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摘 要 提出了煤炭地下气化工业性试验的新工艺,指出了传统地下气化炉的弊端,阐述了长通道、大断面地下气化炉的优越性,并对两阶段、双火源、反向燃烧、多功能钻孔及压抽相结合新技术工艺进行了介绍及试验结果分析. 工业性试验的圆满成功,表明我国煤炭地下气化向商业化应用迈出了一大步. 进一步证明了煤炭地下气化新工艺的合理性和可行性.
关键词 煤炭地下气化;长通道大断面;两阶段;双火源;反向燃烧
分类号 TQ546
Test Study on the New Technique
of the Underground Coal Gasification
Yang Lanhe Liang Jie Yu Li
(College of Mineral Resource and Environment Science, China University
of Mining and Technology, Xuzhou 221008)
Abstract: The new technique of the industrialization test on underground coal gasification is suggested. The malpractice for traditional underground gasification stove is pointed out, the superiority for the long tunnel large section underground gasification furnace is explained, and the new technology craft of two-stage, double fire source, inverse direction combustion gasification, multifunction holes, and pressing and pumping combination is introducted, and the test results are analysed. The perfect success of the industrialization indicates that the underground coal gasification has taken a long step forward commercialization application in our country, and it further proves the reasonableness and feasibility of the new technique on underground coal gasification.
Key words: underground coal gasification; long tunnel large section; two stage; double fire source; inverse direction combustion
唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验,于1996年5月18日(9#煤)及6月12日(12#煤)顺利点火,试验过程取得圆满成功,已于1997年6月15日与用户并网,正式向用户提供地下煤气. 上述试验的成功,技术关键是更新了传统的地下气化工艺,采用了长通道、大断面、两阶段、双火源、反向燃烧、多功能钻孔及压抽相结合等煤炭地下气化新工艺. 前苏联、美国等一些国家对煤炭地下气化技术工艺曾进行了大量理论和试验研究,取得了很大进展,但由于大多采用无井式地下气化炉,炉型小,一般口径小于180 mm,长度小于90 m,通道直径小,通风阻力大,鼓风压力高,电耗大,服务周期短,而且工艺单一,造成煤气热值低,产量低,成本高,稳定性差. 显然本文提出的新工艺克服了国外地下气化方法的缺陷与不足.
1 长通道、大断面地下气化炉
工业性试验,地下气化炉设计为由进、排气孔和水平巷道组成的有井式U型气化炉,气化炉长度110 m(9#煤)、210 m(12#煤),断面3.4 m2(9#煤)、4.5 m2(12#煤). 由此可见,现场试验地下气化炉通道长、断面大,远远超过国外传统气化炉的规模,是目前世界上规模最大的地下气化炉.
通过十几年的模型试验及现场试验的探索与研究,可以发现长通道大断面气化炉有以下优点:① 大型炉热效率高、产气量稳定、热值稳定. 由于通道燃烧后,形成大而稳定的高温场,热惯性大,使得气化过程不易受随机因素的干扰;② 由于通道长,干馏煤气产量大、CH4的含量高;③ 由于断面大,产气量大,同时供风压力低,运行费用少.
2 两阶段气化
图1 煤炭地下气化原理
煤炭地下气化过程中可燃气体的生产,是在气化通道中3个反应区(氧化区、还原区及干馏干燥区)(见图1)里,通过对煤的热作用及化学作用而实现的.
两阶段地下气化工艺,是一种循环供给空气和水蒸气的地下气化方法. 每次循环由2个阶段组成,第一阶段为鼓空气,燃烧蓄热,生产空气煤气;第二阶段为鼓水蒸气,主要发生分解反应,生产以CO,H2为主的中高热值水煤气.
由于分解反应是吸热反应,因此,炉内温度降低. 当炉内温度降到一定的限度,又重新鼓入空气,如此循环.
唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验,生产的水煤气的情况,如图2所示.
图2 9#煤水煤气组份及热值日平均值
—●— H2;—+— CO;—*— CH4;—□— CO2;—×— O2;—◇— N2;—△— Q
根据图2,不难分析,中高热值水煤气产生原因主要有以下几个方面:① 气化剂为水蒸气,消除了N2对煤气热值的影响,使煤气中可燃气体比例增大;② 水蒸气不仅在氧化区被分解,而且在还原区进一步分解,提高了分解率;③ 在整个气化通道长度上都能产生干馏煤气,由于通道长,所以,煤气中CH4含量提高;④ 气流中H2浓度较高,在煤中一些金属氧化物的催化作用下,尚发生一定程度的甲烷化反应,使CH4成份增加.
3 多功能钻孔
传统的气化工艺,其气化炉的进、排气孔的功能是固定的,而气化炉氧化区、还原区及干馏干燥区的长度及其温度,时刻都在变化着,且固定单一功能的钻孔要实现对气化过程的有效控制是十分困难的. 有鉴于此,长通道、大断面气化炉在进、排气孔之间布置了辅助孔,而且将进、排气孔、辅助孔与总进、排气管、供蒸气管连接起来,每一个钻孔又都设有注浆口,这样每一个钻孔都可以起到供风、供气、排气、注浆及点火的作用,构成多功能的用途. 这样,地下气化新工艺,具有更高的可靠性、灵活性、互变性、可控性.
图3 双火源气化示意图
4 双火源两阶段气化
如图3所示,由进气孔鼓风,利用火源A生产空气煤气,当邻近孔下面煤层温度达到煤层燃点时,则由邻近孔鼓风,建立第二火源. 这样第一阶段可由进气孔和邻近孔同时供风,建立双火源. 火源A产生的CO2在火源B还原,同时,火源A产生的可燃组分在火源B被烧掉,这样提高了火源B的温度. 同时火源B的还原区温度也有所提高. 这样,双火源和单火源所生产的空气煤气组份和热值差别不大. 但第二阶段由进气孔鼓入水蒸气,水蒸气在火源A被分解,剩余的水蒸气在火源B继续分解,水蒸气分解率提高. 同时由于气化通道里平均温度提高,所以干馏煤气产量也增加. 因此,双火源两阶段气化,水煤气产量和热值较之单火源气化都有所提高(见图4). 第二火源的位置,即两火源之间的距离,可根据需要,利用多功能钻孔,合理地改换供风位置来调节.
图4 双火源与单火源气化水煤气热值比较
—●— 双火源;—+— 单火源
根据试验结果,双火源不仅有效地缩短了两阶段互相切换的时间. 而且延长了中高热值水煤气的生产时间.
图5 9#煤反向燃烧热值曲线
—●— 1996-10-18;—+— 1996-11-21;—*— 1996-12-24
5 反向燃烧气化
当正向气化时,火焰工作面将渐渐向出气孔移动,干馏干燥区越来越短,到后期还原区也将越来越短,最终还原区长度将不能满足氧化区生成的CO2还原和水蒸气分解反应的需要,而使煤气热值降低. 这时必须进行反向供风气化,由出气孔鼓风,进气孔排气,使火焰工作面向进气孔方向移动,重新形成新的气化条件. 图5是工业性试验过程中,9#煤层反向燃烧试验结果,图5可以反映出以下两方面特点:① 反向燃烧初期,因干馏煤气相对较多,所以煤气热值较高,但随着时间的延长,煤气热值随干馏气的减少而逐渐下降,并趋于稳定,而高于正向燃烧的情况;② 由于火焰工作面在烧过的煤或半焦煤层中移动,在新的煤面尚未因冒落而暴露足够多的条件下,燃烧强度越来越受到影响,因此,三次反向燃烧,煤气热值呈现渐次下降的趋势.
6 压抽相结合气化
图6 12#煤压抽相结合气化热值曲线
—●— 压抽;—+— 压
由还原区的2个主要反应可知,CO2还原和H2O(g)的分解都是体积增大的反应,因此,降低还原区的压力能够提高其反应速度,但是氧化区压力不宜降低,因为氧化区压力越高,向煤层里渗透燃烧的能力则越强. 为了能同时满足氧化区和还原区的要求,可以采用压抽相结合的气化方案,由进气孔鼓风(氧化区一侧),出气孔用引风机向外抽风,调节鼓风压力和抽气压力,使还原区处于相对较低的压力条件下,这样也同时降低了干馏干燥区的压力,有利于干馏煤气及时排放. 尤其是在气化通道因顶板冒落而出现局部堵塞情况下,采取压抽相结合,效果更明显. 在工业性试验过程中,12#炉于1996年11月21日～23日期间,煤气热值急剧下降,经压力监测,查明气化通道出现局部堵塞,经采取压抽相结合方案后,煤气热值大幅度回升(见图6). 更重要的一点是,压抽结合气化可以减少煤气漏失,能够确保矿井安全.
经估算,工业性试验地面有效能量投入与产出比为103 ,产气率为4.80 m3/kg,试验煤气总成本为0.189元/m3,回收率为65%～90%,显然,随着地下气化炉服务时间的延长,其经济效益越来越显著.
7 结 论
长通道、大断面、两阶段地下气化生产的煤气热值高、产量大、生产运行稳定、服务周期长,克服了小型炉及传统地下气化工艺生产的一些缺陷. 试验结果表明:双火源提高了还原区的温度,并扩大了其范围,提高了H2O(g)的分解率和CO2的还原率,使煤气热值上升率得到进一步提高,并缩短了两阶段相互切换的时间;反向燃烧气化有助于提高煤层的气化率,并可以解决气化通道局部堵塞问题;根据试验结果,压抽相结合气化除了能够疏通气化通道外,还可以减少煤气漏失,保障了矿井生产的安全性;多功能钻孔丰富了新工艺的内容,使之具有更高的可靠性、灵活性、互变性和可控性.
国家“八五”重点科技攻关接续项目.
第一作者:男,1964年生, 博士,副教授.
作者单位：(中国矿业大学资源与环境科学学院, 徐州 221008）
收稿日期:1997-10-16. |
