国外煤炭地下气化技术的发展.doc

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1、国外煤炭地下气化技术的发展1868年，德国科学家威廉·西蒙斯首先提出了煤炭地下气化(UCG)的概念。1888年，俄罗斯 化学家门捷列夫提出了地下气化的基本工艺。1907年，通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸 汽的UCG技术在英国取得专利权。1933年，前苏联开始进行UCG现场试验。19401961年建成 5个试验性气化站。其中规模较大的是俄罗斯的南阿宾斯克气化站和乌兹别克斯坦的安格连 斯克气化站。这2个气化站都采用无井(筒)气化工艺。前苏联的试验性气化站，生产的煤气 热值低，产量不稳定，成本高。1977年,安格连斯克等气化站被关闭。南阿宾斯克气化站气 化烟煤，到1991年累计产气90亿

2、m3，煤气平均热值1.82MJ/m3(1600kcal/m3)。安格连 斯克气化站气化褐煤，1987年恢复运行，生产低热值燃料气供发电。 20世纪50年代，美、英、日、波、捷等国也都进行UCG试验，但成效不大。到50年代末都停止了试验。7080年代，除前苏联外,美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日本等国都进行试验。 美国UCG研究试验投入大量资金。劳伦斯·利弗莫尔、桑迪亚国家实验等研究机构，应用高 技术进行UCG的实验室研究和现场试验。到20世纪80年代中期，共进行29次现场试验，累计 气化煤 炭近4万t，煤气最高热值达14MJ/m3。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开

3、发成功的受控注入 点 后退(CRIP)气化新工艺，是UCG技术的一项重大突破，使美国UCG技术居世界领先地位。美国 UCG试验，证实了UCG的技术可行性，但产气成本远高于天然气，据美国能源部1986年评估报 告，地下气化成本为4.8美元/MBtu，而天然气井口价仅1.7美元/MBtu(1989年，1MBtu=28m 3天然气)，汉那商业性地下气化站设计预估成本高达10.4美元/MBtu。 西欧国家(英国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙)深度1000m以下和北海海底煤炭储量 很大。石油危机后，这些国家试图采用UCG技术从不能用常规方法开采的深部煤层取得国产 能源。1976年，比利时和原西德签署

4、了共同进行深部煤层地下气化试验的协议，1979年在比利时成立了地下气化研究所，进行UCG实验室研究和现场试验。19781987年，在比利时的图林进行现场试验。气化煤层厚2m，倾角15°，深860m。第一阶段采用反向燃烧法，试验失败。后来采用小半径定向钻孔和CRIP工艺，试验基本成功。1988年，6个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验证深部煤层地下气化可行性的商业规模示范。1991年10月到1998年12月，在西班牙特鲁埃尔进行现场试验。气化煤层厚2m，深500700m，采用定向钻孔和CRIP工艺。 罗马尼亚正在日乌河谷烟煤煤田进行UCG试验，目的是弥补天然气供应不足。 除上

5、述国家外，计划进行UCG试验或建设气化站的国家有：印度、巴西、泰国、保加利亚、 新西兰。1.1 国外技术发展1.1.1 早期的有井(筒)式气化工艺 UCG试验采用有井(筒)式工艺，需要开凿井筒、掘进巷道，或利用老矿的井巷。这违背了地下气化的基本宗旨是避免井下开采作业的初衷，而且准备工作量大，产气量小。1935年以后，发展无井(筒)式工艺，即从地面向煤层钻孔。过去50年，国外所有UCG试验和可行性研究都采用无井(筒)式工艺。1.1.2 UCG描述 最简单的UCG工艺是按一定距离向煤层打垂直钻孔，再使孔间煤层形成气化通道。然后通过一个钻孔把煤层点燃，注入空气或氧/蒸汽，煤炭发生热解、还原和氧化等气

6、化反应。蒸汽 提供反应所需的氢，并降低反应温度。产生的煤气从另一个钻孔引出，煤气的主要成分是H 2 、二氧化碳、CO、CH4和蒸汽，各种组分的比例取决于煤种、气化剂和气化效率。注入空气和蒸汽产生低热值煤气(1.96.3MJ/m3)；注入氧和蒸汽可得中热值煤气(8.211.0MJ/m3)。 低热值煤气可就地发电或做工业燃料；中热值煤气可作燃料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然气等产品。UCG的关键技术问题是连续钻孔的方法，即贯通技术、煤层勘测和气化过程的控制。1.1.3 贯通技术 迄今已试验5种贯通方法：电力贯通，爆炸破碎，水力压裂，反向燃烧，定向钻孔。只有后两种方

7、法证明是可行的。 （1）电力贯通。这是早期采用的方法，因煤层电阻大，耗电太多，而效果不好，早已淘汰 。 （2）爆炸破碎法。70年代，美国试验爆炸破碎法，未能使煤层产生足够的渗透性，而且难以控制。 （3）水力压裂。水力压裂是从钻孔向煤层注入带支撑剂(砂子等)的高压水，使煤层压裂， 排水后砂子留在煤层裂隙中，从而提高煤层渗透性。美国、法国、比利时、德国等都曾进行水力压裂试验，均以失败告终。1980年法国进行水力压裂试验，煤层深1170m，压力达750ba r，结果水砂倒流，发生堵塞。 （4）反向燃烧。反向燃烧是从甲孔点火，从乙孔鼓风，燃烧面的推进方向与气流方向相反 ，煤气从甲孔引出。美国ARCO煤

8、炭公司在怀俄明州吉利特附近进行试验，煤层厚34m，深213 m，为次烟煤。注入空气，煤气热值达7.9MJ/m3。 （5）定向钻孔。定向钻孔是石油工业开发的一种钻井新技术，它是从地面打垂直钻孔，钻 到一定深度后，钻孔可以拐弯，变成水平方向钻进，形成水平孔。定向钻孔有两种方法：一是逐渐拐弯，一般每30m拐36°，不需特制的钻具，曲率半径约500m。另一种是小半径拐弯钻进，需采用挠性钻具和孔内导向装置，曲率半径可小到15m。英国采用天然伽玛射线传感器导向，在厚度和倾角变化的煤层中进行定向钻孔试验，水平孔长达500m。比-德地下气化研究所在比利时图林大深度煤层UCG试验中，采用垂直钻孔、逐渐

9、弯钻孔和小半径拐弯钻孔相结合的设计方案。 此方案可用一个逐渐拐弯钻孔联接若干垂直钻孔，在气化几个煤层时尤其方便，而且垂直孔与层内水平孔的交接比较精确，两者距离可控制在小于煤层厚度的范围内。英国设想用定向钻孔技术气化北海海底煤层，水深25130m，煤层厚12m，从地面或近海钻井平台打定向钻孔。1.1.4 煤层勘测和模型研究 待气化煤层的精细勘测和气化反应带的预测和监测，是UCG能否成功的关键要素。在煤层勘测方面，已采用钻孔温差电偶、孔间地震仪等进行三维精细勘测。在地面用电阻率方法进行勘测也能取得良好效果，而且成本较低，有效深度约1000m。深部煤层用高频电磁波进行勘测，已证明是一种有效而经济的方

10、法。目前，UCG试验通常都采用计算机模型模拟气化过程，已开发出多种模型。应用这些模型，有可能相当精确地模拟气化反应过程，预测能够气化的煤量、煤气的产量和质量，以及生产成本。美国能源国际公司采用UCG经济性模型和现场试验数据，对拟建的怀俄明州汉那商业性气化站设计方案的经济性进行预测和优化。 1.1.5 气化过程控制 UCG是受多种因素影响的复杂的物理化学过程，难以控制。主要影响因素包括：煤层地质条件，煤质特征，涌水量，矿山压力，气化剂及其注入压力和流量等。气化过程控制的主要问题是冒落矸石对气流的影响，以及气化效率随气化带的推进而降低。美国在地下气化机理和气化过程方面进行大量的研究开发工作，包括气

11、化过程监测、自控和摇感技术，应用声学、地震学和电子技术，取得化学、热力学和地质学等方面的数据。1.1.6 环境影响评价及防治技术 美国和欧盟重视UCG对健康和环境影响的评价以及防治技术的研究。主要问题是气化区地面 塌陷，地下水污染，煤气净化系统排放物对环境的影响。美国能源部对怀俄明州70年代末进行试验的地下气化站对健康和环境的影响进行专项评估。对气化站附近地下水中的异丙基苯含量进行测量，并采用生物技术(需氧菌群)进行分解苯的示范试验，结果地下水中的苯含量下降80。1.2 美国的CRIP气化工艺美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室1976年开始研究UCG，在模拟研究和实验室研究的基础上，19

12、761979年在怀俄明州吉利特附近进行了6次现场试验，先后采用爆炸破碎、反向燃烧和定向钻孔贯通技术，注入空气和氧/蒸汽。这些试验除爆炸破碎效果不佳外，煤气热值都超过4MJ/m3，最高达10.3MJ/m3，但都发生冒顶、漏气和水流入等问题。为解决这些问题， 提高气化效率，该实验室研究开发出受控注入点后退气化工艺(CRIP)。这种新工艺把定向钻 进和反向燃烧结合在一起，定向钻孔先打垂直注入孔和产气孔，到达煤层后，从注入孔沿煤层底板继续打水平孔，直到与产气孔底部相交，然后在钻孔中下套管；开始气化时，用移动点火器在靠近产气孔的第一个注入点烧掉一段套管，并点燃煤体，燃烧空穴不断扩展，一直烧到煤层顶板，待

13、顶板开始塌落时，注入点后退相当于一个空穴宽度的距离，再用点火器烧 掉一段套管，形成新的燃烧带，如此逐段向垂直注入孔推进。 1983年，在美国华盛顿州森特雷利亚附近的韦特柯煤矿进行首次全规模现场试验。气化煤层厚11m，气化上部的6m，煤质为高灰分(20)、低渗透性次烟煤。试验历时30天，开始注入空气和蒸汽，第14天注入氧和蒸汽，气化煤量为1814t，煤气热值9.5MJ/m3。CRIP工艺的最大优点是气化过程能够有效地得到控制。因为水平注入孔位于煤层底部，气化过程在受控条件下由注入点后退逐段进行。这一特点使它特别适用于大深度煤层和特厚煤层。气化大深度煤层时，一个产气孔可连接一组垂直注入孔，煤气可通

14、过已烧过的空穴流动，解决了在极高的岩层压力下保持通道的问题。气化厚煤层时，当空穴扩大并发生大冒顶时，可保持垂直注入孔的完整性。CRIP工艺的另一个突出优点是产气量大，还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸出的煤气。CRIP工艺的主要缺点是点火操作比较复杂。CRIP工艺在美国试验成功以后，国外所有地下气化试验或可行性研究项目都采用这种新工艺。1.3 国外重要UCG项目国外UCG试验和商业性示范项目主要有俄罗斯的南阿宾斯克气化站，美国的汉那、罗林斯和森特拉利亚气化试验，以及比利时的图林和西班牙的特鲁埃尔气化试验。1.1.1 俄罗斯南阿宾斯克气化站南阿宾斯克气化站位于俄罗斯库兹巴斯矿区。煤层厚29m，倾角

15、5570°，深50300 m，煤种为气肥煤。1955年建成试验性气化站，设计年产气能力5亿m3，采用井(筒)气化工艺。到1991年累计气化煤炭3Mt，产气90亿m3，煤气平均热值1.82MJ/m3(1600Kcal/ m3)。煤气供附近12个工矿企业用作燃料。 1.1.2 美国汉那地下气化试验 19721979年，美国能源部拉勒米能源技术中心在怀俄明州汉那附近进行地下气化试验。气化煤层为次烟煤，厚9m，深49122m。首次采用反向燃烧法，注空气，气化煤炭15741t，煤气热值4.06.6MJ/m3。19871988年，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室采用CRIP工艺在汉那进行试验

16、，获得成功。 1.1.3 美国罗林斯地下气化试验19791981年，Gulf研究与发展公司在怀俄明州罗林斯附近的一个急倾斜煤层进行地下气化试验。气化煤层厚7m，倾角63°，深30m，煤种为次烟煤，钻孔贯通。试验分3个阶段进行。第一阶段注空气，煤气热值5.9MJ/m3；第二阶段注氧气，煤气热值9.8MJ/ m3；第一、 第二阶段的注入压力为485795kPa；第三阶段注氧气，最大压力提高到1100kPa，煤气热值12.9MJ /m3，有19天平均达14MJ/m3。累计气化煤炭7766t。这是美国最成功的一次地下气化试验。 1.1.4 美国森特雷利亚地下气化试验1983年，劳伦斯

17、3;利弗莫尔国家实验室在华盛顿州森特雷利亚附近进行地下气化试验。气 化煤层厚11m，气化上部6m，煤层深75m。采用CRIP工艺，运行30天，气化煤炭13315t，煤气热值9.5MJ/m3。1.1.5 比利时图林煤炭地下气化试验这是比利时和德国深部煤层地下气化试验合作项目。试验地点在比利时波利纳日煤田的图林。气化煤层厚4m，深860m，煤种为瘦煤。19781980年打了4个钻孔，呈星形布置，2号孔居中，1、3、4号孔沿圆周布置，与2号孔相距35m。第一阶段采用反向燃烧法进行贯通试验，由1号孔注入高压空气(最大压力260bar)。由于地层压力高达200bar，煤层刚被烧通，周围煤体即在高压作用下

18、产生蠕动，将通道封死，注入孔底附近的煤层发生自燃，试验失败。1983年改用小曲率半径定向钻进技术进行贯通试验。采用多节挠性钻管，依靠钻孔中的导向装置导向，使垂直注入孔逐渐转向，进入煤层中继续钻进，钻到距垂直生产孔24m处停止，用175bar高压水打通，完成贯通。曲率半径仅15m。1986年定向钻孔顺利完成。气化试验采用美国的CRIP工艺。为适应深部煤层，对此工艺作了一些修改。从垂直注入孔下套管，在套管中用350bar压力推入蛇管。蛇管内装有3根热电偶电线和2根可燃的空心管，一根空心管用来输氧，另一根空心管用来输送三乙基硼和甲烷。蛇管端部固定点火器。气化时，通过热电偶点火，使钢管和蛇管一起反向燃

19、烧，第一段烧掉11m，然后以80bar压力、7000 m3/h流量注入空气，待气化约10t煤以后，压力降至2030bar。第二段和第三段再从注入点分别后退11m，第二段注入40氧气、30 二氧化碳和40 N2混合气体，第三段注入40氧气、60二氧化碳混合气体，压力均为25bar，流量2000 m3/h。最后阶段以25bar压力、10000 m3/h流量注入空气，若温度太高，注入1200 m3/h的N2。气化剂采用氧气和二氧化碳，不用蒸汽。因为蒸汽要在 250下输送，成本高，而且在到达气化带前会因岩层的热交换而冷凝。采用氧气和二氧化碳注入孔不用绝热，孔径可减少35。1.1.6 西班牙特鲁埃尔煤炭

20、地下气化试验1988年，6个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验证欧洲典型煤层地下气化可行性的商业规模示范。项目选定西班牙特鲁埃尔矿区中等深度煤层进行现场试验。该项目实施时间7年零3个月，从1991年10月到1998年12月。气化煤层为次烟煤，厚约2m，深500700 m，硫分高达7.26。采用CRIP工艺。用潜孔钻机进行小半径定向钻进，注入孔和生产孔相距150m，注入管和点火器与图林项目基本相同，在地面用特制的滚筒使其在注入孔内移位。气化试验从1997年6月30日开始，共进行3次(即注入点后退3次)，到10月6日结束。气化剂为氧 和水。气化过程对气化剂流量、产气孔压力、煤气流量和组分

21、等进行监测和分析。根据参与气化的元素质量平衡测量气化煤量、煤气损失量和地下水涌入量，用示踪气体氦监测煤层空穴的扩展动态。气化试验完成后，在地面钻孔并取芯，勘测气化空穴的形状和气化残留物。对气化区周围地下水中的污染物以及煤气输送管道的腐蚀进行取样分析。试验结果表明：定向钻孔适于建立气化通道，CRIP工艺效果良好，运行顺利；煤气产出率随注氧量增加而增大，反应灵敏，因此有可能使气化过程暂停几天时间，这对发电很有利；煤气热值达10.9MJ/ m3，与地面气化相当，约为天然气的1/3；煤炭地下气化的环境影响应引起重视。这次试验解决了一系列技术问题。如果现有的技术问题得以解决，并证明经济合理，煤炭地下气化

22、可在1015年内实现商业化，这是欧洲利用自有煤炭资源发电的战略选择。此外，欧洲地下气化技术还有良好的出口前景，包括钻井、完井所用特种钢，气化工程技术等。 1.4 结论 （1）发展UCG的基本宗旨。开发利用本土能源资源、从根本上杜绝矿井伤亡事故以及减少煤炭开采和利用对环境的损害，是各国发展UCG共同追求的目标。最初提出UCG的一个根本出发点，就是使煤炭直接在地下转化成气体燃料，完全取消井下作业，从根本上杜绝矿井伤亡事故和井下作业导致的职业病。因此，虽然早期的UCG试验曾采用有井(筒)式工艺，但1935年以后就开始发展无井(筒)式工艺。过去60多年国外所有UCG试验和可行性研究，都采用无井(筒)工

23、艺路线。经济合作与发展组织/国际能源机构 (OECP/IEA)1999年出版的非常规开采认为：有井(筒)式工艺违背了UCG避免井下作业的初衷，采用油气工艺的定向钻进技术解决了气化通道的贯通问题。 （2）UCG不能替代常规采煤方法。国外普遍的看法是UCG不能替代常规采煤方法，只可用来开采常规方法不可采或开采不经济的煤层，包括大深度煤层、高灰高硫劣质煤、急倾斜煤 层和薄煤层，成为提供洁净能源的一种可供选择的途径。 （3）UCG煤气有多种用途。气化过程注入空气和蒸汽，生产低热值煤气(1.96.3MJ/m3) ，可就地发电或用作工艺燃料。注入氧和蒸汽可得中热值煤气(8.211.0MJ/m3)，可用作燃

24、料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然气等产品。（4）UCG是一项涉及多种学科的高技术。多项高技术的应用，是欧美国家UCG研究试验取得重大进展的关键。这些技术包括：应用声学、地质学、地震学、化学、热力学和电子技术，研究地下气化机理；UCG计算机模型，模拟气化过程，测算煤气产量和质量、生产成本；待气化煤层的精细勘探、三维勘测技术；气化过程自动监测和控制技术；耐高温、抗腐蚀特种合金钢管和特种泥浆；适于UCG的先进燃气-蒸汽联合循环发电技术；UCG环境监测和防治技术。（5）UCG技术尚不成熟。UCG虽已证实技术和工程可行性，但技术尚不成熟，存在一系列有待解决的问题，主要是

25、气化过程很难控制；冒顶可能严重干扰气化过程，地下水进入气化带；烟煤加热膨胀产生塑性变形，会阻塞气化通道，煤气中的固体颗粒和焦炭会堵塞和腐蚀管道。（6）目前没有发展新一代UCG技术的研究开发活动。定向钻孔和CRIP气化工艺是UCG技术的重大突破。但是国外近年UCG技术的研究开发活动，致力于改进现有工艺和设备，解决气化和环保等方面的技术问题，没有发展新一代UCG技术的研究计划。（7）UCG要解决一系列环境问题。UCG的优点是不排放矸石，粗煤气经净化处理后成为一种洁净的燃料。但UCG对环境的损害也是尚待解决的一个重大问题，美国能源部把解决环境问题作为UCG商业化的前提条件。首先是气化残留物中的有害有

26、机物和金属污染地下水。其次是气化区会产生地面塌陷，需采取复田等措施。第三是粗煤气净化系统的排放物对环境的影响，必须加以处理。 （8）需要国际合作。UCG技术研究开发和示范是高投入高风险大型项目，加强国际合作对促进其商业化是十分重要的。西班牙深部煤层地下气化试验是一个高难度项目，也是20世纪90 年代国外唯一的大型UCG试验项目，技术上取得了重大进展，这是持续20年的国际合作的成果。这次试验的成功，增强了欧盟成员国深部煤层地下气化商业化的信心，并使欧盟在这一高技术领域的国际竞争中处于有利地位，为出口相关技术提供了机会。 （9）UCG的前景。预测UCG商业化的前景是困难的。国外大多数专家仍把它看作长期的目标，关键在于能否和何时解决技术上存在的问题(包括气化工艺和环境损害防治)，以及何时能够同石油天然气相竞争，政府的政策也是一个重要因素。因此，各国的情况是不同的。欧盟煤炭地下气化工作组1999年的报告认为，若能解决现存的技术问题而且经济上可行，UCG有可能在1015年内实现商业化。