07第22章 煤炭地下气化

2020/1/2112020/1/212河南理工大学《采煤概论》精品课程第22章煤炭地下气化2020/1/213本章主要内容第22章煤炭地下气化第一节煤炭地下气化原理第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向2020/1/214第一节煤炭地下气化原理煤炭地下气化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。煤炭地下气化的实质是将传统的物理开采方法变为化学开采方法。煤炭地下气化因具有安全、高效、低污染等优点，所以世界各国对此都非常重视。我国于1958年在几个矿区曾进行过地下气化的实验，最近又在马庄矿、新河矿进行了试验，取得了一些经验。2020/1/215第一节煤炭地下气化原理煤炭地下气化的原理（如图）。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，称之为气化盘区，或称地下发生炉。最初，在水平巷道中用可燃物质将煤引燃，并在该巷形成燃煤工作面。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排出地面。随着煤层的燃烧，燃烧工作面逐渐向上移动，而工作面下方的采空区被烧剩的煤灰和顶板垮落的岩石所充填，但塌落的顶板岩石通常不会完全堵死通道而仍会保留一个不大的空间供气流通过，只需利用鼓风机的风压就可使气流顺利通过通道。2020/1/216第一节煤炭地下气化原理煤炭地下气化原理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2020/1/217第一节煤炭地下气化原理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。1.气化带在气化通道的起始段长度内，煤中的碳和氢与空气中的氧化合燃烧，生成二氧化碳和水蒸气：C+O2→CO2；2H2+O2→2H2O。在化学反应过程中同时产生大量热能，温度达1200℃到l400℃，致使附近煤层炽热。2020/1/218第一节煤炭地下气化原理2.还原带气流沿气化通道继续向前流动，当气流中的氧已基本耗尽而温度仍在800～l000℃以上时，二氧化碳与赤热的煤相遇，吸热并还原为一氧化碳CO2+C→2CO。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烷族气体：4C+3H2O→CH4+3CO+H2，这就是还原区。2020/1/219第一节煤炭地下气化原理3.干馏-干燥带在还原反应过程中，要吸收一部分热量，因此气流的温度就要逐渐降低到700～400℃，以致还原作用停止。此时燃烧中的碳就不再进行氧化，而只进行干馏，放出许多挥发性的混合气体，有氢气、瓦斯和其他碳氢化合物。这段称为干燥带的干馏部分。在干馏之后是脱水干燥。混合气体此时仍有很高的温度可气化其中的水分，混合气体干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合气体，其中CO，H2，CH4等是可燃气体，它们的混合物就是煤气。2020/1/2110第一节煤炭地下气化原理国家地点气化剂出口煤气主要成分/%热值CH4H2COCO2N2O2kJ/m3前苏联安格兰空气1.8～1.917.6～17.94.5～7.517.2～2042.7～580.3～0.43192～3570前苏联莫斯科近郊富氧65%1.935.015.328.116.20.26728.4美国佳怀明北空气0.420101650——3780～5460中国头山矿空气0.3～6.36.4～14.34.6～18.53.9～16.445.5～652.3～4.83251～5515中国马庄矿空气3.0～9.010～2010～2520～3540～600.0～0.24200～5250中国实验室空气+水蒸气0.9～2.010.6～21.712.2～54.14.6～12.829.5～57.20～1.194943～85832020/1/2111第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统一、煤炭地下气化方法气化方法通常可分为有井式和无井式两种。。无井式地下气化是应用定向钻进技术，由地面钻出进、排气孔和煤层中的气化通道，构成地下气化发生炉。避免了井下作业和有井式气化的其它问题，使煤炭地下气化技术有了很大提高。目前它己在世界上被广泛采用。有井式气化法需要预先开掘井筒和平巷等，其准备工程量大、成本高，坑道不易密闭，漏风量大，气化过程难于控制，而且在建地下气化发生炉期间，仍然避免不了要在地下进行工作。2020/1/2112第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统无井式地下气化法2020/1/2113第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统二、无井式地下气化法的生产工艺系统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准备出气化通道。从地面向煤层打钻孔可以采用三种形式的钻孔：垂直钻孔、倾斜钻孔和曲线钻孔。根据煤层赋存条件的不同，其生产工艺系统也有差异。对于近水平煤层和缓斜煤层，在规定的气化盘区内，先打好几排钻孔。钻孔采用正方形或矩形布置方式，孔距20～30m。钻孔沿煤层倾向成排地布置，每排钻孔的数目取决于气化站所需的生产能力。2020/1/2114第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统按作业方式的不同，生产工艺系统可分为两种，即逆流火力作业方式和顺流火力作业方式。(1)逆流火力作业方式首先贯通第一排钻孔，形成一条点燃线。然后将第二排钻孔与此点燃线贯通，贯通后即可进行气化。这种燃烧方式的特点是两个钻孔都按照下列顺序起三种作用：贯通、鼓风和排出煤气。这种方式煤层的气化方向与鼓风和煤气的运动方向相反，所以称为逆流式火力作业方式。（2）顺流火力作业方式2020/1/2115第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统逆流火力作业方式2020/1/2116第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统顺流火力作业方式2020/1/2117第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统三、地下气化效果的主要影响因素1、供氧量实验表明，供风量越大，气化剂含氧量越高，煤气的热值就越高。2、温度与含水量保持高温是提高地下气化强度的必要条件之—。3、其他因素气化通道的长度是影响气化的另一个重要因素。2020/1/2118第二节煤炭地下气化方法及生产工艺系统气化剂种类生成气体所占体积/%热值/kJ·m-3H2CH4COCO2O2N2空气14.01.816.210.20.257.64229富氧空气（O2，37%）21.02.522.115.50.238.75987富氧空气（O2，48%）28.23.526.115.40.326.576452020/1/2119第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向煤炭地下气化可以使埋藏过深或过浅不宜用井工开采的煤层得到开发，它不但改善了矿工的劳动条件，而且气化对地表破坏较小，没有废矸，还有利于防止大气污染。煤炭地下气化的经济效益较好，其投资仅为地面气化站的1/2～1/3。一、无井式长壁气化法为了提高煤气的质星和产量，国外实验了无井式长壁气化法。这种方式完全取消地下作业，但钻孔和定向弯曲钻孔要求技术水平高。该站的煤层条件是煤厚2m，埋藏深度300m，钻孔水平钻进50m。实际上水平钻进可达90～100m。2020/1/2120第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向长壁气化法及地面电站简图1—压缩空气；2一气液分离器；3—热交换器；4—发电厂；5—煤气净化设备；6—水净化循环装置；7一压缩与燃烧气体混合器；8—空气；9—煤气；10一煤层；11—气化带；12—监测与控制钻孔2020/1/2121第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向二、煤炭地下燃烧工艺用煤炭地下燃烧工艺来回收被以往采煤所遗弃的煤柱。该工艺主要是采用抽风机造成负压，将燃烧产生的高温气体(300～600℃)通道热交换器使水变为蒸气供发电和民用。钻孔为过气孔，根据煤层的赋存条件进行布置。三、对地下气化区燃烧面位置与温度的控制地下气化燃烧面位置与温度的控制是一个难题，目前美国已使用卫星红外摄影进行监控。它可以探明燃烧面的确切位置和温度情况，从而用调节供氧量和供水蒸气量来控制其温度，提高或降低燃烧面的气化强度，提高煤气热值，试用效果良好。2020/1/21222020/1/2123第三节煤炭地下气化的适用条件及发展方向四、气化、化工联合企业的发展地下气化得到的煤气不仅可供民用，还可发电。煤气中除可燃气体以外，还伴生有许多重要的化学物质，如酚、苯、吡啶、油酸、硫等物质。因此，地下气化站不仅可以作为动力企业，而且作为化学联合企业也是合适的。煤炭地下气化作为一种开发地下煤炭资源的新技术，目前在世界各主要产煤国均在进—步研究，煤炭地下气化的理论也在不断地深化与完善。2020/1/2124思考题1、叙述煤炭地下气化的原理和过程。2、试分析缓倾斜煤层无井式气化工艺系统的特点。3、如何提高煤炭地下气化的效果和煤气的质量。4、试分析煤炭地下气化的使用条件和发展前景