華亭煤地下導控氣化現場試驗的產氣效果分析＊

王作棠 王建華 張 朋 段天宏

（1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008；3.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

華亭煤地下導控氣化現場試驗的產氣效果分析＊

王作棠1，2，3王建華1，2，3張 朋1，2，3段天宏1，2，3

（1.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇省徐州市，221008；3.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇省徐州市，221116）

本文提出了煤氣指標時間加權的計算方法，對華亭煤地下導控氣化現場試驗數據進行了分析，結果表明隨著氣化劑中氧濃度的上升，煤氣熱值呈上升趨勢，富氧蒸汽法氣化工藝中氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%；最大熱值10.72 MJ/Nm3出現在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產氣波動性較大，同時水煤氣產率較低，生產規模較小，無法連續生產高熱值煤氣，用于商業化生產需要多爐同時運行。隨著氧濃度的升高，各工藝的產氣穩定性逐漸增強，從低溫工藝向高溫工藝切換的調控時間縮短。

產氣效果 產氣穩定性 調控時間

1 引言

煤炭地下氣化就是向地下煤層中通入氣化劑，將煤炭進行有控制的燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用而產生可燃性氣體，然后將煤氣導出地面再加以利用的一種能源采集方式。它將建井、采煤和氣化三大工藝合而為一，將物理采煤轉變為化學采煤，即把高分子固體煤轉變為低分子結構的可燃性氣體，拋棄了龐大而笨重的采煤設備與地面氣化設備，并大幅度減小了建井規模，具有安全好、污染少、投資小、成本低、效率高和見效快等優點。

2010年11月22日，由甘肅省科學技術廳組織并主持，邀請有關專家組成鑒定委員會，對甘肅華亭煤業集團有限公司和中國礦業大學聯合完成的“難采煤有井式綜合導控法地下氣化及低碳發電工業性試驗研究”的項目進行了科技成果鑒定，認為該項目創新點突出，在地下煤層燃燒高效穩態蔓延導引控制技術方面，達到了國際領先水平。

項目試驗廠址為華亭煤業集團有限責任公司楊家溝井六采區（原安口煤礦工業廣場保護煤柱內），項目于2010年5月3日井下點火成功，2010年5月4日地面點火成功，連續產氣7個多月，期間成功地進行了下列試驗：空氣連續氣化試驗、空氣蒸汽連續氣化試驗、富氧蒸汽連續氣化試驗、純氧蒸汽連續氣化試驗、空氣蒸汽兩階段氣化試驗、備爐狀態氣化試驗以及注氣點移動氣化試驗。

本文提出了煤氣指標時間加權的計算方法，對項目現場的試驗數據進行了分析，并對發電試驗期間各工藝的產氣穩定性、氣化爐從空氣連續法工藝向中富氧蒸汽連續法工藝和純氧蒸汽連續工藝之間切換的調控時間進行了分析，以期進一步為煤炭地下導控氣化優化工藝參數、合理選擇氣化工藝和氣化爐調控方法提供科學依據。

2 煤質分析

根據煤質的化驗分析資料和分類方案，華亭煤的煤質具有低灰、低硫、高活性和高揮發性的特點，為不粘煤。其工業分析的各項指標是Mad為8.5%，Aad為6.6%，Vad為33.7%；元素分析的各項指標是Cad為66.74%，Had為3.82%，Oad為13.16%，Nad為0.63%，St，ad為0.54%；高位發熱量為23.8 MJ/kg，灰熔點為1.197℃，容重為1.40 kg/m3。

3 產氣效果分析

3.1 數據的測量和統計方法

為了保證測量的準確性，采用傳感器在線測量、便攜式氣體分析儀和色譜儀3種方法同時測量，數據的統計間隔時間為6～30 min?？紤]到在統計時間間隔內產氣指標的波動性，以測量時間間隔的起點和終點的測量數據的均值作為此時間間隔的測量指標值；考慮到每個測量值持續的時間不同，采用時間加權算法最后統計整個試驗階段的平均指標。與簡單的求平均數的方法相比，時間加權算法使統計的精確性得到了提高。

3.2 各工藝產氣指標對比

按照上述方法對空氣連續法、空氣蒸汽兩階段、純氧蒸汽連續法和中富氧蒸汽連續法幾次試驗的數據進行了處理并描繪成曲線，見圖1～圖4。

3.2.1 空氣連續法工藝

從2010年9月20日17：00開始到9月22日17：00結束的空氣連續法工藝試驗產氣指標結果見圖1。空氣煤氣的平均熱值為4.10 MJ/Nm3，煤氣熱值低，所以只能供工業窯爐燃用。

圖1 空氣連續法煤氣試驗產氣指標隨時間變化圖

3.2.2 空氣蒸汽兩階段工藝

2010年7月19日至7月21日進行了空氣蒸汽兩階段法工藝氣化試驗，產氣指標結果見圖2。試驗過程中，第一階段以空氣做為氣化劑，所產煤氣的平均熱值為3.47 MJ/Nm3；第二階段停止鼓空氣，開始鼓入水蒸汽，生產的水煤氣的平均熱值為10.72 MJ/Nm3。第二階段產生的水煤氣熱值高且產氣穩定，而第一階段產生的煤氣完全可供應于蒸汽鍋爐生產蒸汽，避免了直接排空造成的環境污染，該法有待完善提高的問題是，水煤氣產率低、生產規模較小且無法連續生產高熱值煤氣。

圖2 空氣蒸汽兩階段試驗產氣指標隨時間變化圖

3.2.3 純氧蒸汽連續法工藝

2010年7月4日進行的純氧蒸汽連續氣化工藝，產氣指標結果見圖3。所產煤氣的平均熱值為9.27 MJ/Nm3，純氧的鼓入量為800 Nm3/h，實際生產中鼓入的蒸汽量為1500 Nm3/h，其余所需水蒸汽由地下水轉化的水蒸汽進行補給。純氧蒸汽連續法工藝生產的煤氣有效組分高，可廣泛應用于發電、合成甲烷、甲醇和制氫等。

圖3 純氧蒸汽試驗產氣指標隨時間變化圖

3.2.4 中富氧蒸汽連續法工藝

2010年7月31日至8月8日進行了純氧蒸汽連續氣化工藝（不考慮水蒸汽體積，氧濃度為42.07%），產氣指標結果見圖4。該法由于采用富氧作為氣化劑，有效地強化了燃燒工作面的火層與氣流間的傳熱、傳質過程，顯著提高氣化效率和熱效率，因此具有工藝簡單、產氣量大的特點，可做為合成氨聯醇生產的原料氣，也可供整體煤氣化聯合循環燃機發電。

3.2.5 各工藝產氣指標對比

根據現場試驗，將各工藝下的產氣指標匯總于表1。由實驗數據可知，隨著氣化劑中氧濃度的增大，煤氣中的有效組分和熱值呈增大趨勢，為了提高煤氣熱值，氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%；最大熱值10.72 MJ/Nm3出現在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產氣波動性太大，同時又存在水煤氣產率低、生產規模較小、無法連續生產高熱值煤氣等問題，用于商業化生產需要多爐同時運行。

圖4 中富氧蒸汽連續法試驗產氣指標隨時間變化圖

表1 各工藝下的產氣指標表

3.3 發電試驗期間各工藝之間產氣穩定性比較

對用煤氣發電期間的空氣連續法、中富氧蒸汽連續法和純氧蒸汽連續法的產氣穩定性進行了比較分析，計算了各工藝條件下的主要組分：H2、CO、CH4和CO2和實測熱值的變異系數詳見表2，發電試驗期間各工藝產氣指標如圖5所示。

由表2和圖5可見，隨著氧濃度的升高，各主要組分和實測熱值的變異系數逐漸下降。這是因為產氣指標主要受氣化爐溫度和壓力影響，同時受到

表2 發電試驗期間各工藝的產氣指標變異系數表

地下水和礦壓的擾動。由于本試驗是在常壓下進行氣化，受地下水和礦壓擾動的影響也處于同一水平，所以產氣指標主要受氣化爐溫度的影響，隨著氧濃度的增大，氣化爐的溫度也增加，氣化爐的蓄熱明顯增大，抵抗各種不穩定因素的能力也相應增強，產氣穩定性也就隨之增強。

圖5 發電試驗期間各工藝產氣指標變異系數圖

3.4 各工藝之間切換的調控時間

由于氣化爐從高溫向低溫狀態切換的時間跟氣化爐的蓄熱量有直接的關系，因此本文僅分析氣化爐從低溫狀態向高溫狀態切換的調控時間，主要選取空氣連續工藝向中富氧蒸汽連續法工藝和純氧蒸汽連續法工藝之間切換的調控時間。

中富氧蒸汽連續法試驗從7月31日8∶40開始向氣化爐中注入42%（干空氣氧濃度）的中富氧蒸汽，開始從空氣連續法工藝向中富氧蒸汽連續法切換，僅用了40 min后熱值就攀升至6.69 MJ/Nm3，至15∶30時熱值就達到此次試驗的均值，此間僅歷經6.8 h。7月4日的純氧蒸汽連續法試驗從1∶26開始向氣化爐中注入純氧蒸汽，開始從空氣連續法工藝向純氧蒸汽連續法工藝切換，至6∶23熱值就達到此次試驗的均值，此間僅歷經5 h。由此可見，隨著氧濃度的增加，氣化爐從低溫工藝向高溫工藝切換的調控時間縮短。

4 結論

（1）試驗表明，隨著氣化劑中氧濃度的上升，煤氣各組分（除N2外）的體積分數和煤氣熱值呈上升趨勢，且為提高煤氣熱值，氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%。

（2）最大熱值10.72 MJ/Nm3出現在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產氣波動性較大，同時水煤氣產率較低，生產規模較小，無法連續生產高熱值煤氣，用于商業化生產需要多爐同時運行。

（3）隨著氧濃度的升高，各工藝的產氣穩定性逐漸增強。

（4）隨著氧濃度的增加，氣化爐從低溫工藝向高溫工藝切換的調控時間縮短。

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［6］ Wang Zuotang，Huang Wengang，Zhang Peng et.al.A contrast study on different gasifying agents of underground coal gasification at Huating Coal Mine［J］.Journal of Coal Science ＆Engineering（China），2011（2）

Analysis of effect of underground guided coal gasification field trial at Huating coal group

Wang Zuotang1，2，3，Wang Jianhua1，2，3，Zhang Peng1，2，3，Duan Tianhong1，2，3
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Mining Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

This paper presents time－weighted coal gas indexes calculation method，on this base，field test data of underground coal gasification of Huating coal is analyzed.Results show that，with the increasing of oxygen content in gasifying agents，the gas caloricity rises，and the optimal oxygen concentration range to increase the gas caloricity is 30%～40%.The maximum value of 10.72 MJ/Nm3with the higher fluctuation in coal gas indexes，lower yield and production scale companied discontinuous production of high calorific value coal gas appeared in the air and steam two stage way，so more than one gasifiers are needed in commercial production；As the rising of oxygen concentration in gasifying agents，the stability of gasification increases gradually and regulating time from low temperature to high temperature process decreases.

effect of gas production，stability of gas production，regulating time

TQ546.2

A

獲教育部科學技術研究重點項目（02019）、國家攀登計劃項目（OA090239）、煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主研究課題項目（SKLCRSM10X04）和江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（SZBF2011－6－B35）資助

王作棠（1958－），男，福建尤溪人，中國礦業大學教授、博導，主要研究方向為地下氣化開采和礦山壓力與巖層控制。

（責任編輯 王雅琴）