煤化工工艺学

煤化工工艺学成员：闵瑞戎冲王浩王恒煤的地下气化煤地下气化的背景介绍在某些场合，如煤层埋藏很深，甲烷含量很高，或煤层较薄，顶板状况险恶，进行开采既不经济又不安全时，能不能将未经开采的煤直接气化，生产可利用的煤气呢？这一设想最早是德国化学家威廉•西蒙斯在1868年提出来的，后来沙皇俄国的大化学家门捷列夫和英国化学家威廉•拉赛姆也提出了同样的设想并进行过试验，1912年英国首先做出了有井式煤炭地下气化的方案，但直到20世纪30年代前苏联才取得了试验的成功。此后，世界主要产煤国或工业发达国家也纷纷开展煤炭地下气化的试验，这其中主要有英国、美国、捷克、波兰以及日本等国家。煤炭地下气化的地下现场无人无设备，地面无气化炉，节省了投资保证了安全，当时被誉为“一个技术的伟大革命”、“开采技术上一场巨大的革命”。煤地下气化的背景介绍煤炭地下气化煤的地下气化是指将地下自然赋存的煤在煤层内燃烧、气化成煤气，输送到地面，作为能源或化工原料。各主要工业国家也都非常重视煤炭地下气化工作，经过几十年的试验和研究，并建立了工业化煤炭地下气化站，取得了显著的成果。研究内容包括地下气化基本概念、反应机理、模型计算、工艺过程、现场试验等等，从理论到实践，为实现煤炭地下气化这种新型采煤方式提供了广阔的前景。煤地下气化的背景介绍发展煤地下气化的重要性和必要性煤是我国能源的主体,可长期保证我国的能源自主安全供给,2004年我国能源结构中,煤占67%,石油占25%,水电占7%,天然气占3%.2008年我国生产煤炭27.95亿吨,据国家地质总局预测,我国煤炭的探明储量10176.45亿吨,预测煤炭资源45524.04亿吨.我国煤炭资源丰富,可长期保证我国的能源自主安全供给.煤炭地下气化的原理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。煤炭地下气化的原理煤炭地下气化的原理（如下图）。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。——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-干燥带煤炭地下气化的原理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。煤炭地下气化的原理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。煤炭地下气化的原理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。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。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。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、供氧量供风量越大，气化剂含氧量越高，煤气的热值就越高。2、温度保持高温是提高地下气化强度的必要条件之—。3、含水量适当的地下水有利于气化过程发生水煤气发应。4、其他因素煤的性质和种类、煤层情况、地质条件等。煤炭地下气化的现状及发展方向综合利用前景广阔根据煤气成分和应用条件，地下气化煤气可用于联合循环发电、提取纯H2，以及用作化工原料气、工业燃料气、城市民用煤气等。通过煤炭地下气化生产合成气，可以充分发挥煤炭地下气化的技术优势，为煤化工的发展提供新的扩展空间。环境效益煤炭地下气化燃烧后的灰渣留在地下，减少了地面环境的破坏，地下气化煤气可以集中净化，脱除焦油、硫和粉尘等其他有害物质，从而得到洁净煤气，因此，地下气化技术有利于解决大气污染问题。地下气化煤气中H2含量在40%以上，符合人类可持续发展的需要。煤炭资源的利用率煤炭地下气化技术还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层、“三下”压煤和高硫、高灰、高瓦斯煤层。因此，地下气化大大提高了煤炭资源的利用率。煤炭地下气化技术的优势煤炭地下气化的现状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。很难控制气化过程中在地下产生的种种反应，合成气成分波动过大。2受煤层和地质影响大，容易造成井井之间相互漏水、通气等情况。3气化后出来的气体成分不稳定，有待改善气化剂种类与含量。4地下燃烧、气化情况不好控制，应加大地下气化过程的监控力度。5在该技术方面，大部分研究只注重化学工艺，很少关注行业发展动态。6……煤炭地下气化的现状及发展方向二、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。煤炭地下气化的现状及发展方向四、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。煤炭地下气化的现状及发展方向煤炭地下气化的技术新路线长通道;进出气孔之间的距离越长越好,可以获的气体和干馏煤气之和,提高煤气的热值30%以上,同时提高了气化炉的燃煤量,因此可以降低了煤气的直接成本。大断面;钻孔与通道直径要大于0.5米以上,可以满足大流量的生产任务降低通风阻力和能耗,大量的降低了成本。两阶段;气化工艺分为两阶段进行,第一阶段的任务,产热和蓄热过程,第二阶段用高温水蒸气作为气化剂,水蒸气在高温煤层中进行分解可以得到大量的氢气。煤炭地下气化的现状及发展方向创新清洁能源改善生存环境提高生活品质