煤炭地下氣化:安全、高效、綠色的煤炭開采技術
——訪中國礦業大學(北京)煤炭工業地下氣化工程研究中心主任、新奧智能能源集團氣化采煤首席科學家梁杰

本刊記者 康淑云 梁子榮

煤炭地下氣化:安全、高效、綠色的煤炭開采技術
——訪中國礦業大學(北京)煤炭工業地下氣化工程研究中心主任、新奧智能能源集團氣化采煤首席科學家梁杰

本刊記者 康淑云 梁子榮

梁杰,中國礦業大學(北京)教授,博士生導師。現任煤炭工業地下氣化工程研究中心主任,兼任國家自然科學基金委基金評審專家、山東省“泰山學者”、寧夏回族自治區人民政府特聘專家、多家企業技術中心技術委員會委員。作為中國煤炭地下氣化領域承上啟下的關鍵領軍人,到2010年,他已在煤炭地下氣化領域整整求索開拓了25年。2009年,他負責的內蒙烏蘭察布“無井式煤炭地下氣化技術研究”項目已成功通過權威鑒定,正在進行工業化示范。國家能源局相關領導對此項目給予高度評價和肯定。為了讓更多的人了解煤炭地下氣化技術及其項目進展情況,本刊記者對梁杰教授進行了專訪。

1 早期開展的西方煤炭地下氣化

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification,UCG)就是將埋藏在地下深處的煤炭進行有控制地燃燒,通過對煤的熱作用及化學作用而產生可燃氣體的過程。該過程集建井、采煤、地面氣化三大工藝于一體,變傳統的物理采煤為化學采煤,由采煤變為采氣,因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優點,是現代煤炭開采和利用技術的重要補充,深受世界各國的重視。聯合國在1979年“世界煤炭遠景會議”上明確指出,發展UCG技術是世界煤炭開采的研究方向之一,是從根本上解決傳統開采方法存在的一系列技術和環境問題的重要途徑。

煤炭地下氣化技術是前蘇聯偉大的化學家門捷列夫在1888年首次提出的。1940年,前蘇聯在頓巴斯和莫斯科近郊有兩個煤炭地下氣化站投入生產,從而成為世界上進行地下氣化現場試驗最早的國家和工業應用成功的國家。據統計,到1965年,前蘇聯共利用1500萬t煤生產500億m3低熱值煤氣,所生產的煤氣用于發電或工業鍋爐燃燒。

以美國為代表的西方國家在第一次能源危機時期,曾用十幾年的時間專注深部煤炭資源的無井式地下氣化,取得了豐碩成果。美國在1987-1988年完成的洛基山-1號試驗,獲得了加大爐型、提高生產能力、降低成本、提高煤氣熱值等方面的成果,為煤炭地下氣化技術走向商業化道路創造了條件。政府資助項目集中于兩種工藝類型——控制后退進氣點法(CRIP)及急傾斜煤層法(SDB)。私營企業參與了這些項目的研究,并繼續參與開發和商業化活動,利用地下煤氣化的產品來發電、生產化學品和液體燃料。

英國于1949年恢復中斷了30多年的煤炭地下氣化試驗,曾進行了U型爐火力、電力和定向鉆進等貫通試驗,還進行了單爐、盲孔爐等試驗,積累了豐富的資料。英國在有井式盲孔爐研究上取得了較大的成功,曾用有井式盲孔爐組成的復合爐,一次氣化20萬t煤,煤氣直接用于一個5000 kW的電廠發電。英國計劃用地下氣化技術開采千米以下的深部煤炭和海下煤炭資源,并與我國煤炭工業地下氣化工程研究中心建立了合作交流關系。

2 中國煤炭地下氣化技術的進展

2.1 中國發展煤炭地下氣化的重要意義

中國是以煤為主要能源的國家,在一次能源中煤占70%以上。煤炭地下氣化不僅可以回收老礦井遺棄的煤炭資源,而且可以用于開采井工難以開采的或開采經濟性、安全性差的薄煤層、深部煤層和“三下”壓煤,以及高硫、高灰、高瓦斯煤層等,大大提高了我國煤炭資源的利用率。煤炭地下氣化過程燃燒的灰渣留在地下,大大減少了地表塌陷量,無固體物質排放,因此,煤炭地下氣化減少了對地表的環境破壞。地下氣化出口煤氣可以集中凈化,脫除其中的焦油、硫和粉塵等有害物,從而得到潔凈的煤氣。該煤氣不僅可以作為燃料用于民用、發電(包括聯合循環發電)、工業鍋爐燃燒,而且還可以作為原料氣生產合成氨、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等或用于提取純氫。因此,煤炭地下氣化技術將環境保護的重點放在源頭,而非末端治理,是一項符合可持續發展需要的環境友好的綠色技術,并且具有顯著的經濟效益和社會效益。

2.2 中國煤炭地下氣化富有成效的實踐

我國在20世紀五六十年代學習前蘇聯,由煤科總院牽頭,于1958-1962年先后在大同、皖南、沈北等許多礦區進行過自然條件下煤炭地下氣化的試驗,取得了一定成就,但文革期間中斷了。進入20世紀80年代,我國煤炭回采率還普遍很低,大量煤礦的邊角煤和眾多遺留煤柱白白遺棄在地下。同時,受全球能源危機影響,我國能源緊缺,煤炭供應嚴重不足。梁教授介紹說,在這種情形之下,為回收老礦井遺棄的煤炭資源,提高我國煤炭資源的利用率,在中國礦業大學余力教授倡導和帶領下,成立了煤炭工業地下氣化工程研究中心,重新開始了我國煤炭地下氣化技術的研究。余力教授畢業于莫斯科礦業學院,是我國煤炭地下氣化技術的開拓者。

1985年,梁杰教授從華中科技大學畢業來到中國礦業大學,加入了余力教授領導的煤炭地下氣化科研團隊,開啟了煤炭地下氣化技術研究的征程。憑借其在燃燒學、傳熱學、熱力學、流體力學等方面良好的專業知識,梁杰成為余力教授的得力助手,并在余力教授的指導下,完成了有關地下氣化研究的碩士論文、博士論文和博士后出站報告。

煤炭工業地下氣化工程研究中心于1987年完成了江蘇省“七五”重點攻關項目——徐州馬莊礦煤炭地下氣化現場試驗。試驗進行了3個月,產氣16萬m3,煤氣平均熱值為4.2 MJ/m3。試驗表明,在礦井遺棄煤層中進行地下氣化是可行的,安全是有保障的。這次成功的、并很有現實意義的煤炭地下氣化的具體實踐,讓人們重新認識了地下氣化,說明井下的燃燒安全完全可以控制。

煤炭工業地下氣化工程研究中心于1994年完成了國家“八五”重點科技攻關項目——徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業性試驗。連續氣化時間約10個月,先進行空氣連續氣化試驗,鼓風煤氣的平均熱值為5.02 MJ/m3,煤氣供工業鍋爐燃燒;又進行了多次兩階段氣化試驗,其地下水煤氣氫含量在40%以上,熱值在10.47 MJ/m3左右,生產的地下水煤氣送往徐州市煤氣公司供居民使用。經科研成果查新表明,余力教授發明的“長通道、大斷面、兩階段”地下氣化工藝構思新穎,屬國內外首創,半工業性試驗達到了國際先進水平。

長通道、大斷面是針對氣化爐結構而言,它是有井式氣化爐和無井式氣化爐合為一體的混合氣化爐形式。進氣通道、排氣通道、輔助進排氣通道可由地面打鉆施工,也可以借助于礦井已有的井筒和巷道輔設進、排氣管。氣化通道、氣流通道則利用人工在井下施工,因此一般礦井都可以利用自己的技術和物質條件建設該氣化爐,建爐大部分工作為煤巷掘進。由于通道斷面大、氣流流動阻力小,降低了供風壓力和電耗,從而降低了煤氣生產成本,且有利于礦井安全。兩階段煤炭地下氣化工藝,是一種循環供給空氣(或純氧、富氧空氣)和水蒸汽的地下氣化方法。每個循環由兩個階段組成,第一階段為鼓空氣(氧氣)燃燒蓄熱,生產鼓風(鼓氧)煤氣的階段;第二階段為鼓水蒸汽、生產熱解煤氣和水煤氣的階段,從而能生產中熱值煤氣。

20世紀90年代末,煤炭供過于求,各地煤炭企業都在為煤炭找出路,有的企業認為煤炭地下氣化也許可以幫上忙。此時梁杰教授及其團隊在唐山市的劉莊礦(緊挨開灤集團唐山礦)進行了工業化示范性地下氣化的生產,這次持續時間最長,共5年時間連續產氣,供給當地的陶瓷廠。最后由于唐山市擴建不得已關閉了。

梁杰教授說,山東新汶礦業集團在20世紀五六十年代進行了煤炭地下氣化的嘗試,進入90年代末,為了解決礦區居民的用氣問題,同時回收邊角煤柱,當時的董事長郎慶田很有魄力,決定采用煤炭地下氣化技術解決上述問題。自2000年以來,新汶礦業集團先后在孫村、協莊、鄂莊和張莊煤礦建立了4座地下氣化站,開展了長通道、大斷面、兩階段煤炭地下氣化工藝工業示范,氣化的全是邊角煤和薄煤層。生產的煤氣通過礦區局部管網供居民直接使用,或用于內燃機發電、工業窯爐燃燒。完成了國家“863計劃”課題——煤炭地下氣化穩定控制技術研究和國家高技術產業化項目——煤炭地下氣化技術工業性試驗的現場試驗任務。項目進行期間,梁杰教授好幾個月幾乎吃住在現場,解決了現場試驗過程遇到的一個又一個技術難題,積累了豐富經驗,取得了珍貴的第一手資料和數據,形成了許多創新性成果。

據梁杰教授介紹,我國相繼在黑龍江伊蘭煤礦、河南鶴壁三礦、新密煤田下莊河煤礦進行了礦井式氣化方法的試驗研究,也取得了可喜的成果。

3 中國煤炭地下氣化的創新成果

進入21世紀以來,隨著人們對提高資源利用率、保護生態環境意識日漸增強,許多知名學者呼吁加大煤炭地下氣化研發的投入和開發力度。面對新形勢,中國礦業大學(北京)煤炭工業地下氣化工程研究中心與河北新奧集團強強聯手,開發面向新煤田的無井式煤炭地下氣化技術。新奧集團是專門從事新能源開發與利用的新型民營企業,集團主席王玉鎖不僅有魄力,做事效率高,還對新技術有很高的判斷力,并有著很強的社會責任感。通過和余力教授、梁杰教授的交流,王主席非常認同地下氣化技術的先進性,對其產業化前景及其經濟、社會效益深信不疑。

2006年10月,新奧集團專門成立了新奧氣化采煤有限公司,并與中國礦業大學(北京)簽定了戰略合作協議,共同開展煤炭地下氣化技術的研究與應用,并在內蒙古烏蘭察布市選點進行“無井式煤炭地下氣化技術”的試驗研究。該項目于2007年1月開始實施,4月開始在烏蘭察布弓溝煤田進行氣化現場試驗系統建設,10月24日氣化爐點火成功,2009年1月13日通過內蒙古科學技術廳主持的技術鑒定。當時,現場試驗已運行400余天,已形成了一批有價值的創新性研究成果,申請了9項專利。鑒定組專家們一致認為,該項目首次在我國建立了無井式煤炭地下氣化試驗研究和生產系統,為我國開展無井式煤炭地下氣化技術研究提供了良好平臺;創新地構建了全新結構的地下氣化爐型,實現了由“線”氣化向“面”氣化的過渡,使地下氣化爐結構更為先進、合理和可靠;創造性地開發了“氣化通道貫通技術”、“氣流通道疏通技術”、“無井式地下氣化爐點火技術”和“無井式地下氣化過程穩定控制技術”等,解決了氣化爐構建和運行的核心技術問題;建立了無井式氣化過程參數測量與控制系統,實現了氣化工藝參數的準確測量、遠程傳輸、數據分析處理等功能;成功地連續、穩定生產出合格的空氣煤氣和富氧煤氣,并用于蒸汽鍋爐燃燒和內燃氣機發電,在工業應用上取得了較好成果。上述成果在煤炭地下氣化技術研究領域取得了歷史性的重大突破。

聽了梁杰教授的介紹,我們不禁感嘆,烏蘭察布項目是中國礦業大學(北京)與新奧集團產學研的完美結合,在不到兩年時間內取得了如此非凡的業績。在我們詢問中國礦業大學(北京)煤炭工業地下氣化工程研究中心自成立以來都取得哪些重要成果時,梁杰教授說,該中心除了進行上述工業性試驗外,在國家“863計劃”課題和“211”工程項目的支持下,還建成了具有世界先進水平的煤炭地下氣化綜合試驗臺和測控系統,可以開展多種相關理論研究、模型試驗研究和現場試驗研究。在該試驗臺上,他們已完成褐煤、煙煤及無煙煤地下氣化模型試驗。研究了煤層傾角、煤層厚度、氣化通道長度等對氣化過程的影響,同時研究了空氣氣化、不同富氧濃度氣化、富氧—水蒸汽連續氣化工藝及正反向供風、推進式供風、分離供風(排氣)等氣化工藝;完善了長通道、大斷面地下氣化爐結構形式和結構參數,提出并研究了“變截面流道煤層地下氣化爐”和“分離控制注氣點煤炭氣化爐”。他們還以出口煤氣的組分及產量為目標函數,研究了煤層地下氣化時溫度場發展規律及穩定控制技術,得到了褐煤、煙煤及無煙煤地下氣化工藝參數,特別是在富氧—水蒸汽連續氣化條件下的汽氧比、噸煤產氣率、比消耗量、氣化效率、煤層氣化率等。在煤炭地下氣化過程溫度場、濃度場、速度場、氣化反應速率、燃空區擴展規律、氣化過程穩定性、測控技術及CO2減排技術等方面做了大量的理論研究工作。

4 煤炭地下氣化技術的廣闊前景

梁杰教授說,當前,加快我國經濟轉型,加大節能環保力度和發展低碳經濟已成為下一階段我國經濟發展的主要任務,這給煤炭地下氣化技術帶來前所未有的發展機遇。據統計,到2020年我國將有500多處報廢礦井,遺棄資源儲量目前在300億t以上,煤炭地下氣化技術可以部分回收這些資源。據不完全統計,我國褐煤資源約3700億t,主要分布在內蒙古和新疆地區;已探明埋深在1000 m以下的煤炭資源 約2.9萬億t,僅寧夏自治區就有3000億t。沿西氣東輸管線適合于無井式氣化的深部煤炭資源約4776.4億t,地下氣化煤氣可用于合成天然氣。同時,地下氣化是一種相對安全系數較高的采煤方式,實現了煤炭資源的安全開采,對改變我國煤炭企業高事故率的現狀有積極的效應,具有很好的社會效益。

因此,梁杰教授認為煤炭地下氣化技術具有很好的前景。但他也告誡說,“煤炭地下氣化技術絕不是一項簡單的技術,更不是一蹴而就的技術,其困難程度非一般采煤技術所能及,它融合了煤炭地下開采與地面氣化等多個學科,在實現產業化的過程中還有許多問題要解決。但任何一項偉大的事業都不是一代人就能夠完成的,從19世紀的門捷列夫到21世紀的我們,都是抱著這種信念克服各種艱難險阻一直前行的。現在雖然取得了一些階段性成績,受到了一些關注,但更應該保持清醒的頭腦,繼續扎實前行。希望通過《中國煤炭》雜志這個平臺,能讓更多的人了解煤炭地下氣化技術,能有更多有志于投身到煤炭地下氣化技術研究的人士加入我們,共同創造新的輝煌。”

采訪結束了,但梁杰教授說的話仍在耳邊回響。是啊,任何一項偉大的事業都不是一代人就能夠完成的,地下氣化事業就像實現我們偉大祖國復興的事業一樣,需經歷幾代人的不懈努力。但只要努力,就會看到希望。我們相信煤炭地下氣化技術定會為我國煤炭的安全綠色開采開辟更加廣闊的新天地。

(責任編輯 宋瀟瀟)