節(jié)能減排新技術
——煤炭地下氣化

喻曉

（陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西銅川727000）

節(jié)能減排新技術
——煤炭地下氣化

喻曉

（陜西省一九四煤田地質有限公司，陜西銅川727000）

目前，各行業(yè)和領域的節(jié)能減排要求不斷提高，煤炭領域也迫切需要引入和應用新技術和新方法，通過煤炭地下氣化，可達到節(jié)能減排的目的。煤炭地下氣化是對賦存煤層進行的技術處理，從原來的物理采煤轉變成化學采氣。這一過程非常復雜，包含流體、物質和熱量的傳遞，同時，還包括化學反應、煤層氣與圍巖壓力變化等環(huán)節(jié)。在此過程中，煤炭資源的開采與轉化有機結合在一起，省去了龐大的資源開采、運洗、選擇、氣化等工序，具有安全可靠、投資少、污染小、效益高的優(yōu)點。

煤炭；節(jié)能減排；地下氣化；可燃氣體

1 基本原理

煤炭地下氣化實際上就是將煤炭成分變成可燃氣體，即一氧化碳、氫氣以及甲烷等。在地下氣化或地面氣化過程中，氣化過程都是嚴格按照氣流的流動方向分區(qū)，其中，包括氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū)。

1.1 氧化區(qū)

通過氣化通道鼓入適量的氧氣，使之與煤層中的碳發(fā)生氧化反應，生成二氧化碳和一氧化碳，然后釋放出大量熱量。這些熱量作用在煤層，可以使氧化區(qū)與周圍的炭保持熾熱，一般溫度可超過1 200℃。隨著氧氣的濃度不斷下降，一氧化碳和二氧化碳的濃度上升，直到氧氣的濃度降低至0.

1.2 還原區(qū)

沿著氣流的流動方向，氧化區(qū)生成的二氧化碳與碳發(fā)生反應，生成一氧化碳；氣化劑內的水域熾熱的碳還原反應，產生氫氣和一氧化碳。在此過程中，會有大量的熱量被吸收，溫度逐漸降低。

1.3 干餾干燥區(qū)

通過還原區(qū)的氣流溫度依然比較高，這一溫度作用在氣流的下煤層，在熱力學的作用下，煤層產生熱解氣。通過反應，有一氧化碳、氫氣以及甲烷等可燃氣體產生，即粗煤氣。氣化燃燒面移動以后，將固體的煤氣化。根據(jù)氣流的方向以及工作面的燃燒移動，氣化過程主要包括順流、逆流兩種推進式。其中，氣流的方向和工作面燃燒移動相同，均為順流式。煤炭地下氣化的基本原理如圖1所示。

2 技術類型

2.1 有井式氣化技術

從應用實踐看，該技術手段被稱為巷道式地下氣化爐法，在廢棄煤礦井內建造地下氣化爐，采用人工掘進方法在煤層中構建氣化巷道，在進氣孔底部巷道筑密閉墻，將密閉墻前煤炭通過點燃使其氣化，經井筒鼓風、平巷，從另一井筒中將煤氣排出。該技術方法僅用于關閉礦井內遺棄資源。

圖1 地下氣化示意圖

2.2 無井式氣化技術

該技術手段采用的是常規(guī)油氣鉆井技術鉆孔模式，有效發(fā)揮了鉆井技術的作用，可以有效避免傳統(tǒng)巷道式建地下氣化爐受到限制。相比于上述有井式煤炭氣化爐，該技術下的氣化建爐工藝相對比較簡單，且建設周期較短，比較適于那些整裝煤田地下氣化，或用于深部煤層氣化。對于無井式地下氣化技術手段，自地面向煤層打深直徑可達400 mm、間距40 m的鉆孔，兩各鉆孔間貫通后就可以形成1個氣化通道，只要點火即可實現(xiàn)煤炭氣化之目的。

3 地下氣化節(jié)能減排技術

3.1 采煤轉變成采氣

煤炭地下氣化，省略了煤炭采掘、通風以及供排水和洗選等流程，作業(yè)量大大減小，能耗降低。一般而言，煤炭生產過程中的綜合耗電量通常在40 kW·h/t左右，最高值可達80 kW·h/t；在選煤過程中，電量消耗為8 kW·h/t。尤其是在一些中小型的煤炭集團，資源條件以及生產技術和設備受限，煤炭生產過程中的能耗更高。煤炭地下氣化大大改善了傳統(tǒng)模式，省去了能耗較大的采掘以及運輸、提升等工序，井下作業(yè)量以及礦井通風量也隨之降低，主排水系統(tǒng)簡化。

3.2 煤氣共采

煤層瓦斯與煤層密切相關，在一定的壓力條件下，其以吸附或者游離態(tài)賦存在煤層內。其中，游離的瓦斯主要是以分子形式賦存在煤層的空隙空間內，吸附瓦斯主要是以固體分子的狀態(tài)附著于煤炭結構以及煤體表面。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，國內煤礦高瓦斯礦井占總數(shù)的將近半數(shù)，且每年因此而死亡的人數(shù)超過2 000人。煤炭地下氣化無需預先進行瓦斯抽取，操作也非常的方便。通過地下氣化，可以避免爆炸事故發(fā)生，不會對作業(yè)面造成嚴重的危害。

3.3 無煤矸排放

地下氣化技術的應用可以有效避免二次污染。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前，我國累計堆積無煤矸4.5×109t以上。值得一提的是，矸石山中的自燃碳排放管理非常重要，采用地下氣化技術手段可以直接開采有用成分，且能做到灰渣不出井、占地小等目標，在避免或減少煤矸石二次污染方面，效果非常明顯。

3.4 集中回爐處理

煤炭地下氣化技術可用于氧氣濃度不同的煤層，可以實現(xiàn)產氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性。根據(jù)氧氣濃度注入量，水煤氣中的二氧化碳濃度差異較大，一般變化區(qū)間在14.3%～25.7%，常用的二氧化碳收集法主要有溶劑吸收以及變壓吸附和有機膜分離等技術方法。粗煤氣內的二氧化碳可在利用之前進行凈化處理，通過集中捕集或者燃燒利用后再進行集中捕集。以日本三菱重工為例，其采用的是新型的吸收劑，即KS-1、 KS-2位阻胺類，在回收過程中所需能量較之于MEA而言，能量減少20%.

3.5 充填固碳

這是一種碳永久封存的技術方法，在封存二氧化碳時，國際上有2種方式，即二氧化碳海洋封存法、地質封存法。其中，前者又可以分為2種途徑，即將二氧化碳注入水下大約1 500 m的臨界深度，使其溶解并釋放于海水；后者則是將二氧化碳注入水下大約3 000 m的海底，高壓條件下使其能夠聚集成液態(tài)，密度超過海水，長年沉于海底。對于地質封存法而言，實際上就是將二氧化碳壓縮液注入地下巖石之中，在物理吸附以及化學反應下永久封存。

4 結束語

總而言之，煤炭地下氣化是一種比較先進的采煤技術和方法，一方面可以有效提高煤炭資源的有效利用率；另一方面，可以實現(xiàn)煤炭資源的綠色、高效開采，具有很好的節(jié)能減排效果。煤炭地下氣化從根本上改變了傳統(tǒng)煤炭開采、運輸模式，大大降低了能耗，有利于提高能源的利用率，在環(huán)境污染降低、碳排放量降低方面起到了非常大的作用。

［1］孟龍.煤炭地下氣化的認識［J］.內蒙古煤炭經濟，2017（Z1）.

［2］鄧靖，袁秋華，姚根有，等.煤炭地下氣化技術的發(fā)展及趨勢［J］.山西化工，2017（02）.

［3］張義偉.煤炭地下氣化技術及發(fā)展探討［J］.遼寧化工，2016（04）.

［4］劉淑琴，陳峰，龐旭林，等.煤炭地下氣化反應過程分析及穩(wěn)定控制工藝［J］.煤炭科學技術，2015（01）.

［5］陳亞偉，王明玉，李瑋，等.煤炭地下氣化地下水質量影響評價及其趨勢分析［J］.中國科學院大學學報，2015（03）.

〔編輯：張思楠〕

TD845

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.016

2095－6835（2017）18－0016－02