国外煤炭地下气化调查.doc

1、国外煤炭地下气化调查2002-06-10 历史 1868 年，德国科学家威廉西蒙斯首先提出了煤炭地下气化(UCG)的概念。1888 年，俄罗斯 化学家门捷列夫提出了地下气化的基本工艺。1907 年，通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸 汽的 UCG 技术在英国取得专利权。1933 年，前苏联开始进行 UCG 现场试验。19401961 年建成 5 个试验性气化站。其中规模较大的是俄罗斯的南阿宾斯克气化站和乌兹别克斯坦的安格连 斯克气化站。这 2 个气化站都采用无井(筒)气化工艺。前苏联的试验性气化站，生产的煤气 热值低，产量不稳定，成本高。1977 年,安格连斯克等气化站被关闭。南阿宾斯克气化站气

2、 化烟煤，到 1991 年累计产气 90 亿 m3 ，煤气平均热值3.82MJ/m3(1600kcal/m3) 。安格连 斯克气化站气化褐煤，1987 年恢复运行，生产低热值燃料气供发电。 20 世纪 50 年代，美、英、日、波、捷等国也都进行 UCG 试验，但成效不大。到 50 年代末都停 止了试验。7080 年代，除前苏联外,美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日 本等国都进行试验。 美国 UCG 研究试验投入大量资金。劳伦斯利弗莫尔、桑迪亚国家实验等研究机构，应用高 技术进行 UCG 的实验室研究和现场试验。到 20 世纪 80 年代中期，共进行 29 次现场试验，累计 气化煤

3、炭近 4 万 t，煤气最高热值达 14MJ/m3 。劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发成功的受控注入 点 后退(CRIP)气化新工艺，是 UCG 技术的一项重大突破，使美国 UCG 技术居世界领先地位。美国 UCG 试验，证实了 UCG 的技术可行性，但产气成本远高于天然气，据美国能源部 1986 年评估报 告， 地下气化成本为 4.8 美元/MBtu，而天然气井口价仅 1.7 美元/MBtu(1989 年，1MBtu=28m 3 天然气)，汉那商业性地下气化站设计预估成本高达 10.4 美元/MBtu。 西欧国家(英国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙)深度 1000m 以下和北海海底煤炭储量 很

4、大。石油危机后，这些国家试图采用 UCG 技术从不能用常规方法开采的深部煤层取得国产 能源。1976 年，比利时和原西德签署了共同进行深部煤层地下气化试验的协议，1979 年在比 利时成立了地下气化研究所，进行 UCG 实验室研究和现场试验。19781987年，在比利时的 图林进行现场试验。气化煤层厚 2m，倾角 15，深 860m。第一阶段采用反向燃烧法，试验失 败。后来采用小半径定向钻孔和 CRIP 工艺，试验基本成功。1988 年，6 个欧盟成员国组成欧 洲煤炭地下气化工作组，进行验证深部煤层地下气化可行性的商业规模示范。1991 年 10 月到 1998 年 12 月，在西班牙特鲁埃尔

5、进行现场试验。气化煤层厚2m，深 500700m，采用定向 钻孔和 CRIP 工艺。 罗马尼亚正在日乌河谷烟煤煤田进行 UCG 试验，目的是弥补天然气供应不足。 除上述国家外，计划进行 UCG 试验或建设气化站的国家有：印度、巴西、泰国、保加利亚、 新西兰。 2 技术进展 2.1 早期的有井(筒)式气化工艺 UCG 试验采用有井(筒)式工艺，需要开凿井筒、掘进巷道，或利用老矿的井巷。这违 背了地 下气化的基本宗旨是避免井下开采作业的初衷，而且准备工作量大，产气量小。1935年以后 ，发展无井(筒)式工艺，即从地面向煤层钻孔。过去 50 年，国外所有 UCG 试验和可行性研究 都采用无井(筒)式

6、工艺。 2.2 UCG 描述 最简单的 UCG 工艺是按一定距离向煤层打垂直钻孔，再使孔间煤层形成气化通道。然后通过 一个钻孔把煤层点燃，注入空气或氧/蒸汽，煤炭发生热解、还原和氧化等气化反应。蒸汽 提供反应所需的氢，并降低反应温度。产生的煤气从另一个钻孔引出，煤气的主要成分是 H 2 、二氧化碳、CO、CH4 和蒸汽，各种组分的比例取决于煤种、气化剂和气化效率。注入空气和 蒸汽 产生低热值煤气(3.96.3MJ/m3) ；注入氧和蒸汽可得中热值煤气(8.211.0MJ/m3) 。 低热 值煤气可就地发电或做工业燃料；中热值煤气可作燃料气或化工原料气，原料气可转化成汽 油、柴油、甲醇、合成氨和

7、合成天然气等产品。UCG 的关键技术问题是连续钻孔的方法，即 贯通技术、煤层勘测和气化过程的控制。 2.3 贯通技术 迄今已试验 5 种贯通方法：电力贯通，爆炸破碎，水力压裂，反向燃烧，定向钻孔。只有后 两种方法证明是可行的。 （1）电力贯通。这是早期采用的方法，因煤层电阻大，耗电太多，而效果不好，早已淘汰 。 （2）爆炸破碎法。70 年代，美国试验爆炸破碎法，未能使煤层产生足够的渗透性，而且难 以控制。 （3）水力压裂。水力压裂是从钻孔向煤层注入带支撑剂(砂子等)的高压水，使煤层压裂， 排水后砂子留在煤层裂隙中，从而提高煤层渗透性。美国、法国、比利时、德国等都曾进行 水力压裂试验，均以失败告

8、终。1980 年法国进行水力压裂试验，煤层深 1170m，压力达 750ba r，结果水砂倒流，发生堵塞。 （4）反向燃烧。反向燃烧是从甲孔点火，从乙孔鼓风，燃烧面的推进方向与气流方向相反 ，煤气从甲孔引出。美国 ARCO 煤炭公司在怀俄明州吉利特附近进行试验，煤层厚34m，深 213 m，为次烟煤。注入空气，煤气热值达 7.9MJ/m3 。 （5）定向钻孔。定向钻孔是石油工业开发的一种钻井新技术，它是从地面打垂直钻孔，钻 到一定深度后，钻孔可以拐弯，变成水平方向钻进，形成水平孔。定向钻孔有两种方法：一 是逐渐拐弯，一般每 30m 拐 3，不需特制的钻具，曲率半径约 500m。另一种是小半径拐

9、 弯钻进，需采用挠性钻具和孔内导向装置，曲率半径可小到 15m。英国采用天然伽玛射线传 感器导向，在厚度和倾角变化的煤层中进行定向钻孔试验，水平孔长达 500m。比-德地下气 化研究所在比利时图林大深度煤层 UCG 试验中，采用垂直钻孔、逐渐弯钻孔和小半径拐弯钻 孔相结合的设计方案。见图 1。 图 1 图林 UCG 试验定向钻孔布置（略） 此方案可用一个逐渐拐弯钻孔联接若干垂直钻孔，在气化几个煤层时尤其方便，而且垂直孔 与层内水平孔的交接比较精确，两者距离可控制在小于煤层厚度的范围内。英国设想用定向 钻孔技术气化北海海底煤层，水深 25130m，煤层厚 12m，从地面或近海钻井平台打定向钻 孔

10、。 2.4 煤层勘测和模型研究 待气化煤层的精细勘测和气化反应带的预测和监测，是 UCG 能否成功的关键要素。在煤层勘 测方面，已采用钻孔温差电偶、孔间地震仪等进行三维精细勘测。在地面用电阻率方法进行 勘测也能取得良好效果，而且成本较低，有效深度约 1000m。深部煤层用高频电磁波进行勘 测，已证明是一种有效而经济的方法。目前，UCG 试验通常都采用计算机模型模拟气化过程 。已开发出多种模型。应用这些模型，有可能相当精确地模拟气化反应过程，预测能够气化 的煤量、煤气的产量和质量，以及生产成本。美国能源国际公司采用 UCG 经济性模型和现场 试验数据，对拟建的怀俄明州汉那商业性气化站设计方案的经

11、济性进行预测和优化。 2.5 气化过程控制 UCG 是受多种因素影响的复杂的物理化学过程，难以控制。主要影响因素包括：煤层地质条 件，煤质特征，涌水量，矿山压力，气化剂及其注入压力和流量等。气化过程控制的主要问 题是冒落矸石对气流的影响，以及气化效率随气化带的推进而降低。美国在地下气化机理和 气化过程方面进行大量 的研究开发工作，包括气化过程监测、自控和摇感技术，应用声学、地震学和电子技术，取 得化学、热力学和地质学等方面的数据。 2.6 环境影响评价及防治技术 美国和欧盟重视 UCG 对健康和环境影响的评价以及防治技术的研究。主要问题是气化区地面 塌陷，地下水污染，煤气净化系统排放物对环境的

12、影响。美国能源部对怀俄明州70 年代末进 行试验的地下气化站对健康和环境的影响进行专项评估。对气化站附近地下水中的异丙基苯 含量进行测量，并采用生物技术(需氧菌群)进行分解苯的示范试验，结果地下水中的苯含量 下降 80%。 3 CRIP 气化工艺 美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 1976 年开始研究 UCG，在模拟研究和实验室研究的基础上 ，19761979 年在怀俄明州吉利特附近进行了 6 次现场试验，先后采用爆炸破碎、反向燃烧 和定向钻孔贯通技术，注入空气和氧/蒸汽。这些试验除爆炸破碎效果不佳外，煤气热值都 超过 4MJ/m3 ，最高达 10.3MJ/m3 ，但都发生冒顶、漏气和水流入等问题

13、。为解决这些问 题， 提高气化效率，该实验室研究开发出受控注入点后退气化工艺(CRIP)。这种新工艺把定向钻 进和反向燃烧结合在一起，定向钻孔先打垂直注入孔和产气孔，到达煤层后，从注入孔沿煤 层底板继续打水平孔，直到与产气孔底部相交，然后在钻孔中下套管；开始气化时，用移动 点火器在靠近产气孔的第一个注入点烧掉一段套管，并点燃煤体，燃烧空穴不断扩展，一直 烧到煤层顶板，待顶板开始塌落时，注入点后退相当于一个空穴宽度的距离，再用点火器烧 掉一段套管，形成新的燃烧带，如此逐段向垂直注入孔推进。见图 2。点火器用引火气体硅 烷点燃丙烷喷嘴，在地面拖曳移动。 图 2 CRIP 工艺示意图（略） 比利时图

14、林地下气化试验设计的注入管和点火器结构见图 3。注入管采用双层套管，蛇管在 挠性套管内移动。蛇管内装 3 根热电偶电线和 2 根可燃的空心管，一根空心管输送三乙基硼( 遇空气即燃烧)和 CH4 ，另一根空心管注氧。蛇管端部固定点火器。 图 3 注入管结构（略） 1983 年，在美国华盛顿州森特雷利亚附近的韦特柯煤矿进行首次全规模现场试验。气化煤层 厚 11m，气化上部的 6m，煤质为高灰分(20%)、低渗透性次烟煤。试验历时 30 天，开始注入空 气和蒸汽，第 14 天注入氧和蒸汽，气化煤量为 1814t，煤气热值9.5MJ/m3 。CRIP 工艺的最 大 优点是气化过程能够有效地得到控制。因

15、为水平注入孔位于煤层底部，气化过程在受控条件 下由注入点后退逐段进行。这一特点使它特别适用于大深度煤层和特厚煤层。气化大深度煤 层时，一个产气孔可连接一组垂直注入孔，煤气可通过已烧过的空穴流动，解决了在极高的 岩层压力下保持通道的问题。气化厚煤层时，当空穴扩大并发生大冒顶时，可保持垂直注入 孔的完整性。CRIP 工艺的另一个突出优点是产气量大，还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸 出的煤气。CRIP 工艺的主要缺点是点火操作比较复杂。CRIP 工艺在美国试验成功以后，国外 所有地下气化试验或可行性研究项目都采用这种新工艺。 4 重要 UCG 项目 国外 UCG 试验和商业性示范项目主要有俄罗斯的南

16、阿宾斯克气化站，美国的汉那、罗林斯和 森特拉利亚气化试验，以及比利时的图林和西班牙的特鲁埃尔气化试验。 4.1 俄罗斯南阿宾斯克气化站 南阿宾斯克气化站位于俄罗斯库兹巴斯矿区。气化煤层厚 29m，倾角 5570，深50300 m，煤种为气肥煤。1955 年建成试验性气化站，设计年产气能力 5 亿 m3 ，采用井(筒)气化工 艺 。到 1991 年累计气化煤炭 3Mt，产气 90 亿 m3 ，煤气平均热值3.82MJ/m3(1600Kcal/ m3) 。煤气供附近 12 个工矿企业用作燃料。 4.2 美国汉那、罗林斯和森特雷利亚地下气化试验 4.2.1 汉那地下气化试验 19721979 年，美

17、国能源部拉勒米能源技术中心在怀俄明州汉那附近进行地下气化试验。气 化煤层为次烟煤，厚 9m，深 49122m。首次采用反向燃烧法，注空气，气化煤炭15741t，煤 气热值 4.06.6MJ/m3 。19871988 年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室采用CRIP 工艺在汉 那进行试验，获得成功。 4.2.2 罗林斯地下气化试验 19791981 年，Gulf 研究与发展公司在怀俄明州罗林斯附近的一个急倾斜煤层进行地下气化 试验。气化煤层厚 7m，倾角 63，深 30m，煤种为次烟煤，钻孔贯通。试验分 3个阶段进行。 第一阶段注空气，煤气热值 5.9MJ/m3 ；第二阶段注氧气，煤气热值9.8MJ/

18、m3 ；第一、 第二阶 段的注入压力为 485795kPa；第三阶段注氧气，最大压力提高到 1100kPa，煤气热值 12.9MJ /m3 ，有 19 天平均达 14MJ/m3 。累计气化煤炭7766t。这是美国最成功的一次地下气化试验。 4.2.3 森特雷利亚地下气化试验 1983 年 ，劳伦斯利弗莫尔国家实验室在华盛顿州森特雷利亚附近进行地下气化试验。气 化煤层厚 11m，气化上部 6m，煤层深 75m。采用 CRIP 工艺，运行 30 天，气化煤炭13315t，煤气 热值 9.5MJ/m3 。 4.3 比利时图林煤炭地下气化试验 这是比利时和德国深部煤层地下气化试验合作项目。试验地点在比

19、利时波利纳日煤田的图林 。气化煤层厚 4m，深 860m，煤种为瘦煤。19781980 年打了 4 个钻孔，呈星形布置，2 号孔居 中，1、3、4 号孔沿圆周布置，与 2 号孔相距 35m。第一阶段采用反向燃烧法进行贯通试验， 由 1 号孔注入高压空气(最大压力 260bar)。由于地层压力高达200bar，煤层刚被烧通，周围 煤体即在高压作用下产生蠕动，将通道封死，注入孔底附近的煤层发生自燃，试验失败。19 83 年改用小曲率半径定向钻进技术进行贯通试验。采用多节挠性钻管，依靠钻孔中的导向装 置导向，使垂直注入孔逐渐转向，进入煤层中继续钻进，钻到距垂直生产孔 24m 处停止， 用 175ba

20、r 高压水打通，完成贯通。曲率半径仅15m。1986 年定向钻孔顺利完成。气化试验采 用美国的 CRIP 工艺。为适应深部煤层，对此工艺作了一些修改。从垂直注入孔下套管，在套 管中用 350bar 压力推入蛇管。蛇管内装有 3 根热电偶电线和 2 根可燃的空心管，一根空心管用 来输氧，另一根空心管用来输送三乙基硼和甲烷。蛇管端部固定点火器。气化时，通过热电 偶点火，使钢管和蛇管一起反向燃烧，第一段烧掉 11m，然后以 80bar 压力、7000 m3/h 流 量 注入空气，待气化约10t 煤以后，压力降至 2030bar。第二段和第三段再从注入点分别后退 11m，第二段注入40% 氧气、 30

21、% 二氧化碳和 40% N2 混合气体，第三段注入 40% 氧气、60% 二氧化碳混合气 体，压力均为 25bar，流量 2000 m3/h 。最后阶段以 25bar 压力、10000 m3/h 流量注入空 气， 若温度太高，注入 1200 m3/h 的 N2 。气化剂采用氧气和二氧化碳，不用蒸汽。因为蒸汽要在 250下 输送，成本高，而且在到达气化带前会因岩层的热交换而冷凝。采用氧气和二氧化碳注入孔不 用绝热，孔径可减少 35%。 4.4 西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验 1988 年，6 个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组，进行验证欧洲典型煤层地下气化可 行性的商业规模示范。项目选定西班

22、牙特鲁埃尔矿区中等深度煤层进行现场试验。该项目实 施时间 7 年零 3 个月，从 1991 年 10 月到 1998 年 12 月。气化煤层为次烟煤，厚约 2m，深 500700 m，硫分高达 7.26%。采用 CRIP 工艺。用潜孔钻机进行小半径定向钻进，注入孔和生产孔相距 150m，注入管和点火器与图林项目基本相同，在地面用特制的滚筒使其在注入孔内移位。气 化试验从 1997 年 6 月 30 日开始，共进行 3 次(即注入点后退3 次)，到 10 月 6 日结束。气化剂为氧 和水。气化过程对气化剂流量、产气孔压力、煤气流量和组分等进行监测和分析。根据参与 气化的元素质量平衡测量气化煤量、

23、煤气损失量和地下水涌入量，用示踪气体氦监测煤层空 穴的扩展动态。气化试验完成后，在地面钻孔并取芯，勘测气化空穴的形状和气化残留物。 对气化区周围地下水中的污染物以及煤气输送管道的腐蚀进行取样分析。试验结果表明：定 向钻孔适于建立气化通道，CRIP 工艺效果良好，运行顺利；煤气产出率随注氧量增加而增大 ，反应灵敏，因此有可能使气化过程暂停几天时间，这对发电很有利；煤气热值达 10.9MJ/ m3 ，与地面气化相当，约为天然气的 1/3；煤炭地下气化的环境影响应引起重视。这次试 验 解决了一系列技术问题。如果现有的技术问题得以解决，并证明经济合理，煤炭地下气化可 在 1015 年内实现商业化，这是

24、欧洲利用自有煤炭资源发电的战略选择。此外，欧洲地下气 化技术还有良好的出口前景，包括钻井、完井所用特种钢，气化工程技术等。 5 结论 （1）发展 UCG 的基本宗旨。开发利用本土能源资源、从根本上杜绝矿井伤亡事故以及减少煤 炭开采和利用对环境的损害，是各国发展 UCG 共同追求的目标。最初提出 UCG 的一个根本出发 点，就是使煤炭直接在地下转化成气体燃料，完全取消井下作业，从根本上杜绝矿井伤亡事 故和井下作业导致的职业病。因此，虽然早期的 UCG 试验曾采用有井(筒)式工艺，但 1935 年 以后就开始发展无井(筒)式工艺。过去 60 多年国外所有 UCG 试验和可行性研究，都采用 无井(筒

25、)工艺路线。经济合作与发展组织/国际能源机构 (OECP/IEA)1999年出版的非常规 开采认为：有井(筒)式工艺违背了 UCG 避免井下作业的初衷，采用油气工艺的定向钻进技 术解决了气化通道的贯通问题。 （2）UCG 不能替代常规采煤方法。国外普遍的看法是 UCG 不能替代常规采煤方法，只可用 来开采常规方法不可采或开采不经济的煤层，包括大深度煤层、高灰高硫劣质煤、急倾斜煤 层和薄煤层，成为提供洁净能源的一种可供选择的途径。 （3）UCG 煤气有多种用途。气化过程注入空气和蒸汽，生产低热值煤气(3.96.3MJ/m3) ， 可就地发电或用作工艺燃料。注入氧和蒸汽可得中热值煤气(8.211.

26、0MJ/m3) ，可用作燃 料气或化工原料气，原料气可转化成汽油、柴油、甲醇、合成氨和合成天然气等产品。 （4）UCG 是一项涉及多种学科的高技术。多项高技术的应用，是欧美国家 UCG 研究试验取得 重大进展的关键。这些技术包括：应用声学、地质学、地震学、化学、热力学和电子技术， 研究地下气化机理；UCG 计算机模型，模拟气化过程，测算煤气产量和质量、生产成本；待 气化煤层的精细勘探、三维勘测技术；气化过程自动监测和控制技术；耐高温、抗腐蚀特种 合金钢管和特种泥浆；适于 UCG 的先进燃气-蒸汽联合循环发电技术；UCG 环境监测和防治技 术。 （5）UCG 技术尚不成熟。UCG 虽已证实技术和

27、工程可行性，但技术尚不成熟，存在一系列有 待解决的问题，主要是气化过程很难控制；冒顶可能严重干扰气化过程，地下水进入气化带 ；烟煤加热膨胀产生塑性变形，会阻塞气化通道，煤气中的固体颗粒和焦炭会堵塞和腐蚀管 道。 （6）目前没有发展新一代 UCG 技术的研究开发活动。定向钻孔和 CRIP 气化工艺是UCG 技术的 重大突破。但是国外近年 UCG 技术的研究开发活动，致力于改进现有工艺和设备，解决气化 和环保等方面的技术问题，没有发展新一代 UCG 技术的研究计划。 （7）UCG 经济上尚无竞争力。经济性是 UCG 技术发展缓慢的关键因素。在目前国际市场油气 价格条件下，UCG 研究开发难以有大的

28、进展。 （8）UCG 要解决一系列环境问题。UCG 的优点是不排放矸石，粗煤气经净化处理后成为一种 洁净的燃料。但 UCG 对环境的损害也是尚待解决的一个重大问题，美国能源部把解决环境问 题作为 UCG 商业化的前提条件。首先是气化残留物中的有害有机物和金属污染地下水。其次 是气化区会产生地面塌陷，需采取复田等措施。第三是粗煤气净化系统的排放物对环境的影 响，必须加以处理。 （9）需要国际合作。UCG 技术研究开发和示范是高投入高风险大型项目，加强国际合作对促 进其商业化是十分重要的。西班牙深部煤层地下气化试验是一个高难度项目，也是20 世纪 90 年代国外唯一的大型 UCG 试验项目，技术上

29、取得了重大进展，这是持续 20 年的国际合作的成 果。这次试验的成功，增强了欧盟成员国深部煤层地下气化商业化的信心，并使欧盟在这一 高技术领域的国际竞争中处于有利地位，为出口相关技术提供了机会。 （10）UCG 的前景。预测 UCG 商业化的前景是困难的。国外大多数专家仍把它看作长期的目标 ，关键在于能否和何时解决技术上存在的问题(包括气化工艺和环境损害防治)，以及何时能 够同石油天然气相竞争，政府的政策也是一个重要因素。因此，各国的情况是不同的。欧盟 煤炭地下气化工作组 1999 年的报告认为，若能解决现存的技术问题而且经济上可行，UCG 有 可能在 1015 年内实现商业化。 Cougar Energy Limited (ASX:CXY)报告了一项澳大利亚煤炭地下气化(UCG)行业发展中的重大里程碑式进展，Kunioon 的煤层气在该公司位于昆士兰中部最大的 Kingaroy 工厂点火成功。合成气的生产开始了。合成气由该公司现场的气加工装置加工而成。主火炬于昨晚 11 点 37 分点燃。Cougar 及其技术合作伙伴将在未来数周内逐步加快气化过程。