煤炭地下气化工艺设计

煤炭地下气化工艺

煤炭地下气化——是一种直接把煤在地下气化的采煤方法。利用它可获得热能，电能或各种化学产品。

本采煤方法可解除矿井内的人员，矿工繁重的、不安全的劳动；可建立一个环保洁净的企业，这一工艺一百多年来吸引了多少研究工作者想把它会付诸于现实。

目前有关煤层地下气化发展前景的资料很多；但其作者对工技术的评价众说纷纭。

俄罗斯在煤层地下气化技术方面在世界上是处于领先地位。早在三十年代初就在二个煤田；顺涅茨克、库兹巴斯和莫斯科近郊开始了实际工作。第一批试验是在地底下建立层状的气化炉、以获取动力气体的水蒸气。

在四十年代末在戈尔洛夫城、里希查城和杜拉城建成了第一批工业试验性的地下气化站。当时采用直井式和半直井式的气化方案，由于查明直井式方案有一系列原则缺点，所以后来就指定采用无井式方案。

通过实际研究表明，采用气流法能把原煤层气化。地下气化的过程由下列主要阶段组成：

从地表向煤层钻进垂直的、倾斜的和定向倾斜钻孔。

为了实现气化过程，将钻孔底端在煤层中贯通。

将煤层点燃使煤体气化：

无井式方案揭露煤层的实质就是在煤层上相隔一定距离钻进进气孔和出气孔。

气化过程中吹入的氧气与煤层的碳作用，生成二氧化碳、一氧化碳、然后是氢；此外，在气体中还有其它可燃物质；甲烷，不定的碳氢化合物，硫氢化合物。

进、出气孔按一定的网格布置形成地下气化炉，在地表设有压送气化剂，例如“空气、富氧空气的管道和把气体输送到净化和冷却设施的管道以及相应的设备和厂房。

采用洗涤装置进行气体的净化，地下气化站可以同时或单独产生动力气体和进气体黔简单的气体方案是采用空气作为气化剂，其工艺示意图见图1。

所得气体的组成及热值取决于煤层埋藏的工艺条件、煤的质量、气化剂的成分以及气体净化程度。

当采用空气作用气化剂时，理论计算气体热值不会大于4.4MJ/m3（1050大卡/m3）；由于水蒸气和煤的其它有机物质的参于气化过程。使热值达到4.6～5.0 MJ/m3（1100～1200大卡/m3）；当采用富氧气化剂时（含65%的氧），热值可提高至6.7MJ/m3（1600大卡/m3）；所以地下气化时所得到的是低值热气体。

图1 煤炭地下气化站工艺流

1公斤煤能气化成1.5～5.5m3的煤气。整个气化过程以及燃烧热的维护是通过调整进、出气量，对于地下气化的控制是通过工艺、地质和测定的方法。

二次大战后又恢复了地下气化工作，当时主要注意力集中在燃料再处理的化学工艺，矿山和钻探工作，地下流体和气体动力学、水文地质、设计专用机械设备。

从1949年至1964年，从事煤层地下气化问题的单位有全苏地下气化研究所和地下所气化地质研究设计院以及18个科学分析有关研究所。

在此阶段，设计和投产的有1955年“南阿宾斯克”站，设计能力为5亿m3/年（相当于25吨库茨涅茨煤），1958年“沙特卡亚”站，产量为6.6亿m3/年（相当于25吨莫斯科近郊褐煤），1961年“安格林”站，产量为23亿m3/年（相当于50吨煤）；还有在顿巴斯煤系和高湿润性的第聂伯尔煤田建的“卡敏斯克”和“西涅尼柯夫”气化试验站。

经过研究和工业性的试验工作证明了无井式气化褐煤层厚度从2m至22m，埋深从30m至250m；烟煤层厚度为0.6m至10m，埋深从50m至400m。

在六十年代初发现了大规模天然气，改变了国家能源利用的结构。天然气与石油气产品成为主要燃料，从这以后煤层地下气化工作大大缩减。

从1973-1974年，整个资本主义世界发生了经济危机、重新引起了对地下气化的注意力。由于石油、天然气的减少以及未来对能源需求增加。煤在未来的动力和工业中的作用越来越显著；还应注意到，在资本主义发达国家中，化学工业对液态和气态的碳氢原料的需求，据预测至2000年，将达到总产量的20-50%。

对燃料需求的增加不得不设法提高煤的利用，最理想工业能源可能就是地下气化出来的气体。

在俄罗斯积累了多年从事煤层地下气化的经验。例如“南阿宾斯克”站正常工作了36年，而“安格林”站正常工作了32年。

“安格林”站的气体热值为3.1～3.4 MJ/m3（740～810大卡/m3）；而在“南阿宾斯克”站为3.4～4.2MJ/m3（810～1000大卡/m3）。“安格林”站生产的气体供给安格水力发电站，“南阿宾斯克”站供应基西列夫斯克城10个取暖锅炉，“南阿宾斯克”站主要用“基西列夫斯克——伯洛柯彼夫斯克”烟煤（库兹巴斯），共23层，厚2m～6.5m，埋深50m～300m，倾角35°～36°，煤的牌号гж。

该站的工艺流程见图2，它包括高压（至7.0MPa）压缩空气装置，用于贯通；中压（7.0MPa）装置，用于形成气化通道；低压（0.25～0.46MPa）装置，用于维持燃烧煤层。低压空气输送至地下气化炉内，经过燃烧形成气体，原生气体进入地表洗涤装置，经喷水冷却至20°～30°，同时从气体中分离灰屑、油脂物：CO2和H2部分被洗涤。冷却后的气体即可经管道供给用户，用于冷却的水在洗涤循环中反复利用——那里有冷却塔和沉淀池等专用装置，水的苯酚层在开式沉淀池中，经过脱酚后变为废水排放，为了冷却空压机和输送管道采用标定

图2 南阿宾斯克地下气站工艺流程

该站的设计能力为5亿m3/年，而成本为1.8卢布/1000m3（12.6卢布/吨煤），1965年实际最大产量达4.5亿m3/年（相当于气化19万吨煤/年）。

安格林站位于塔什干地区，用的是安格林褐煤，设计年产量为23.2亿m3，被气化煤层厚度从3m～29m，埋深120m～250m，其特点是煤层和有热质的砂岩和粉砂岩围岩含有极低的含水量和渗透性，煤层上面有一层厚为60m～100m的隔水层。

在地下气化炉范围内，从地表相隔15m～20m钻有垂直孔，钻孔内下入套管，管外用水泥加固。除揭露煤层的垂直孔外，还有倾斜——水平孔，仅在岩石部分下入套管，在煤层中钻孔的贯通借助3.0～6.0MPa压力，吹入空气气化时采用低——中压（0.2～0.6MPa），参与气化的是煤，空气中的氧气和煤的水份。最大产量达14.10亿m3（相当于气化52吨煤）。工作过程相当稳定，证明采用空气吹孔在不同的矿山——地质条件下可达400m的深度，在地表综合解决了气体的除硫化氢的净化工作，获得了宝贵的化工原料（次亚硫酸盐和硫和脱酚的排放水）。