業(yè)對(duì)液態(tài)和氣態(tài)的碳?xì)湓系男枨?，?jù)預(yù)測(cè)至2000年，將達(dá)到總產(chǎn)量的20-50%。對(duì)燃料需求的增加不得不設(shè)法提高煤的利用，最理想工業(yè)能源可能就是地下氣化出來的氣體。在俄羅斯積累了多年從事煤層地下氣化的經(jīng)驗(yàn)。例如“南阿賓斯克”站正常工作了36年，而“安格林”站正常工作了32年?！鞍哺窳帧闭镜臍怏w熱值為3.13.4 MJ/m3（740810大卡/m3）；而在“南阿賓斯克”站為3.44.2MJ/m3（8101000大卡/m3）?！鞍哺窳帧闭旧a(chǎn)的氣體供給安格水力發(fā)電站，“南阿賓斯克”站供應(yīng)基西列夫斯克城10個(gè)取暖鍋爐，“南阿賓斯克”站主要用“基西列夫斯克伯洛柯彼夫斯克”煙煤（庫(kù)茲巴斯），共

7、23層，厚2m6.5m，埋深50m300m，傾角3536，煤的牌號(hào)。該站的工藝流程見圖2，它包括高壓（至7.0MPa）壓縮空氣裝置，用于貫通；中壓（7.0MPa）裝置，用于形成氣化通道；低壓（0.250.46MPa）裝置，用于維持燃燒煤層。低壓空氣輸送至地下氣化爐內(nèi)，經(jīng)過燃燒形成氣體，原生氣體進(jìn)入地表洗滌裝置，經(jīng)噴水冷卻至2030，同時(shí)從氣體中分離灰屑、油脂物：CO2和H2部分被洗滌。冷卻后的氣體即可經(jīng)管道供給用戶，用于冷卻的水在洗滌循環(huán)中反復(fù)利用那里有冷卻塔和沉淀池等專用裝置，水的苯酚層在開式沉淀池中，經(jīng)過脫酚后變?yōu)閺U水排放，為了冷卻空壓機(jī)和輸送管道采用標(biāo)定圖2 南阿賓斯克地下氣站工藝流程該

8、站的設(shè)計(jì)能力為5億m3/年，而成本為1.8盧布/1000m3（12.6盧布/噸煤），1965年實(shí)際最大產(chǎn)量達(dá)4.5億m3/年（相當(dāng)于氣化19萬噸煤/年）。安格林站位于塔什干地區(qū)，用的是安格林褐煤，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為23.2億m3，被氣化煤層厚度從3m29m，埋深120m250m，其特點(diǎn)是煤層和有熱質(zhì)的砂巖和粉砂巖圍巖含有極低的含水量和滲透性，煤層上面有一層厚為60m100m的隔水層。在地下氣化爐范圍內(nèi)，從地表相隔15m20m鉆有垂直孔，鉆孔內(nèi)下入套管，管外用水泥加固。除揭露煤層的垂直孔外，還有傾斜水平孔，僅在巖石部分下入套管，在煤層中鉆孔的貫通借助3.06.0MPa壓力，吹入空氣氣化時(shí)采用低中壓（0

9、.20.6MPa），參與氣化的是煤，空氣中的氧氣和煤的水份。最大產(chǎn)量達(dá)14.10億m3（相當(dāng)于氣化52噸煤）。工作過程相當(dāng)穩(wěn)定，證明采用空氣吹孔在不同的礦山地質(zhì)條件下可達(dá)400m的深度，在地表綜合解決了氣體的除硫化氫的凈化工作，獲得了寶貴的化工原料（次亞硫酸鹽和硫和脫酚的排放水）。至1994年初，氣化站消耗了146百萬噸煤，獲得了500億m3氣體，用于動(dòng)力、取熱和獲得化學(xué)產(chǎn)品。煤層地下氣化與常規(guī)傳統(tǒng)采煤相比表明一系列技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：解除了地下礦工的繁重勞動(dòng)；排除了含高廢渣燃料的運(yùn)輸，地表的灰渣堆以及含硫灰塵和硫酸物的污染；可開采不受灰分和煤層厚度以及復(fù)雜礦山地質(zhì)條件限制的煤層；可實(shí)現(xiàn)工藝的全部自動(dòng)化

10、和機(jī)械化；可獲得用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)寶貴的化學(xué)產(chǎn)品；與建設(shè)深的豎井來比可養(yǎng)活基本投資。阻礙廣泛應(yīng)用地下氣化技術(shù)的因素有：低的化學(xué)和能量氣化有效利用系數(shù)；與天然氣相比低的熱值；穩(wěn)定地下氣化產(chǎn)出氣體的組分過程比較復(fù)雜；綜合利用和排除氣體所含的物理熱能問題比較復(fù)雜；還缺乏對(duì)煤層地下氣化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法。雖然存在上述缺點(diǎn)，但俄羅斯及國(guó)外的專家們已經(jīng)證實(shí)了煤層地下氣化技術(shù)上的可行性和能夠穩(wěn)定的取得計(jì)劃的氣體產(chǎn)量。二、煤層地下氣化企業(yè)與傳統(tǒng)的采煤方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析2.1 “南阿賓斯克”地下氣化站建于1952年，1955年投產(chǎn)，氣化23層煤，厚為2m，傾角為5570，氣化所用工業(yè)儲(chǔ)量煤為3260萬噸（1977

11、年6月1日統(tǒng)計(jì)）。氣化站的工業(yè)用地建于不含煤的地層上，主要車間為：空壓機(jī)和氣化爐，鉆探車間有必要的鉆探設(shè)備；而安裝車間主要為地表管道服務(wù)。主要投資分配見表1（1980年價(jià)格，參圖3所示）表1 主要投資分配順序號(hào)名稱價(jià)值千盧布%1廠房31062建筑物718.4143氣化爐（煤）57.314傳送設(shè)備371.575地表管線614.3126動(dòng)力機(jī)械1807工作機(jī)械868168注用房輸送管路2335.4449其它機(jī)械3.5010器材1.7011測(cè)量?jī)x表18.6012工具0.30合計(jì)5317100圖3 主要投資分配圖從圖中可以看出，主要投資用于輸送設(shè)施（44%），這是由于10個(gè)鍋爐用戶的管道比較分散所造成

12、。氣化站的設(shè)計(jì)能力為5億m3/年，成本為1.8盧布/1000m3（12.6盧布/噸煤）；1955年投入生產(chǎn)，1959年產(chǎn)量為2億4.56億m3/年，它要比“基西列夫斯克伯洛柯比夫斯克”區(qū)以下簡(jiǎn)稱“基伯”區(qū)，礦井的生產(chǎn)能力小很多倍。由于缺乏大的用戶，還受季節(jié)的影響，冬天每天生產(chǎn)90萬至200萬m3氣體；而夏天30萬m340萬m3。至1967年氣體產(chǎn)量逐步增加至1億至4.48億m3，而且部分氣體沒被利用和放空。由于產(chǎn)量的增加，氣體成本逐漸下降，至1966年降至最低為1.98盧布/1000m3或14盧布噸煤。此外，氣化站生產(chǎn)接近設(shè)計(jì)能力（4.48億m3/年）。表2是“基伯”地區(qū)幾個(gè)礦井生產(chǎn)能力和19

13、77年采煤成本（按78.1.1統(tǒng)計(jì)）；圖4為企業(yè)生產(chǎn)能力有關(guān)的噸成本變化圖。表2 “普洛哥比煤”礦務(wù)局豎井與露天開采的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)名稱豎井露天礦伐汝雪太平契爾卡索夫索塔哈克西列夫12#捷爾金克西列夫伐汝雪75年元月元日生產(chǎn)能力千噸標(biāo)準(zhǔn)煤1011.3942.9157.7828.81571.81001.51279.0976.21349.3771.0開采1噸煤至用戶成本噸標(biāo)準(zhǔn)煤，盧布13.7314.2828.9912.5412.1213.114.6811.8213.2111.078年元月元日生產(chǎn)能力千噸標(biāo)準(zhǔn)煤815761552.1842.210101347.513601706789.4開采1噸煤至用戶成

14、本噸標(biāo)準(zhǔn)煤，盧布17.1618.9615.1412.5513.9515.7610.559.0411.19圖4 按交通綜合研究所的資料，對(duì)于“基伯”地區(qū)10公里的運(yùn)輸費(fèi)用為1.46/0.891=1.64盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤，0.891為實(shí)際燃料成本轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)成本的系數(shù)。按研究所資料，把煤送到用戶（含倉(cāng)庫(kù)保管、裝卸、粉碎等），對(duì)于電站為1盧布/噸煤或1.12盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，煤的開采成本，若換算成標(biāo)準(zhǔn)煤，則增加至2.76盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。假如為了比較取一個(gè)平均水平，對(duì)于“基伯”地區(qū)N312礦井，其生產(chǎn)能力為101萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，從表2可知，其煤的成本為13.9盧布/噸煤標(biāo)準(zhǔn)煤；當(dāng)時(shí)礦井的生產(chǎn)能力為“南阿賓斯

15、克”站的15倍。1949年，該站的生產(chǎn)能力已達(dá)到4.48億m3和6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，氣化站所生產(chǎn)的氣體成本為1.98盧布/1000m3或14盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤，沒有超過當(dāng)?shù)孛旱拈_采成本。應(yīng)該指出的是，上述對(duì)比不是完全在等同條件下進(jìn)行的，因?yàn)榈V井生產(chǎn)為了改善自己的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是采用了最新科技成本；而南阿賓斯克站是一個(gè)工業(yè)試驗(yàn)性質(zhì)的地下氣化站，其生產(chǎn)能力不是按經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，而是從研究煤的地下氣化過程考慮的。因此不能完全反映煤層地下氣化工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。南阿賓斯克站從1955年至1995年四十年的工作可劃分如下幾個(gè)階段：第一階段，19551967年，發(fā)展生產(chǎn)至開始穩(wěn)定生產(chǎn)，出氣量0.208至4.48億m3，達(dá)到了

16、設(shè)計(jì)能力和所設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；證明了所采用的技術(shù)決策正確。第二階段，19671977年，氣化了最有利的儲(chǔ)量，產(chǎn)量從2.57億至4.59億m3。掌握了陡傾斜煤層的氣化技術(shù)，暴露了不是全年都有大的用戶（還產(chǎn)生了管道由于冷凝物而堵塞），還由于1962年政府停止了對(duì)地下氣化技術(shù)研究和試驗(yàn)工作的投資，氣化站開始在較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)條件下工作。主要生產(chǎn)金屬構(gòu)件。第三階段，19771987年，主要?dú)饣^薄的煤層產(chǎn)量降低；氣化站由1983年氣體工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)歸為原蘇聯(lián)煤炭工業(yè)部領(lǐng)導(dǎo)，氣化站還進(jìn)行了污水去酚的建筑工程和新鉆探設(shè)備的試驗(yàn)工作。最后結(jié)束階段，19871994年，氣化300m水平線下的煤層（上邊地層已被開采

17、和充填），當(dāng)氣化下部地層時(shí)導(dǎo)致巖石和水下落至底部氣化爐而停止生產(chǎn)，這不是氣化工藝沒有過關(guān)，而是陡傾斜礦層的開采方法沒有選對(duì)。分析所進(jìn)行的工作表明：1. 氣化站經(jīng)過10年工作達(dá)到了設(shè)計(jì)產(chǎn)量5億m3/年；而且氣體成本與一般地下開采法相當(dāng)（在同一煤礦）。2. 所取得的不太高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不能看作為對(duì)地下氣化技術(shù)的評(píng)價(jià)，因?yàn)楣I(yè)試驗(yàn)只是想檢查地下氣化技術(shù)的可行性。此外，該站處于基西列夫地區(qū)，那里廉價(jià)能源很多（露天開采，西伯利亞河流系的水力能源，天然氣豐富等），影響了對(duì)地下氣化站的投資。2.2 “安格林”站地下氣化站的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的分析建于塔什干地區(qū)安格林褐煤的地下氣化站，1961年投產(chǎn)，

18、年設(shè)計(jì)產(chǎn)量為23億m3用戶為位于離站4.6公里處的水力發(fā)電站，所氣化的煤層厚為320m，埋深120250，煤含水量和滲透性極低，圍巖為高嶺石化砂巖和粉砂巖，煤層上部主要含水層離煤層有一層厚為60100m的隔水層，氣化時(shí)沒發(fā)生降水現(xiàn)象。被氣化的煤的特性見表3。表3 煤的特性煤技術(shù)成分，%煤可燃性，%燃燒熱值水蒸氣Wp灰分Ar揮發(fā)成分VrCrHrOrNrSr凈煤質(zhì)量QpHMJ/kg3512.233.074793.54.516.60.81.615.081982年元旦時(shí)氣化站只有0.18億噸煤，其中將近0.12億噸煤可以氣化。在地表相隔1520m鉆有鉆孔，鉆孔內(nèi)有套管，套管外用水泥加固；有時(shí)在煤層中鉆

19、傾斜水平孔，其巖石部分需加固。煤層中的貫通采用3060大氣壓。進(jìn)氣采用26大氣壓的低中壓。其它主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)列于表4。表4 安格林站的主要指標(biāo)指 標(biāo)生產(chǎn)年份19621965196819711974197719801986生產(chǎn)氣量 百萬m348914101005.6798396.8396.3299.4273.1折合標(biāo)準(zhǔn)煤 千噸55.516011085.057.641.029.127.9氣體熱值 大卡/m3（低值）MJ/M37943.37963.337683.27433.17283.097263.046802.84850被氣化煤量 千噸182527369283183140101.780.1每公斤

20、煤出氣量 m32.62.682.732.822.982.832.962.96理論漏氣量 %15.115.716.521.013.114.67.87.6氣化效率系數(shù) %59.260.157.858.561.058.556.7單位耗電量KW/1000m31158794.5101101.5122.7143.3氣體成本盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤33.616.018.422.128.837.844.5氣體成本盧布/1000m33.811.823.12.353.033.784.32*氣體平均折合成本22.78盧布/噸標(biāo)準(zhǔn)煤。1000m3成本結(jié)構(gòu)分析見表5，圖5。表5 1981年地下氣化成本（盧布/1000m3）指 標(biāo)

21、%1鉆探工作0.9220.12動(dòng)力消耗1.55343工人工資0.0514設(shè)備維護(hù)0.327.15車間消耗1.2928.36氣體運(yùn)輸0.327.17氣體直接成本4.4597.68管理成本0.112.49合計(jì)：氣體4.5610010其它生產(chǎn)消耗11總成本4.56圖5 建地下氣化站和豎井的人員投入數(shù)（N）與基建投資（K）的比較1 新德來列夫；2 西涅尼柯夫；3；波克達(dá)諾夫No-1；4 波克達(dá)諾夫 No-2；5 米列洛夫No-1；6米列洛夫No-2；7 列查恩；8 哈巴洛夫；9 南阿賓斯克No-1；10 基西列夫No-2；11 普洛哥比No-3。從上圖可看出，氣體成主要消耗在動(dòng)力（34%）、鉆探（20

22、.15%）和車間（28.3%）。1981年銷售價(jià)格為：1.45盧布/1000m3，1981年動(dòng)力消耗占34%，主要用于送氣，送氣占用的電能為67%，送氣單位電能消耗為94KW/1000m3。氣化生產(chǎn)所占用的勞動(dòng)力數(shù)見表6。表6 生產(chǎn)氣體占用人數(shù)名稱19801981送氣車間3242鉆探車間4436清理2422試驗(yàn)工作1111合計(jì)111107氣體勞動(dòng)生產(chǎn)率1000m3/每人26542754噸標(biāo)準(zhǔn)煤/每人262285盧布/每人產(chǎn)值34773785從1980年開始?xì)饣菊９ぷ?，每年生產(chǎn)46億m3氣體。企業(yè)經(jīng)常遇到經(jīng)濟(jì)上的困難和物資供應(yīng)少缺。1994年氣體成本（折合成煤）為2.12萬盧布/噸（至用戶）

23、而在附近9#煤礦為4.5萬盧布/噸（原址）。目前氣化站正組織組織磚、瓦及其它建材的生產(chǎn)氣體于焙燒。安格林水力發(fā)電站于1989、1990年進(jìn)行過經(jīng)濟(jì)核算，見圖6。用氣量為5.5億和7億m3（氣體熱值為3.2MJ/m3），計(jì)算一個(gè)鍋爐Tn-230-2，進(jìn)行比較的是利用安格林和卡恩斯柯阿季金煤和地下氣化的氣，那么1989年相應(yīng)煤的成本為9.71和12.34盧布/噸，而氣體折合成煤為5.80盧布/噸；而至90年，則為17.94和29.65盧布/噸與16.56盧布/噸。圖6 安格林水力發(fā)電站采用地下氣化的氣體經(jīng)濟(jì)效益分析圖（消耗量為550和700百萬m3/年，熱值為3.2MJ/m3）就兩年采用地下氣化的氣獲得2.291百萬盧布的經(jīng)濟(jì)效益。還需指出：烏茲別克坦具有豐富的天然氣，這阻礙了向安格林站的投資及正常維修。在此情況下，安格林煤層氣化成本還低于正在豎井開采的2倍，大致等于露天開采的成本。假