煤炭地下气化技术研究与应用

地下气化中心UCGEngineeringResearchCenterofCoalIndustry煤炭地下气化技术研究与应用梁杰煤炭工业地下气化工程研究中心2015年11月地下气化中心钻井式地下气化试验4背景1煤炭地下气化技术体系23煤炭地下气化技术评价与应用前景5矿井式地下气化试验内容123456结束语地下气化中心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◆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%，雾霾地下气化中心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。煤炭地下气化过程1背景技术优势高效：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。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。地下气化中心•汉那(LVW-RCL,1971)•HoeCreek(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NewmanSpinney(U型炉,1958)•英国巴通(有井式，盲孔炉，1959)•西班牙ElTremedal(“CRIP”技术，1991-1998)•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)•CarbonEnergy(美国CRIP改进技术,试验中)•LincEnergy,CougarEnergy(加拿大Ergo公司“UCG”技术，试验中)•南非Eskom(“UCG”技术,2007)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)全球地下气化发展历史地下气化中心6反应区变化示意图气化原理图C+O2CO2+QCO2+CCO—Q煤CH4C+1/2O2CO+QH2O+CH2+CO—Q+H2CO+1/2O2CO2+QCO+H2OH2+CO2+Q+H2OC+2H2CH4+Q+……还原带干馏干燥带氧化带进气孔排气孔辅助孔灰渣气化煤层气流通道气化通道煤炭地下气化技术体系特点：（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。2煤炭地下气化技术体系地下气化中心工艺类型：矿井式（有井式）新工艺地下气化炉工艺类型：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模型试验研究平台煤气净化和改制系统参数采集与分析系统2煤炭地下气化技术体系地下气化中心气化开采煤层资源评价体系煤炭地下气化基础理论研究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计算机模拟及仿真煤炭地下气化工程技术开发气化工作面综合探测技术气化炉结构设计与施工技术燃空区扩展及水控制技术污染物监测与控制技术设计、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动态监测与分析控制技术产业化示范与推广煤层条件地质水文条件煤炭地下气化技术体系污染物富集及迁移规律气化过程稳定控制工艺2煤炭地下气化技术体系地下气化中心1010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。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。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而定。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）影响因素地下气化中心评价体系水文B2地质B3安全B4B5环保B1Bn煤质C1煤层情况C2地质情况C3碳含量D2灰分D1粘结性D3灰熔点D4气化活性D5硫分D6着火点D7埋深D8厚度D9倾角D10夹矸D11稳定性D12构造D13储量D14裂隙D15顶板D16勘查程度D17＜55.01-1010.01-2020.01-3030.01-4040.01-5030908070500＜5555.01-6060.01-7777.01-90＞90.015075908030＜56-5050-65＞6510080600＜11001100-12501250-1500＞1500608090100＜1515-3030-60＞600608590＜0.50.51-11.01-1.51.51-22.01-2.52.51-31009590858075＞3.060＜300°300-400°400-550°550-700°＞700°7090807060＜5050-100100-200200-300300-400400-50005085908580＞50030＜1.31.3-3.53.5-88-12＞12060909580＜5°5-25°25-45°＞45°9085705001-34-8＞870908050稳定较稳定不稳定极不稳定10080300一类二类三类四类10080500普查详查精查勘探0108090易冒落松软顶板中等冒落顶板难冒落坚硬顶板极难冒落坚硬顶板软弱性弯曲顶板6070809080＜78-1516-30＞30100908030＜1010.01-2020.01-30＞30.0106085100较适合50.01-80适合＞80不适合＜50（二）地质评价模型2.1煤炭地下气化地质评价模型地下气化中心二级权重输入和评价结果输出窗口89.87良好0.170.240.140.260.140.180.170.190.130.200.230.160.200.200.170.110.11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。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地下气化中心煤种煤气组成/%热值MJ/Nm3H2COCH4CO2O2N2褐煤16.153.523.5019.680.2056.953.90烟煤9.2812.325.8218.400.1054.085.02无烟煤9.5015.003.0118.500.1553.844.34空气煤气组成及热值煤种煤气组成/%热值MJ/Nm3H2COCH4CO2O2N2褐煤36～4520～301～525～350.051～38.5～9.5烟煤33～4225～354～1020～250.152～39.6～11无烟煤35～4525～352～825～300.101～39.5～10富氧煤气组成及热值（氧浓度93%）2.2气化工艺2煤炭地下气化技术体系地下气化中心前苏联煤炭地下气化炉结构垂直孔压裂控制注气点后退褐煤-富氧CO2-顶板淋水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-煤层分离控制注气点后退-水雾化煤炭地下气化技术DiscreteControlTechnologyofRecedingInjectionPointandWaterAtomizationforUCG（DCRA）2煤炭地下气化技术体系2.2气化工艺地下气化中心15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。b-点火20ha-点火10h（1）自由通道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地下气化中心16（2）渗流气化温度场分布与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。2.3煤层地下气化过程特征场演化规律—温度场（3）分离控制注气点后退-水雾化气化（DCRA）温度场扩展DCRA气化工艺横纵扩展速率比为（0.25-1.14:1），小于自由通道和渗流气化过程。地下气化中心17051015202530354045500306090120150180210煤气组分/%点火时间/hH2%CO%CH4%自由通道气化出口煤气组分渗流气化出口煤气组分2.3煤层地下气化过程特征场演化规律—浓度场浓度场地下气化中心18（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%，）的25.66%。2.3煤层地下气化过程特征场演化规律—浓度场地下气化中心H0XiLHL0XiXy氧化区灰渣氧化区燃空区净高度=6m，H冒=13m～14mH裂=30～40m顶板为软岩2.4燃空区扩展2煤炭地下气化技术体系地下气化中心测控系统构成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信号转换信号传输动力系统执行机构执行反馈网络传输2.5煤炭地下气化测控与分析技术2煤炭地下气化技术体系（一）系统总体架构地下气化中心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地下气化中心（三）专家分析技术（1）专家知识处理系统开发架构2.5煤炭地下气化测控与分析技术-专家分析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数据库（存储知识条目和系统配置数据）“状态可视化”软件反馈自动控制煤炭地下气化专家系统UCGES总体架构安全保障体系标准规范体系门户网站应用功能应用支撑数据管理数据采集服务总线系统管理日志记录任务管理运行支撑配置服务管理数据模拟服务场图展示服务工控设备服务分析引擎场图计算数值模拟业务规则推理状态监测故障判断氡值密度与温度值映射模拟场图与实际场图融合场图数值模拟数值模拟方程反演数据访问接口数据传输协议和传输接口诊断结果配置数据库诊断结果气化采煤离线数据气化采煤实时数据模拟方程参数温度采集离线数据录入其他参数采集压力采集氡值采集专家分析软件系统总体架构地下气化中心地下水污染综合防控预测监测控制选址过程污染风险分析与评估治理煤层邻近含水层水质监测预警调节工艺参数控制污染物逸散燃空区残留污染物处置及地面工艺废水处理196890001