鄂尔多斯盆地杭锦旗地区煤样地下气化物理模拟实验

鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区煤炭资源丰富,煤层地下气化是安全清洁高效开发利用煤炭资源的潜在途径。利用杭锦旗地区新井渠深部钻井取得的煤样,开展了煤层地下点火实验和气化燃烧物理模拟实验,为现场先导试验提供依据。实验结果表明:高压条件下气化剂氧气浓度增加可显著降低煤层着火点,3 MPa条件下30%富氧气浓度可以使大块煤样的着火点从空气条件下的490℃降低至390℃;煤样整体气化反应活性较好,水蒸气反应活性优于CO_(2),1 000℃条件下CO_(2)及水蒸气均可被有效地还原;氧气浓度和含水量对气化产出物组分影响较大,水氧比越高,产出煤气中H2和CO_(2)含量越高,CO含量明显减少;氧气浓度越高,产出煤气有效组分越高;注气点后退气化工艺可有效控制火区实现稳定气化,产出煤气有效组分浓度可稳定在55%~65%,且随着气化压力升高,甲烷浓度明显提高。实验揭示的规律特征可为矿场试验点火、气化剂配比设计以及气化稳定控制等提供参考。

煤炭地下气化的敏感性地质因素探讨

相对于地面煤化工装置,煤炭地下气化(UCG)炉体为地质体,地质条件准确认识是推进UCG气化成功的关键前提。为了最大限度避免煤炭地下气化选区选址地质风险,以贵州复杂地质条件为例,系统探讨其煤炭地下气化的敏感性地质因素。通过收集梳理贵州煤炭资源勘查资料,建立归一化的参数分级赋值、参数权重向量算法、参数权重积算法等数学模型,准确获取研究区地质参数量化数据;基于由26个地质因素构成的地质参数集,采用数理统计方法,识别地质风险关键因素对复杂构造区煤层UCG可行性的交叉影响,查明建炉可行性、过程易控性、气化安全性、开发经济性“四性”指标敏感性地质风险源。结果表明:“四性”指标地质参数的敏感性有所差异,建炉可行性、过程易控性、气化安全性、开发经济性的地质因素敏感性依次变弱,UCG可行性对建炉可行性的依赖性最强,过程易控性次之,其他两个条件离散性相对较大,敏感性明显降低;就敏感性程度而言,26项地质参数中最为敏感的是煤的坚固性系数,其他8个主控地质因素分别是煤层厚度、煤层倾角、煤厚变异系数、夹矸厚度系数、断层指数、煤层埋深、奥亚膨胀度和黏结指数,影响建炉可行性、过程易控性两个方面。就贵州UCG敏感性地质因素来说,UCG项目成功与否的关键在于建炉可行性,气化炉选址应优先考虑构造发育特征及其对煤层条件的影响;为持续推进煤炭地下气化产业发展,下一步或可立足于我国煤炭资源特性及赋存条件实际,以“四性”认识为基础建立统一的UCG地质风险评价准则,进而为典型地质条件先导性试验区选址提供科学依据。

2024中国煤气化暨绿电、绿氢耦合煤化工发展大会(中国核心期刊《煤化工》第十届编委会第二次会议同期召开)

一、煤气化、生物质气化、垃圾气化---“主流炉型+新开发炉型”气化技术专利商:交流其技术新进展,具体项目应用过程中问题及解决方案。---合成氨/尿素、甲醇、现代煤化工生产企业代表:交流气化炉及全厂运行过程中经验、问题及解决方案。

新疆宣东SE水煤浆气化装置开车成功

近日,由中石化宁波工程有限公司编制工艺包并提供技术服务的新疆宣东能源有限公司气化装置顺利投产,各项技术指标均达到工艺包设计水平,标志着该公司SE煤气化技术的推广工作取得新突破。新疆宣东能源有限公司位于哈密地区淖毛湖煤化工循环经济产业园区,其气化装置配置2台日投煤量1000吨级水煤浆水冷壁气化炉,是SE水煤浆气化技术在中国石化系统外的首次应用。自技术许可合同签署以来,宁波技术研究院牵头该公司工艺系统室、工艺安装室、电控室、设备室等相关专业,扎实开展工艺包编制与技术服务,为装置成功投产提供了技术支持。

煤炭地下气化注气方式与能量回收效率

研究不同注气方式煤炭地下气化(UCG)能量回收情况,有利于发展更高效的UCG工艺。设计并实施了固定和移动注气点UCG模型实验,基于化学计量学和碳平衡法计算了气化煤耗总量及速率,对比分析了2种注气工艺对煤气组成和热值的影响。在此基础上,分析了不同注气方式下煤气产量和有效气体组成的变化,评价了2种注气工艺实验的能量回收效率。结果表明,固定注气点实验中提高O_(2)净注入流量可改善煤气热值衰减的现象,但随着气化空腔的扩大,提高O_(2)净注入流量对气化反应的促进作用逐渐降低;分3次提高O_(2)净注入流量,煤气热值分别提高2.01、1.27和1.10 MJ/Nm^(3),气化效率(煤气的热值与碳的燃烧热之比)分别提高14.64%、9.45%和7.73%。移动注气点位置,可实现煤气热值和气化效率的短时间快速回升,分4次移动注气点位置,每次移动距离为300 mm,煤气热值分别提高2.95、3.32、3.37和2.54 MJ/Nm^(3),气化效率分别提高17.99%、21.04%、27.88%和13.92%。2种注气工艺实验分别气化了72.49 kg和91.47kg的煤,平均煤耗速率分别为0.97和1.27 kg/h,气化效率和煤耗速率呈同步突变,这一现象在改变气化剂注入条件和移动注气点位置后更为明显,表明气化效率与煤耗速率具有一定关系。相比固定注气点实验,移动注气点位置可有效改善气化效果,相同的气化剂注入条件下,有效气体组分和气化效率分别提高12.5%和23.23%。

深部煤炭地下气化制氢先进能效分析

深部煤炭地下气化制氢不仅可以利用我国丰富的深部煤炭资源,将传统采煤方法难以开采或开采不经济的深部煤层转化为氢气,而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于位于加拿大天鹅山的世界上唯一千米级深部煤炭地下气化试验数据,结合Aspen Plus过程模拟,以先进[火用]为先进能效指标,对深部煤炭地下气化制氢能量利用情况进行分析。与商业化的Lurgi地面煤气化制氢路线作对比,以产出单位质量氢气的积累[火用]消耗为指标,比较了2种制氢路线的能量消耗水平。结果表明,在氢气生产能力为12亿Nm^(3)/a情形下,深部煤炭地下气化制氢从原料到产品的总[火用]损失为451.79 MW。先进[火用]分析可以有效量化气化过程可以避免的[火用]损失,其中39.9%为不可避免[火用]损失。甲烷重整单元的内部可避免[火用]损E_(dest,k)^(AV,EN)和外部可避免[火用]损E_(dest,k)^(AV,EX)分别为96.63和81.58 MW,具有最大能效提升空间,如能利用转化气、烟道气的热量副产蒸汽,可将其内部可避免[火用]损失减少38.5%。地下气化单元的E_(dest,k)^(AV,EN)和E_(dest,k)^(AV,EX)分别为4.38和62.73 MW,表明降低其[火用]损失的重点应放在提高其他单元的能量效率,从而降低外部可避免[火用]损。其余单元改进空间均比较小可不予考虑。以积累[火用]消耗量为标准衡量能量消耗水平时,产出1 kg氢气,深部煤炭地下气化制氢的积累[火用]消耗为376.1 MJ,仅为Lurgi地面煤气化制氢的83.6%,表明深部煤炭地下气化制氢能够显著降低能量消耗水平。敏感性分析显示,2者积累[火用]消耗的差距随着生产规模的扩大而增加。研究结果可为深部煤炭地下气化制氢的过程优化及技术可行性定量化提供科学依据。

碎煤熔渣加压气化过程数值模拟分析

碎煤熔渣加压气化技术(British Gas-Lurgi,BGL)取缔了炉篦,干法排渣改液态排渣,气化性能显著改善。为揭示BGL煤气化本质结构特征,支撑企业气化装置性能再提升,论文采用数值模拟方法构建了热力学平衡模型、煤气化动力学模型和欧拉多相流模型,并验证了模型合理性。模拟研究表明:与鲁奇煤气化相比,气化平衡温度由795℃(鲁奇炉)提高到1029℃,水蒸气分解率由32.66%提高到93.12%;床层最高温度由1110℃提高至1837℃,远高于煤灰流动温度1210℃,提高了气化强度,保证了液态排渣;BGL煤气化反应在炉膛下部基本完成,仅有少量水蒸气参与变换反应,粗煤气中的CH_(4)基本来自煤热解;气化炉床层腾涌波动,增强了传热传质;喷嘴射流冲击煤焦颗粒,形成向中心区延伸的椭球形燃烧回旋区,成为BGL煤气化的重要功能单元,实现一次布气,为气化层和熔渣池提供热量;熔渣池中液渣上下回旋流动,有利于降低熔渣残碳,保障顺畅排渣。

GSP干煤粉气化炉气化灰渣特性研究及其掺烧利用分析

为实现煤气化灰渣资源化、减量化、无害化利用,对某GSP干煤粉气化炉气化细渣和气化粗渣进行分析,研究气化灰渣的化学组成、粒径分布、显微结构、灰熔融特性和燃烧特性,并对其综合利用方向提出建议。结果表明:气化粗渣和气化细渣的烧失量分别为1.14%、35.15%,发热量分别为0.38 MJ/kg、10.83 MJ/kg;气化细渣和粗渣的主要化学组成是SiO_(2)、Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、CaO,粗渣中SiO_(2)、Fe_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)质量分数总和为79.40%,粗渣可做建材、建工类原料使用;气化细渣的比表面积为203.01 m^(2)/g,平均孔径为5.61 nm,具备制备吸附剂和活性炭的潜质;气化细渣的燃烧失重率为34.74%,接近其烧失量,说明气化细渣具有一定燃烧反应活性;氧气浓度的增加可以明显改善气化细渣的燃烧特性。气化细渣掺烧再利用经济性分析结果表明:气化细渣掺烧不仅能够替代部分燃料煤,节约燃料成本,还可实现气化细渣资源化利用。

贵州化处矿区煤炭地下气化物理模拟试验

为了深入探究贵州六枝化处矿区贫煤气化工艺参数,稳步推进贵州煤炭地下气化工程示范,开展了系列地下气化物理模拟试验和理论分析。通过构建综合模型系统,模拟了不同氧气浓度、气化炉结构和煤层湿度等条件下的气化过程,系统地探究了贫煤地下气化的特性、气化效率和气化工艺参数等。试验结果表明,气化炉结构差异对合成气组分有显著影响,同时,气化通道的支护方式、气化剂浓度、煤层含水量也会影响合成气组分。在适当的氧气浓度下,贵州六枝化处地区的贫煤能够稳定气化产出合成气,70%以下富氧环境下,随着氧气浓度的增加,煤气有效组分逐渐提高,煤气热值也相应增加;超过70%富氧时,有效组分中CO含量开始下降;温度场方面,气化过程的推进会直接影响温度场推移方向,且在煤层中会存在高低温区交叉分布的特征,主要是由于煤层中煤块之间存在裂隙,形成绕流燃烧而引起的。后期实际生产中,要控制气化剂氧气浓度,提高气化效率;钻井底部加强支护,采取热胀冷缩保护;增加辅助措施维持气化炉内温度场稳定性;为了提高H_(2)、CO组分浓度,需注入雾化水,增加还原性。通过深入探究不同工艺参数条件下贵州化处矿区贫煤地下气化特性,为下一步实际生产中气化工艺参数优化、气化效率提高和煤气质量提升提供了科学数据支撑。

煤的气化反应性与其组成的关系研究

为探究不同变质程度煤的气化反应性,采用下落式固定床反应器,以CO_(2)为气化剂,对11种不同变质程度煤的气化反应性进行了实验研究,考察了煤的气化反应性与挥发分、固定碳、碳含量及灰组成的相互关系。研究结果表明,在1 400℃下,11种不同变质程度煤的气化反应性仍有较为明显的差异,低变质程度煤的气化反应性远高于中/高变质程度煤的气化反应性,其完全气化反应所需时间和气化反应指数最大有7倍之差;从工业分析和元素分析看,挥发分、固定碳和碳含量与煤气化反应性均具有较好的相关性,相关系数为0.88以上;从灰组成分析看,碱性指数与煤气化反应性相关性较差。为此,可根据煤的挥发分、固定碳和碳含量等组成信息预测煤气化反应性的优劣,为煤气化应用提供参考。

小龙潭褐煤的高温气化反应动力学研究

以小龙潭褐煤为研究对象,在下落式固定床中对其二氧化碳高温气化反应性进行了研究。在1000~1500℃温度范围内,测定了小龙潭褐煤气化碳转化率与时间的关系。采用缩核芯模型、均相体积模型和表观动力学模型,对气化实验数据进行了拟合,得到了煤样二氧化碳高温气化反应的速率常数、活化能和指前因子等动力学参数。从三种模型的拟合结果可以看出:三种模型均能有效拟合褐煤的高温气化过程,相关系数都在0.96以上;相比之下,缩核芯模型的拟合效果最好,表观动力学模型次之,表明缩核芯模型的模型假设更接近褐煤高温气化反应过程,即褐煤高温气化反应以气体扩散控制为主,反应主要在煤样/半焦外表面进行;由三种模型拟合计算所得褐煤的表观活化能分别为45.6 kJ/mol、45.8 kJ/mol、47.1 kJ/mol,缩核芯模型和表观动力学模型拟合所得活化能非常接近,印证了模型拟合结果具有较高的可信度。

生物质气化的研究进展

生物质能源具有安全性高、环保性强、分布广泛、易储存运输和产量大的优点,生物质能已成为继三大化石能源后的第四大能源,生物质气化作为生物质的一种重要应用形式,具有巨大的发展潜力和价值。介绍了生物质气化的概念、基本原理,并分析了气化剂气化、热解气化、催化气化、等离子体气化、超临界水气化等气化技术的优缺点,同时阐述了固定床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉、回转窑炉和等离子气化炉的工作原理及各自优缺点,最后指出生物质气化技术目前面临的问题,提出解决措施。

煤炭地下气化试验综述与产业化发展建议

在实现碳达峰碳中和(“双碳”)目标和保障国家能源安全的双重需求驱动下,我国煤炭地下气化(UCG)迎来了新的历史发展机遇期。为科学制定技术攻关路线、加快产业化发展,按时间顺序梳理了煤炭地下气化试验历程,将其分为矿井式气化、直井/定向井气化、水平井气化3个发展阶段,探究了不同阶段推动气化技术革新的底层逻辑,从技术和非技术2个方面分析了未能产业化的原因并提出产业化发展建议。研究表明:(1)水平井+可控注入点后退气化工艺不仅能够有效规避浅层气化在地表沉降、淡水污染方面的风险,而且在扩大煤炭纵向开发范围、提高单井控煤量、提升粗煤气品质、保障连续气化方面具有优势,是当前和今后一个时期的主流技术路线。(2)我国是现场试验时间最长的国家,长期处于矿井式气化阶段,虽然我国中深层煤炭地下气化攻关试验刚起步,但是由于该技术攻关难度大、技术成熟度低,主要富煤国家在技术研发上基本属于同一起跑线,有希望成为我国钻井式气化技术弯道超车的新赛道。(3)技术适用性不强是造成矿井式、直井式气化产业化困难的主要技术原因,技术成熟度较低是制约水平井气化产业化的主要技术原因,长期稳产高产问题尚未得到彻底解决。(4)常规天然气低成本开发和页岩气革命的冲击,民众对浅层气化诱发环境污染的担忧,政府对煤炭地下气化的政策转向,是导致国外试验终止的主要非技术原因;发展规划长期空白、科研试验主体相对单一、科研投入不足、产业扶持政策未出台、联合创新机制未建立是阻碍我国气化产业化的非技术原因。提出我国UCG产业化建议:新时期要充分认识煤炭地下气化技术的复杂性和挑战性,按照“干成”“干好”两个维度,破解“长期稳产”和“高产优产”两个核心问题,通过同步推进科研攻关和现场试验不断提高技术成熟度,在生产端采用“先物理采气后化学气化”的梯级开发方式避免与煤层气开发竞争,在利用端积极探索与油气、新能源、煤化工融合发展模式以提高经济效益。作为一种“人造气藏”的颠覆性开发方式,煤炭地下气化攻关成功后能为其他矿产资源的流态化开发提供技术借鉴,助推我国化石能源非常规开发技术实现新跨越。

中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

煤炭地下气化是目前温度最高(超过1200℃)的化石能源非常规开发方式,中深层(本文指埋深800~1500 m)煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退(CRIP)工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明:岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01~1)时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。泥岩加热到200℃时开始出现微裂隙;加热到400℃时裂隙发育更加明显,主要是沿颗粒边缘破裂;加热到600~800℃时,裂隙数量增多、尺寸变大;加热到1000℃时,除出现较大裂隙外,还产生了大量孔隙;1200℃时裂隙连通性明显增加,气孔发育较大。由于高温的影响,薄板模型的步距准数不再是定值,需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值。气化腔安全宽度受温度影响,在研究算例中,砂岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m,相差达58.9%,泥岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为16.7 m和15.9 m,相差4.8%。最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度,提出了煤层纵向靶区位置的确定方法,当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时,建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置。

基于Aspen Plus的气流床煤气化炉建模及其变工况特性研究

【目的】研究整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle,IGCC)电站中煤气化炉的运行机理,分析和优化煤气化炉的关键运行参数。【方法】基于Aspen Plus建立了气流床煤气化炉的稳态热力学模型,并与文献中数据进行比对,验证了模型准确性,在此基础上,开展了对煤气化炉关键参数敏感性的研究。【结果】热力学模型适合对稳态的煤气化过程进行模拟,具有模拟结果准确、建模简单和计算量不大的优点。【结论】敏感性分析的结果表明:氧煤比是影响煤气化过程的最主要的运行参数,氧气不足和氧气过多都会造成合成气有效成分的产量减少,建立的Shell气化炉模型的最佳氧煤比在0.85左右;水煤比也是影响煤气化过程的关键参数,气化炉内能量充足时,增加输入水的量可使合成气中含有更多的氢气,而能量不足时过多的水也会导致合成气有效成分的减少。

煤炭地下气化技术现状及大庆油田发展潜力分析

煤炭地下气化技术是一种将煤转化为可燃气体的新型能源技术,其基本理论已形成,且国内外有大量的应用实例,证实了该项技术具有一定的可行性。大庆油田作为中国重要的石油工业基地,为实现可持续发展,需进行资源领域接替和战略转移。通过对煤炭地下气化技术原理分析及国内外技术现状调研,重点开展了气化炉构建、气化点火运行、气化监测控制等关键技术分析,并结合大庆油田的实际情况,分析了大庆油田在煤炭地下气化技术方面的地质条件和潜力,以及现有技术资源的优势,认为大庆油田在煤炭地下气化技术的开发利用方面拥有巨大的优势和潜力,并为典型井组现场试验提供了技术支撑。

新疆准东煤水煤浆气化灰渣特征研究

对新疆准东煤水煤浆气化灰渣的热值、烧失量、粒径、化学组成、孔隙结构、微观结构和燃烧特性等进行了研究,结果表明:气化细渣中热值和烧失量明显高于气化粗渣;气化粗渣和气化细渣的d 50分别为338.98μm和126.84μm;气化粗渣和气化细渣的主要化学成分均为SiO 2、Al_(2)O_(3)、CaO和Fe_(2)O_(3),主要矿相都包括非晶态硅铝酸盐和碳,并夹杂着石英、方解石等晶相;气化粗渣和气化细渣的平均孔径分别为5.68 nm和5.56 nm,比表面积分别为85.81 m^(2)/g和202.88 m^(2)/g。采用扫描电子显微镜观察发现,气化粗渣主要由块状颗粒和球状颗粒组成,而细渣主要包括不规则颗粒、球形颗粒和絮团状颗粒,并在絮团状颗粒上附着和包裹球形颗粒,其中不规则颗粒和絮团状颗粒主要由C元素构成,而球形颗粒主要以硅铝酸盐为主。热重分析结果表明,气化粗渣和气化细渣的燃烧失重率为16.81%和35.04%,综合燃烧特性指数分别为7.16×10^(-8)%2/(min^(2)·℃^(3))和1.51×10^(-7)%2/(min^(2)·℃^(3))。

基于气化智能平台的多源含碳固废协同气化探索和实践

“双碳”背景下,多源固废与煤协同气化既是固废减量化的有效手段,也是提高煤气化炉功能性的措施。从建立气化智能平台入手,探索将石油焦、油泥、农林废弃物等含碳固废通过与煤共气化,从而实现废物利用的途径。通过建立煤、石油焦等多源气化原料性质数据库,对原料性质进行研判和数据集中管理,结合配煤专家系统为不同类型的气化炉提供二元或三元气化原料的优化配伍方案。解决了协同气化配伍方案因缺乏理论依据难确定、废物成分复杂易影响合成气产量及气化炉安全平稳运行等问题。对多源固废协同气化的可行性进行了探索,并将研究结果应用于企业实践。

气化理论指导下构建药物气化模型

目的:基于气化理论构建药物气化模型,指导临床遣方用药。方法:以气化理论为指导,借助于药物性味药理,并结合法象药理,分别从药物气味偏性及升降沉浮运动特性进行阐释,构建药物气化模型。结果:中药所具备天气赋予的“温热寒凉”及地气赋予的“酸苦辛甘咸”特性,以升降出入运动形式分达五脏之气所,纠正人体气机之偏,此即药物气化。该模型强调了气的动态性,旨在维护五脏间平衡关系,调理阴阳升降之势,为临证遣方用药提供了思路。结论:气化理论是中医理论的核心和基础,为后世医家提供基本的中医思维方式,并对疾病预测及指导中医辨证具有极大意义。

基于“气化则湿亦化”论治湿滞三焦

“气化则湿亦化”论述源于清代医家吴鞠通的《温病条辨》。三焦之湿均因气化不利所致,治湿皆需以行气为本,重在宣畅气机,恢复三焦气化。治湿犯上焦,需宣肺利气、化湿开郁;治湿阻中焦,重在健脾行气,使脾气畅达,既助湿化,又杜生湿之源;治湿滞下焦,需淡渗通阳,因势利导。治湿之“开上、宣中、导下”三法均寓有“气化湿亦化”之机理,而轻宣、开泄、芳化、淡渗等诸法也应随证而用。“气化则湿亦化”学术思想的挖掘可为中医湿证的基础研究与治湿法的临证应用提供理论参考。