新奥无井式煤炭地下气化试验进展及产业化规划

新奥无井式煤炭地下气化的研究进展及成果为其开展地下气化制液化天然气(UCG-LNG)奠定了基础,基于此,从技术和经济角度分析了利用O2/CO2作为气化剂进行煤炭地下气化生产用于合成液化天然气(LNG)的原料煤气的可行性。经核算,年产2亿Nm3LNG的地下气化制液化天然气项目所需总投资约为11.6亿元,投资回收期约7年,内部收益率约19.3%。通过内部收益率对液化天然气产量和售价的敏感性分析显示,在产量或售价下降10%的情况下,项目仍有盈利空间。

国内外煤炭地下气化技术现状及新奥攻关进展

介绍了国内外煤层地下气化的发展状况及最新进展,阐明了煤炭地下气化的优越性及技术发展过程中的坎坷历程,指出煤炭地下气化(UCG)是解决传统煤炭开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。介绍了新奥无井式煤炭地下气化技术攻关成果,展望了地下气化采煤的前景。

集成控制气化采煤连续管装备的研制

为了满足无井式煤炭地下气化技术的需要,研制了集成控制气化采煤连续管装备。采用集成控制连续管装备在可控条件下向井内注入煤层气化所需的氧气和水等介质,为煤层地下气化提供必要的气化剂,同时井底气化区的温度达到设定值时,连续管装备自动启动,拖动注入点后退设定距离,该技术是实现注入点后退式地下气化采煤工艺的关键环节。装备研制过程中攻克了集成远程自动控制、集束式连续管、举升解卡装置、复合式闸板防喷器以及动力系统合理配置与优化等关键技术。型式试验和现场试验结果表明:设备运行平稳,性能可靠,满足气化采煤作业工艺要求。该装备的成功研制加快了气化采煤技术国产化进程。

煤炭地下气化选址决策及地下水污染防控

为了解煤炭地下气化污染过程并对其实现最终控制,介绍了煤炭地下气化的选址决策依据,分析了煤炭地下气化过程地下水污染的途径及特征污染物,并提出了地下水污染防控的主要措施。地下气化科学选址是地下气化过程稳定控制及污染防控的重要基础,在选址决策中需要评价的因素包括煤田储量、煤层条件、地质构造、水文地质条件等。地下水污染风险来自于气化过程中污染物随煤气的逸散,以及气化后污染物随地下水运移而发生的渗透迁移。有机污染物主要包括酚类、苯、少量的多环芳烃及杂环化合物;无机污染物则主要包括各种有害元素。煤层和围岩的吸附作用限制了污染物的迁移,地下水污染防控的措施包括:识别永久不适合地下水区域,控制气化时的操作压力,设置地下水屏障,将煤层污水抽提至地面净化处理,也可以进行原位污染修复。

煤炭地下气化炉型及工艺

为探讨不同煤层条件下地下气化炉结构及气化工艺,在模型试验和现场试验的基础上研究了煤炭地下气化有井式和无井式气化炉结构及其工艺参数,形成了有井式"长通道、大断面、两阶段"气化工艺和无井式渗透式气化方法。试验结果表明:空气气化时可获得热值在4.18 MJ/Nm3以上的煤气;富氧气化时,当富氧体积分数由30%上升到80%时,煤气中有效组分(H2+CO+CH4)体积分数由30%上升到60%;两阶段气化第2阶段可生产H2组分体积分数在40%、热值在11.45 MJ/Nm3以上的煤气。无井式渗透式气化通道贯通参数为:当供风压力0.75 MPa、供风流量600 Nm3/h时,贯通速度为0.34 m/d,通道当量直径0.39 m,正向供风气化和反向供风气化能获得相同质量的煤气。

煤炭地下气化酚污染迁移数值模拟

基于我国西部某煤炭地下气化试验,以气化特征污染物之一——挥发酚为例,建立地下水流运动和污染物迁移数学模型,对气化炉闭炉后的污染物迁移规律进行了数值模拟。结果表明:20 a预测期内,挥发酚具有极弱的向煤层隔水顶板上覆咸水含水层的迁移倾向,水动力弥散是其迁移的主要方式;煤层内部挥发酚的迁移只发生在燃空区附近,在气化后20 a,污染晕为以燃空区为中心的椭圆形,长轴方向大约500 m,短轴方向大约300 m,煤层的低渗透性、水力坡度小和介质的吸附作用是阻碍挥发酚在煤层内扩展的主要原因;煤层与含水层之间的水头差、燃空区上下方隔水层的破坏程度和范围以及水动力弥散作用是含水层污染评价的关键因素。地下水污染风险须通过科学选址、气化过程控污、煤层燃空区污染处理等措施进行综合防治。

煤炭地下气化过程中温度-应力耦合作用下燃空区覆岩裂隙演化规律

进行了高温下泥岩和砂岩的热物理性质实验和单轴压缩实验,获得了不同温度下岩石比热容、导热系数、弹性模量和单轴抗压强度等基本物理力学参数。基于热力学与弹性力学理论,建立了考虑岩石损伤演化的温度-应力耦合作用控制方程,并以某煤炭地下气化现场的工程地质条件为背景,对温度-应力耦合条件下燃空区覆岩温度场和裂隙场的演化规律进行了数值模拟研究。最后,采用现场钻孔观测试验法对燃空区覆岩断裂带发育高度进行了探测。现场探测结果与数值模拟结果基本吻合,证明了数值计算模型及预测结果的合理性。

煤炭地下气化模型试验研究现状与发展

为探索模型试验在煤炭地下气化研究中的作用,阐述了煤炭地下气化模型试验气化炉的结构特征、燃空区扩展规律及气化工艺。研究结果表明,模型气化炉虽不能完全模拟地下煤层赋存条件,但可在煤层和岩层中设置温度、压力、组分和应力等测点,获得现场难以测得的温度场、压力场、浓度场和应力场等物理场;可对不同赋存条件下煤层的燃空区扩展形状及规律展开直观研究;气化工艺模型试验不仅可获得与现场试验相同的工艺参数,也可开展煤炭地下气化过程中污染物析出与迁移规律的研究,并用于现场生产。最后,提出了模型试验的发展方向。

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。

O_2/CO_2煤炭地下气化模型试验

利用O2/CO2作为气化剂进行煤炭地下气化,不仅能够提高煤气中有效组分的含量和CO/H2比例,而且煤气脱碳后适合用于合成甲醇或液化天然气（LNG）.为考察O2/CO2地下气化的可行性,通过模型试验在模拟煤层中进行不同O2/CO2比的气化试验,考察不同CO2浓度气化下的煤气组分特征、温度场分布、燃空区立体形状以及污染物析出情况.试验表明：CO2体积分数为40％～50％时,煤气中的CO和H2的含量均在25％左右,CO2的含量小于50％.与已有的富氧空气地下气化模型试验结果相比,在气化剂中的CO2能够抑制地下气化过程中CO2的生成,O2/CO2气化下的温度场相对较低,气化过程中煤层的最高温度也只有1 200℃,对煤气有效组分的生成比较有利.最终的燃空区3D形状符合一般燃烧扩展规律,试验过程中还监测了硫化氢、氨气和焦油等污染物的析出量.

煤炭地下气化过程中半焦孔隙结构的变化规律

在煤炭地下气化过程中,热解反应生成的半焦孔隙结构性质是影响气化过程的重要因素.对大雁褐煤、协庄烟煤、昔阳无烟煤及其热解半焦的比表面积、孔容积和孔径进行了测定,总结出了不同煤种、不同热解温度和不同热解气氛下半焦孔隙结构变化的规律.结果表明,半焦的表面结构特性受热解温度和热解气氛双方面的影响,改变热解终温或气氛,孔径分布特征变化幅度不大.

褐煤地下气化特性的实验研究

分别以富氧和富氧-水蒸气为气化介质,进行了大雁褐煤的地下气化模型实验.研究了鼓风量和汽氧比对煤气组成、气化稳定性以及煤层气化速率的影响,并进行了富氧-水蒸气地下气化过程的物料衡算.实验结果表明,通过采取合适的气化参数,大雁褐煤的地下气化过程可以稳定进行.

煤炭地下气化反应过程分析及稳定控制工艺

对煤炭地下气化反应过程的认识是制定稳定控制工艺的理论基础,与地面移动床气化相比,煤炭地下气化表现为煤层固定,而反应区移动,反应过程受限于气化通道两侧煤层的热剥落与热破碎,其实质为不同尺度煤块、煤层夹矸、顶板垮落岩石混杂的渗滤通道反应。煤炭地下气化的析气过程可分解为沿气化通道径向煤壁内的煤气析出过程、沿气化通道轴向的煤气化过程、通道有氧区可燃组分的二次燃烧以及气流通道中的水煤气变换反应4个过程。对于单个反应周期,随煤的消耗、气化通道的扩展,二次燃烧加剧,煤气质量下降,稳定周期结束。采用控制工艺,如注入点后退气化,可通过参数调节控制单个周期煤气组分的波动范围,并实现多个生产周期的接续,从而实现稳定生产。

煤炭地下气化区围岩介质对挥发酚的吸附作用研究

通过静态吸附试验研究了3种岩样(泥岩、粉砂泥岩、细砂岩)对地下气化典型污染物挥发酚的吸附作用,获得了挥发酚在岩石中的吸附特性,并根据其所符合的等温吸附模型,计算了代表岩石吸附能力的分配系数。结果表明,岩样吸附作用在48 h后达到平衡,对挥发酚的吸附性能从大到小依次为泥岩、粉砂泥岩、细砂岩,pH为中性时吸附效果最好,泥岩受热后吸附性能降低。岩样对挥发酚的吸附作用属于物理吸附,符合Henry等温吸附模型,在泥岩、粉砂泥岩、细砂岩中的分配系数分别为3.367、0.446、0.053 L/g,表明泥岩对挥发酚的吸附作用最强。

煤炭地下气化场覆岩运动规律的数值模拟研究

根据煤炭地下气化场实际地质结构,考虑高温对燃空区上覆岩层物理力学特性的影响,采用RFPA建立模型分析燃空区覆岩结构运动及"三带"分布规律,结果表明:①燃空区上覆岩层出现明显的"三带"特征。燃空区老顶关键层初次来压步距约为42m,周期来压步距约为12m。②随着燃空区扩展,燃烧煤壁前方形成剪应力集中区,由下向上发展成拱形分布;煤壁前方形成应力增高区,煤层支承压力增高系数为2.0～2.3。③随着燃空区扩展,上覆岩层的移动范围及下沉量逐步增大;老顶关键层出现初次破断及周期来压后,厚硬岩层下沉量明显增大;同一时刻距离煤层越近的顶板,其垂直位移越大;上覆岩层位移下沉曲线基本呈对称分布。

煤地下气化对地下水的影响及防治措施

概述了煤炭地下气化过程对地下水环境的影响,指出煤炭地下气化生产过程中产生的主要污染物为有机物和无机物两大类:有机物主要包括酚类、杂环类以及多环芳烃,无机污染物主要有钙、钠、钾、镁等无机阳离子以及硫酸盐、碳酸氢盐。提出气化压力控制法和严格的水文地质条件遴选是控制煤炭地下气化环境污染的主要防治措施。

煤炭地下气化燃空区覆岩移动规律研究

为研究煤炭地下气化过程中覆岩的运移规律,以乌兰察布煤炭地下气化试验区工程地质条件为研究背景,首先进行了高温下煤层顶板的物理力学特性测试,获得了不同温度下岩体（粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、砂质泥岩）的比热容、导热系数、单轴抗压强度及弹性模量;其次建立了相似材料物理模型,分析了燃空区覆岩运移规律。结果表明：在100~1 000℃内,随温度升高比热容及导热系数呈现下降趋势,而在100~750℃内,随温度升高单轴抗压强度呈现增大趋势;乌兰察布煤层气化时,覆岩运移规律与井工开采类似,具有初次来压及周期来压特征,初次来压步距为42 m;亦存在明显的三带分布,即冒落带、垮落带和弯曲下沉带,导水裂隙带高度为28 m;覆岩运移过程中对燃气管亦产生较大的影响,其中1#燃气管在煤层顶板上方26~28 m处受到的水平应力最大,为最易变形断裂位置;在现场用钻孔探测法进行验证,得出导水裂隙带的高度为31.21 m,与相似模拟试验得出的数据吻合,证明了相似材料物理模型的合理性。

褐煤地下气化过程中铅和砷的迁移规律的研究

在煤炭地下气化模型试验的基础上,研究了褐煤原煤及其气化产物中的铅和砷的含量和分布,进行了铅和砷的质量平衡计算,并分析了其析出的反应机理.实验结果表明,铅在原煤中以残渣态23.07%、碳酸盐和铁锰氧化物结合态53.96%、硫化物结合态22.96%存在,而砷则以残渣态47.73%、有机结合态7.95%、硫化物结合态40.90%存在.在气化过程中63.65%的铅和56.23%的砷残存在地下煤灰中,1.15%的Pb和6.62%的As转化到煤气冷凝水中,35.20%的Pb和37.15%的As转化到煤气中.

地下气化煤层软岩顶板相似材料研究

为了寻找适合煤炭地下气化模型实验软岩顶板的相似材料种类及材料配比,通过岩石力学性质实验获得现场顶板软岩的相关力学参数,并根据相似原理理论,以河砂为骨料、粘土和石膏为胶结物,利用正交实验和全面实验方法分析了不同材料配比下的单轴抗压强度,并与利用相似原理处理的抗压强度进行对比研究,结果表明:石膏对相似材料抗压强度的影响作用显著,且受热易粉化,不适合作为煤炭地下气化模型实验软岩顶板相似材料的胶结物;以河砂和粘土为相似材料原料时,当两者质量比为3∶1时,通过实验测得的单轴抗压强度与经过理论计算获得的抗压强度吻合,可满足模型实验对煤层软岩顶板的力学要求。

煤炭地下气化废水催化气化褐煤实验研究

为了考察煤炭地下气化工业试验基地废水的催化活性,探究利用该废水进行地下催化气化工业性试验的可行性,对乌兰察布褐煤进行了不同压力下的活性评价实验.结果表明,煤炭地下气化废水对乌兰察布褐煤的气化起到了良好的催化效果,在添加一定量煤炭地下气化废水后,其碳转化率由80.19%提高到89.82%;煤气产率由4.2m3/kg增加到5.2m3/kg,增加了原来的23.8%.随着反应压力的提升,碳转化率及煤气产率均呈现不同程度的降低,煤气组分中H2,CO和CO2含量也呈现不同程度的降低;而CH4含量随着压力的提升持续增加.