喻曉

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西銅川727000）

節(jié)能減排新技術(shù)
——煤炭地下氣化

喻曉

（陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西銅川727000）

目前，各行業(yè)和領(lǐng)域的節(jié)能減排要求不斷提高，煤炭領(lǐng)域也迫切需要引入和應(yīng)用新技術(shù)和新方法，通過(guò)煤炭地下氣化，可達(dá)到節(jié)能減排的目的。煤炭地下氣化是對(duì)賦存煤層進(jìn)行的技術(shù)處理，從原來(lái)的物理采煤轉(zhuǎn)變成化學(xué)采氣。這一過(guò)程非常復(fù)雜，包含流體、物質(zhì)和熱量的傳遞，同時(shí)，還包括化學(xué)反應(yīng)、煤層氣與圍巖壓力變化等環(huán)節(jié)。在此過(guò)程中，煤炭資源的開(kāi)采與轉(zhuǎn)化有機(jī)結(jié)合在一起，省去了龐大的資源開(kāi)采、運(yùn)洗、選擇、氣化等工序，具有安全可靠、投資少、污染小、效益高的優(yōu)點(diǎn)。

煤炭；節(jié)能減排；地下氣化；可燃?xì)怏w

1 基本原理

煤炭地下氣化實(shí)際上就是將煤炭成分變成可燃?xì)怏w，即一氧化碳、氫氣以及甲烷等。在地下氣化或地面氣化過(guò)程中，氣化過(guò)程都是嚴(yán)格按照氣流的流動(dòng)方向分區(qū)，其中，包括氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)。

1.1 氧化區(qū)

通過(guò)氣化通道鼓入適量的氧氣，使之與煤層中的碳發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和一氧化碳，然后釋放出大量熱量。這些熱量作用在煤層，可以使氧化區(qū)與周?chē)奶勘３譄霟幔话銣囟瓤沙^(guò)1 200℃。隨著氧氣的濃度不斷下降，一氧化碳和二氧化碳的濃度上升，直到氧氣的濃度降低至0.

1.2 還原區(qū)

沿著氣流的流動(dòng)方向，氧化區(qū)生成的二氧化碳與碳發(fā)生反應(yīng)，生成一氧化碳；氣化劑內(nèi)的水域熾熱的碳還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。在此過(guò)程中，會(huì)有大量的熱量被吸收，溫度逐漸降低。

1.3 干餾干燥區(qū)

通過(guò)還原區(qū)的氣流溫度依然比較高，這一溫度作用在氣流的下煤層，在熱力學(xué)的作用下，煤層產(chǎn)生熱解氣。通過(guò)反應(yīng)，有一氧化碳、氫氣以及甲烷等可燃?xì)怏w產(chǎn)生，即粗煤氣。氣化燃燒面移動(dòng)以后，將固體的煤氣化。根據(jù)氣流的方向以及工作面的燃燒移動(dòng)，氣化過(guò)程主要包括順流、逆流兩種推進(jìn)式。其中，氣流的方向和工作面燃燒移動(dòng)相同，均為順流式。煤炭地下氣化的基本原理如圖1所示。

2 技術(shù)類(lèi)型

2.1 有井式氣化技術(shù)

從應(yīng)用實(shí)踐看，該技術(shù)手段被稱(chēng)為巷道式地下氣化爐法，在廢棄煤礦井內(nèi)建造地下氣化爐，采用人工掘進(jìn)方法在煤層中構(gòu)建氣化巷道，在進(jìn)氣孔底部巷道筑密閉墻，將密閉墻前煤炭通過(guò)點(diǎn)燃使其氣化，經(jīng)井筒鼓風(fēng)、平巷，從另一井筒中將煤氣排出。該技術(shù)方法僅用于關(guān)閉礦井內(nèi)遺棄資源。

圖1 地下氣化示意圖

2.2 無(wú)井式氣化技術(shù)

該技術(shù)手段采用的是常規(guī)油氣鉆井技術(shù)鉆孔模式，有效發(fā)揮了鉆井技術(shù)的作用，可以有效避免傳統(tǒng)巷道式建地下氣化爐受到限制。相比于上述有井式煤炭氣化爐，該技術(shù)下的氣化建爐工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且建設(shè)周期較短，比較適于那些整裝煤田地下氣化，或用于深部煤層氣化。對(duì)于無(wú)井式地下氣化技術(shù)手段，自地面向煤層打深直徑可達(dá)400 mm、間距40 m的鉆孔，兩各鉆孔間貫通后就可以形成1個(gè)氣化通道，只要點(diǎn)火即可實(shí)現(xiàn)煤炭氣化之目的。

3 地下氣化節(jié)能減排技術(shù)

3.1 采煤轉(zhuǎn)變成采氣

煤炭地下氣化，省略了煤炭采掘、通風(fēng)以及供排水和洗選等流程，作業(yè)量大大減小，能耗降低。一般而言，煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的綜合耗電量通常在40 kW·h/t左右，最高值可達(dá)80 kW·h/t；在選煤過(guò)程中，電量消耗為8 kW·h/t。尤其是在一些中小型的煤炭集團(tuán)，資源條件以及生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備受限，煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的能耗更高。煤炭地下氣化大大改善了傳統(tǒng)模式，省去了能耗較大的采掘以及運(yùn)輸、提升等工序，井下作業(yè)量以及礦井通風(fēng)量也隨之降低，主排水系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

3.2 煤氣共采

煤層瓦斯與煤層密切相關(guān)，在一定的壓力條件下，其以吸附或者游離態(tài)賦存在煤層內(nèi)。其中，游離的瓦斯主要是以分子形式賦存在煤層的空隙空間內(nèi)，吸附瓦斯主要是以固體分子的狀態(tài)附著于煤炭結(jié)構(gòu)以及煤體表面。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)煤礦高瓦斯礦井占總數(shù)的將近半數(shù)，且每年因此而死亡的人數(shù)超過(guò)2 000人。煤炭地下氣化無(wú)需預(yù)先進(jìn)行瓦斯抽取，操作也非常的方便。通過(guò)地下氣化，可以避免爆炸事故發(fā)生，不會(huì)對(duì)作業(yè)面造成嚴(yán)重的危害。

3.3 無(wú)煤矸排放

地下氣化技術(shù)的應(yīng)用可以有效避免二次污染。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前，我國(guó)累計(jì)堆積無(wú)煤矸4.5×109t以上。值得一提的是，矸石山中的自燃碳排放管理非常重要，采用地下氣化技術(shù)手段可以直接開(kāi)采有用成分，且能做到灰渣不出井、占地小等目標(biāo)，在避免或減少煤矸石二次污染方面，效果非常明顯。

3.4 集中回爐處理

煤炭地下氣化技術(shù)可用于氧氣濃度不同的煤層，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性。根據(jù)氧氣濃度注入量，水煤氣中的二氧化碳濃度差異較大，一般變化區(qū)間在14.3%～25.7%，常用的二氧化碳收集法主要有溶劑吸收以及變壓吸附和有機(jī)膜分離等技術(shù)方法。粗煤氣內(nèi)的二氧化碳可在利用之前進(jìn)行凈化處理，通過(guò)集中捕集或者燃燒利用后再進(jìn)行集中捕集。以日本三菱重工為例，其采用的是新型的吸收劑，即KS-1、 KS-2位阻胺類(lèi)，在回收過(guò)程中所需能量較之于MEA而言，能量減少20%.

3.5 充填固碳

這是一種碳永久封存的技術(shù)方法，在封存二氧化碳時(shí)，國(guó)際上有2種方式，即二氧化碳海洋封存法、地質(zhì)封存法。其中，前者又可以分為2種途徑，即將二氧化碳注入水下大約1 500 m的臨界深度，使其溶解并釋放于海水；后者則是將二氧化碳注入水下大約3 000 m的海底，高壓條件下使其能夠聚集成液態(tài)，密度超過(guò)海水，長(zhǎng)年沉于海底。對(duì)于地質(zhì)封存法而言，實(shí)際上就是將二氧化碳?jí)嚎s液注入地下巖石之中，在物理吸附以及化學(xué)反應(yīng)下永久封存。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，煤炭地下氣化是一種比較先進(jìn)的采煤技術(shù)和方法，一方面可以有效提高煤炭資源的有效利用率；另一方面，可以實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色、高效開(kāi)采，具有很好的節(jié)能減排效果。煤炭地下氣化從根本上改變了傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸模式，大大降低了能耗，有利于提高能源的利用率，在環(huán)境污染降低、碳排放量降低方面起到了非常大的作用。

［1］孟龍.煤炭地下氣化的認(rèn)識(shí)［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2017（Z1）.

［2］鄧靖，袁秋華，姚根有，等.煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)［J］.山西化工，2017（02）.

［3］張義偉.煤炭地下氣化技術(shù)及發(fā)展探討［J］.遼寧化工，2016（04）.

［4］劉淑琴，陳峰，龐旭林，等.煤炭地下氣化反應(yīng)過(guò)程分析及穩(wěn)定控制工藝［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（01）.

［5］陳亞偉，王明玉，李瑋，等.煤炭地下氣化地下水質(zhì)量影響評(píng)價(jià)及其趨勢(shì)分析［J］.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（03）.

〔編輯：張思楠〕

TD845

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.016

2095－6835（2017）18－0016－02