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。

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。

煤炭地下气化碳减排技术研究进展与未来探索

煤炭地下气化(UCG)与碳减排的相互融合,有望成为当前至碳中和到来之前过渡阶段的优秀绿色能源技术,甚至在未来更长的碳中和历史时期发挥重要作用。回顾研究历史与现状,UCG减排系统策略基本形成,可归纳为5种具体途径。其中,地下原位定向调控可减少CO_(2)释放产出并促进UCG提质增产,相关策略和途径可归纳为“碳调减(CRR)”。UCG-CO_(2)地下空间超临界气态封存研究成果相对较多,主要集中在封存介质、封存空间、封存能力等方面,少数研究讨论了封存机制。UCG-CO_(2)地下空间矿化封存不受地质体稳定性和封闭性苛刻条件的约束,潜在着固碳和转化产气的双重效果,但研究成果尚不多见。UCG-CO_(2)回注利用与封存的前期探索集中在煤层气增产和UCG合成气生产改善2个方面,近年来开创了UCG制氢尾气CO_(2)减排利用系列性探索。CRR作为一种主动减排策略,通过调节气化剂及其注入方式来定向调减UCG合成气中CO_(2)浓度,理论成果较多并且经过现场初步验证,有望成为集清洁能源生产与碳减排为一体的洁净煤实用技术。评述进展并分析短板,UCG碳减排科学技术研究已取得诸多实质性成果,也面临持续发展的挑战,未来探索似应聚焦在4个方向:一是立足可行,优先发展以UCG-CRR为重点的UCG-CO_(2)地下转化利用技术;二是聚焦短板,着力突破UCG减排-合成气提质协同机理和关键技术瓶颈;三是扎实推进,优先启动实施UCG-CRR先导试验和工程示范,探索步步取得实效;四是保障实现,探索建立由碳中和与碳管理战略、专项科技行动计划、专业人才培养构成的“三位一体”UCG减排政策支撑体系。

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。

贵州贫煤煤炭地下气化工艺参数研究

为推动煤炭地下气化(UCG)产业化发展进程,揭示高变质烟煤UCG工艺过程中物料转化的整体规律和影响因素,以贵州贫煤为例,系统探讨了不同气化剂配比下气化工艺参数的变化。通过收集梳理研究区资料,分析目标煤层煤质及煤热解动力学参数,并基于物料平衡与能量守恒理论基础,构建了物料平衡模型,对贫煤UCG工艺的参数进行了数值模拟分析,结果表明:研究区贫煤在N2气氛下热解DTG峰值温度为417.2℃,且随升温速率增加而升高,煤样的总失重率则随之降低;注水条件下,气化剂中氧气浓度的升高能够促进煤的气化反应,提高气化效率和合成气产品质量;但当氧气浓度超过80%时,煤气热值与CO的增长趋势会逐渐放缓;在纯氧-水气化工艺条件下,合成气产品有效组分达到65%,高热值为9.135MJ/m^(3)。相关成果可为贵州UCG产业化推进提供参考。

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。

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。

煤炭地下气化开发利用现状与发展趋势

煤炭地下气化(UCG)作为一种可以将固体煤转化为气体燃料的技术,将煤炭在地下进行气化反应,可以缓解由于在地上燃烧煤炭而产生的大气污染,助力碳减排社会效益,对于实现低碳发展具有重要作用。以建立“清洁、低碳、安全、高效”的能源获取方式为出发点,介绍了我国煤炭地下气化的研究历程、发展目标和政策方针,对我国发布的关于煤炭资源利用和煤炭地下气化技术的相关政策进行了分析解读。分别从经济、环境、社会效益3个维度对煤炭地下气化的开发利用价值进行分析,指出煤炭地下气化技术的开发利用可以为我国煤炭行业带来一定的效益。同时,在推动煤炭地下气化技术的发展过程中,还要注重环境保护和管理措施,确保技术实施的安全性和可持续性。基于PESTEL模型从政治、经济、社会、技术、环境、法律5个方面对煤炭地下气化技术的开发进行全面、系统的分析,并阐述了我国煤炭地下气化技术发展的不利因素。最后根据PESTEL模型分析结果,从技术、政策和环境3个方面对我国煤炭地下气化的发展提出了相应的解决方案和政策性建议。结果表明,煤炭地下气化技术具有潜在的经济和环境优势,需加强国内高校、企业与能源公司的协同合作,扩大国际合作范围,并制定和执行环境保护措施,以推动煤炭地下气化技术的发展,实现可持续能源开发和环境保护的双赢。

煤炭地下气化点火阶段正庚烷着火及燃烧数值模拟研究

煤炭地下气化技术将地下煤层以天然气形式开采出来,是一种清洁、高效的能源利用方式。点火是开启气化反应的第一步,对化学点火过程中燃料着火与燃烧特性的分析将有助于高效气化。该文选取正庚烷为点火燃料,采用离散相模型模拟庚烷雾化过程,建立庚烷液滴与氧气共流燃烧模型,探究庚烷着火温度及燃烧火焰特性,并对影响初始点火过程的关键因素进行分析。结果表明:随压力升高,庚烷着火温度降低,10 MPa时达到670 K;液滴粒径在0.1~0.4 mm范围内时,着火温度随粒径减小而小幅上升;提高氧化剂中氧气浓度可显著提高火焰温度,但会导致火焰长度变短;为避免煤的熔融问题,氧气浓度控制在20%~30%附近较为合适,对壁面最高温度在1200~1530 K内。贫氧燃烧时,火焰温度较低,但过量空气系数处于0.6~0.8时,对壁面的加热温度及加热长度均高于富氧燃烧,在点火过程中能更高效利用燃料。结果可为煤炭地下气化点火过程燃料及氧化剂参数控制提供一定参考。

耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺研究

煤炭地下气化注入点可控后退(Controlled Retraction Injection Point,CRIP)工艺能够实现中深层煤炭资源的清洁高效原位开采,将我国富裕的煤炭资源转化为战略或缺的燃气资源。为取代CRIP工艺中氧气和点火液的注入、提高煤层气化反应活性,基于煤炭地下气化生产工艺和微波加热技术特点,创新提出了耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺设计,将气化剂和微波发生器产生的微波经由连续油管注入到地下煤层并在目标气化区释放。通过理论分析和实验研究,从微波的产生、传输、释放、与煤层作用、以及产业发展模式等方面分析了该工艺设计在工程实践中面临的难题和解决方案。研究结果表明,耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺在技术上是可行的;在煤炭地下气化过程中加热煤层所需的热量较大,大功率磁控管可以满足工业生产规模需求;微波能够通过双层连续油管镀铜的内管外壁和外管内壁间的环形空间远距离传输到地下煤层;微波频率越高,微波功率衰减越快,2450 MHz和915 MHz频率微波在双层连续油管中传输500 m时,其功率分别衰减至15.6%和32.1%,中深层煤炭地下气化应选用较低频率来远距离、低损耗输送微波;在双层连续油管前端的外管壁面上按一定规则割开缝隙,形成微波释能器,将微波从管线中泄漏出来辐射煤层;原煤在干燥、热解和燃烧阶段都能够较好地吸收微波能而被加热,在有氧条件下煤样温度升高到587℃时焦炭被点燃,最高温度可达1080℃;风光电−储能−煤炭地下微波气化融合产业模式能够充分利用绿色能源,实现中深层煤炭清洁高效原位开采。研究能够为微波辅助煤炭地下气化提供理论基础和技术支持。

倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

煤层气(CBM)开发与煤炭地下气化(UCG)是我国煤基天然气生产的重要来源,新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富。为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性,系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM−UCG协调开发的借鉴意义,分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向,得到以下认识:①“CBM开发疏干效应”“UCG热作用解吸效应”“UCG采动卸压效应”下CBM−UCG协调开发可形成相互促进的良性循环;②提出了直井+顺煤层倾向井“先抽后烧”、顺煤层倾向井组合“边抽边烧”、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井“边烧边抽”、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井“先抽后烧再抽”、复杂井型“井工厂式”布置等协调开发技术路径;③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题;同时面临CBM−UCG协调开发“井工厂式”钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题;④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究,确保协调开发安全、有序、可控、高效。

全球煤炭地下气化发展态势及展望——基于专利分析

文章采用合享(Incopat)全球专利数据库商业专利检索系统对煤炭地下气化(UCG)领域的专利技术进行检索,以此探究全球UCG发展态势。研究显示:从对全球UCG专利申请数量、申请趋势、布局地区、主要专利申请人的分析来看,目前UCG产业正处于高速发展阶段。自2001年以来,UCG专业领域的专利逐年上升,尤其是在2013年以后,UCG技术领域的专利申请量进入快速增长的阶段,申请的专利囊括了整个UCG的产业链,专利技术功效也主要集中于经济、高效、灵活可控、安全、稳定运行等方面。本轮UCG产业的发展主要得益于我国相关技术的快速发展,我国UCG专利申请量从2013年开始进入飞速增长的阶段。总体来说,随着石油工程类高精尖技术应用,深层煤炭地下气化体现出强大的活力和经济优势。

吐哈煤田艾丁湖一区煤炭地下气化地质评价体系

【目的】煤炭地下气化(underground coal gasification,UCG)是传统采煤技术的革新,系统的地质评价体系构建和科学的地质选层是UCG成功的先决条件。【方法】以吐哈煤田艾丁湖一区煤储层为研究对象,采用层次分析法、变异系数法和逼近于理想值的排序方法(TOPSIS法)等数学分析方法,从煤岩煤质、煤层赋存、含水层与围岩、地质构造、有害元素、地质勘查程度等方面进行了系统分析,深入探究了吐哈煤田艾丁湖一区UCG的可行性,同时构建了UCG地质选层资源评价体系并进行了气化炉址的地质选层。【结果和结论】结果表明:研究区煤的煤阶较低,煤层水分灰分较低、挥发分适中,煤层较多,煤体结构和煤层地质构造较简单,煤层埋深适中,顶底板岩性多为泥岩和粉砂岩、细砂岩,断层不发育,煤炭储量丰厚,煤层有害元素含量低,地质勘查程度较高,适宜进行UCG工作;优选出煤种、煤层埋深、顶底板岩性、煤炭储量等23个地质因素作为二级评价指标,通过合理的数理统计和科学的定量化转化,计算出了其综合权重并进行了分级处理,建立了适用于研究区的UCG多层次地质选层资源评价体系;基于该评价体系,运用加权求和法和TOPSIS法优选出的艾丁湖一区UCG有利煤层前3位均为8上>11号>7-3号煤层,最终确定8上号煤层为研究区UCG工作的最有利煤层。研究结果可为该区后续的地下气化工作实施提供科学依据,也对其他地区UCG地质选层具有借鉴意义。

煤炭地下气化渗透反应墙构建材料的吸附和渗流特性研究

煤炭地下气化(UCG)带来的地下水污染风险是限制其推广发展的主要问题之一。渗透反应墙(PRB)修复技术是地下水原位修复的主要研究热点,而PRB材料特性是影响其正常运行的关键。本文首先探究了砂、有机膨润土、活性炭对UCG特征有机污染物苯酚的吸附特性,在此基础上,采用自建的渗流实验系统研究了砂、有机膨润土、活性炭及其混合物的吸附和渗透特性对净化污染水的综合影响效果。结果表明:(1)有机膨润土对溶液中苯酚的吸附速率较快,可在10 min之内达到吸附平衡,但吸附容量较小(1.98 mg/g);活性炭对溶液中苯酚的吸附速率较慢,但吸附容量较大(2.22 mg/g)。(2)有机膨润土对苯酚的等温吸附可用Freundlich模型描述,模型参数k_(F)=0.040,n=1.207;活性炭对苯酚的等温吸附可用Langmuir模型描述,模型参数S_(max)=2.44 mg/g,k_(L)=0.125 L/mg。(3)砂和活性炭的渗透系数分别为1.006×10^(-3) m/s和4.761×10^(-2) m/s,砂与活性炭或有机膨润土混合可有效调节混合材料的渗透性,当砂与有机膨润土质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由2.624×10^(-6)增大至3.468×10^(-5) m/s;而砂与活性炭质量比由1∶1增大到3∶1时,其混合材料的渗透系数由1.379×10^(-3)减小至1.301×10^(-4) m/s。

煤炭地下气化节流工具冲蚀磨损研究

煤炭地下气化时,井下高温高压气体携带大直径的煤粉颗粒对节流工具造成严重的冲蚀磨损。为此,设计了双节流孔结构的井下节流工具,并结合高温冲蚀磨损试验结果对DNV(Det Norske Vertitas)冲蚀预测模型进行参数修正。开展了井下节流工具气固两相流冲蚀磨损数值模拟,研究高温条件下不同气体速度、不同颗粒质量流量及不同颗粒直径对节流工具的冲蚀磨损规律。研究结果表明:节流工具壁面冲蚀磨损区域随着气体流速的增大沿节流孔呈现环形分布;颗粒直径为5 mm,质量流量为7.5×10^(-4) kg/s,气体速度为20 m/s时,其对应的节流工具壁面冲蚀磨损速率最大。所得结论可为延长节流工具的安全服役年限、降低管线破损及爆炸的风险以及提高煤炭地下气化开采的经济性提供指导。

煤炭地下气化电点火器设计及模拟点火实验研究

煤炭地下气化点火阶段目的是利用点火器引燃点火材料燃烧产生高温并引燃煤层,为下一步地下气化炉注气燃烧气化创造条件,是煤炭地下气化工程的关键步骤之一。本文采用电点火器对以煤炭和木柴为主的燃料进行点燃,明晰电点火器及点火材料点燃过程中升温规律,揭示点火材料的燃烧过程规律。结果表明:本文设计了3根长度750 mm的φ12U型电加热管,工作功率为3000 W;以木柴和煤炭为点火材料时,加热至220℃煤样底部木柴开始燃烧;当加热20 min左右,温度达到500℃,此时热能主要来自于点火材料燃烧所产生的热量,表明点火成功;实验过程中点火材料的最高温度可达到879℃。本文设计U型电加热管在较短时间内引燃点火材料,为有井式煤炭地下气化点火过程提供有效的科学指导。

煤炭地下气化发展现状与展望

地下气化是一种新的煤炭利用方法,属于清洁高效开发和利用技术范畴。与传统采煤相比,其在经济性、安全性和清洁性等方面具有明显优势,对于缓解能源危机具有重要意义。本文介绍煤炭地下气化的基本原理和气化工艺,总结前人在气化燃空区形态、温度场分布以及岩层移动和地表沉陷等方面的研究情况,列举目前煤炭地下气化存在的问题,并提出解决方法。

煤炭地下气化井工程关键技术新进展

开展煤炭地下气化关键技术研究对于推动煤炭行业的可持续发展以及国家“双碳”目标的实现具有重要意义,井工程作为其核心部分正面临一系列关键技术挑战。为此,聚焦煤炭地下气化井工程,从气化工艺选择、井筒完整性研究、高效点火与可控燃烧、井筒温度场预测与控制方面回顾了煤炭地下气化工艺的发展历程,系统总结了井工程面临的问题和技术新进展,提出了促进井工程技术发展的建议。研究结果表明:①气化工艺优化、井筒完整性、高效点火及燃烧、井筒温度场预测与控制是煤炭地下原位气化面临的关键技术难题;②煤炭气化工艺由有井式向无井式、单口垂直井向多口水平井的方向发展,其对井筒完整性与耐腐蚀性提出了更高的要求;③点火可控燃烧系统逐渐向更安全更高效的方向发展,还需深化气化过程的温度场分布规律认识,通过多学科交叉融合精准预测和调控气化工艺参数;④加速多场耦合条件下的理论研究,积极研发耐高温高压腐蚀的相关材料及工具,完善多目标优化的煤炭气化工艺优选方法,结合人工智能预测将是未来深层煤炭地下气化井工程的关键发展方向。结论认为,强化煤炭地下气化与多领域融合发展,能够为煤炭地下气化先导试验和天然气增储上产提供技术支撑,并加速煤炭资源向绿色、清洁、高效利用转型,助力能源结构优化与可持续发展。

煤炭地下气化腔体稳定性研究

煤炭地下气化过程中气化炉腔体的稳定性是保障气化炉安全稳定生产的重要条件。本文基于吐哈—三塘湖盆地沙尔湖凹陷煤层的地层物性、尺寸、热力学参数及岩石力学等参数,通过离散元方法建立地质—腔体模型,研究了不同形态腔体在不同压力情况下的蠕变稳定性,得到腔体塑性区分布规律,通过对腔体进行长期蠕变行为计算,得到了可能的地表沉降情况。结论表明,蠕变过程中塑性区趋向于分布于腔体内壁,整体来说以剪切破坏为主,在腔体壁面外1 m范围内并未出现大面积向外扩展的情况;在地下1000 m处形成特征半径5 m的腔体,由腔体蠕变本身对地表所带来的沉降比较有限,地表沉降的主要来源是地层自身性质。本研究对地下煤炭气化运行及废弃过程中的腔体稳定性评价具有指导意义。