煤炭地下气化中控制CO2含量的辅助气化工艺研究

2005/9/11 12:42:30

摘要　通过现场试验研究了控制CO₂含量的辅助气化工艺：压抽相结合、反向供风气化及双火源气化.试验结果表明：采用上述辅助气化工艺，可降低CO₂含量10%左右，同时增加煤气中其它可燃气体的含量，提高煤气热值.
　　关键词　CO₂，煤炭地下气化，气化工艺
　　中图分类号　TQ546

STUDY ON AUXILIARY GASIFICATION
TECHNOLOGY OF CO₂ CONTROL IN THE PROCESS OF
UNDERGROUND COAL GASIFICATION

Liu Shuqin Liang Jie and Yu Li
(China University of Mining and Technology, 100083 Beijing)

　　ABSTRACT The higher content of CO₂ in gas produced by underground coal gasification (UCG) limits the gas heat value, and will also be the latent resource of CO₂ discharging. In this paper, three assistant gasification technology for CO₂ content control are studied through field trials. Results show: the content of CO₂ in UCG gas can be cut down to about 10% by adopting the above assistant gasification technology, through which the content of combustible gases can be increased and gas heat vlaue can be improved about 40%.
　　KEY WORDS CO₂，underground coal gasification, gasification technology

　　0　引言

　　近年来CO₂的大量排放已成为产生温室效应的主要因素.^［1］煤炭地下气化就是将地下煤炭通过热及化学作用原地转化为可燃气体的过程，它能够减少煤炭直接燃烧带来的环境污染和生态破坏，因而是一种洁净煤综合利用技术，也是未来煤炭生产和利用的新方法.中国矿业大学地下气化中心提出的“长通道、大断面、两阶段”气化新工艺通过对传统工艺的改进，基本实现了连续、稳定产气.但地下气化煤气中CO₂具有较高含量，约占20%，它限制了煤气的热值，也是潜在的CO₂排放源.本文通过刘庄矿地下气化现场试验研究提出了控制CO₂含量的辅助气化工艺.

　　1　地下气化炉结构

　　结合现场煤层赋存条件设计的长通道、大断面、可调推进式地下气化炉结构见图1.气化炉主要由进气孔、排气孔、辅助孔、气化通道组成.气化通道长200 m，通道断面为3.4 m³，钻孔间隔为50 m.辅助孔用于供风、供气及排气，跟踪气化工作面，进行推进式供风气化.

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图1　地下气化炉结构图
Fig.1　The structure of underground gasifier

　　2　地下气化中CO₂的反应特性

　　地下气化煤气中CO₂的含量取决于地下气化过程中各反应阶段(即氧化区、还原区、干馏干燥区)的反应特性与反应条件，并由总的组分守恒与能量守恒所制约.
　　地下气化过程中CO₂主要参与以下气化反应：
C+O₂CO₂
C+CO₂2CO
C+2H₂O(g)CO₂+2H₂
CO+1/2O₂CO₂
CO+H₂O(g)CO₂+H₂　ΔH₁=+393.8 kJ/mol
ΔH₂=-162.4 kJ/mol
ΔH₃=-90.0 kJ/mol
ΔH₄=+285.5 kJ/mol
ΔH₅=+41.0 kJ/mol
　　点火后气化剂由进气孔导入煤层，在气化通道内氧与煤接触，首先发生氧化反应.氧化区的反应可以用下式表示^［2］：

λC+O₂2(λ-1)CO+(2-λ)CO₂

其中：λ是与温度相关的常数.煤的燃烧反应均为放热反应，由CO和CO₂含量与温度的关系可知，维持温度在700K以上时有利于CO的生成^［3］，但CO氧化生成CO₂由于是均相反应而容易进行.在地下气化过程中，随着气化通道里煤的消耗，空穴增大，气化剂中O₂易走旁路，使气相中CO氧化成CO₂的可能性增大.反应得到的CO和CO₂的浓度比符合下列关系：

　　氧气耗尽后，气流即进入还原区，CO₂与热焦接触，还原成CO；水蒸气与热焦反应，生成CO和H₂.CO₂还原反应，在800℃时，仅为碳燃烧反应速度的10^-5倍.因此，在地下气化条件下，CO₂还原反应达到平衡很慢，主要与反应温度和原料活性有关.当煤层底部煤被消耗后，大量的煤会落入已有的空穴，形成类似于地上气化炉的填充床，这些块状煤增加了床层表面积，活性较高，有助于CO₂的还原.
　　煤被加热超过300℃时，开始其干馏干燥与热解过程.550℃后产生大量H₂，CO₂和CH₄.此外，地下气化中气化区以外的煤层因导热而被加热，其干馏过程属非等温、非等压条件下煤的热解问题.随着压力的升高，干馏煤气产率增加，煤气中CH₄和CO₂含量增加，而CO，H₂和H₂S含量则减小.^［4］
　　从地下气化过程中CO₂的反应特性可以看出，气化炉温度场是改变气化反应方向，影响CO₂反应的主要因素.另外，在地下气化反应过程中，气化通道的大小、形状、位置都随气化过程的进行及煤层和顶板的冒落而不断发生变化.因此，必须根据不同气化反应条件，采取不同气化工艺控制煤气中CO₂和其它可燃气体的含量，来保证气化过程稳定进行和较高的煤气热值.

　　3　控制CO₂含量的辅助气化工艺

　　3.1　压抽相结合
　　CO₂还原为体积增大的反应.因此，降低还原区的压力能够提高反应速度.但是氧化区压力不宜过低，因为氧化剂压力越高，向煤层里渗透燃烧的能力越强.为了同时满足氧化区和还原区的要求，可以采用压抽相结合，由进气孔鼓风，出气孔引风，调节鼓风压力和引风负压，使还原区、干馏干燥区处于相对较低的压力条件下，有利于还原反应的进行，从而减少CO₂的含量.刘庄矿地下气化试验正常压风气化和压抽相结合气化时煤气平均组分和热值的比较见表1.

表1　压风和压抽相结合气化煤气平均组分及热值比较
Table 1　Comparison of average ingredients and heat value of
gas between compressing and compressing accompanied by pumping

Item	Gas ingredients/%					Heat value /MJ/m³
Item	H₂	CO	CH₄	CO₂	N₂	Heat value /MJ/m³
Compressing	9.43	3.71	2.13	19.49	65.26	2.52
Compressing and pumping	15.20	11.45	2.81	10.39	58.95	4.51

　　从表1可以看出，压抽相结合气化与压风气化相比，出口煤气中CO₂含量降低了9.1%，H₂和CO含量分别提高了5.83%和7.74%，因此煤气热值得到显著提高.刘庄矿12^s(12^#煤层)气化炉压风气化和压抽相结合气化时煤气热值的变化见图2.其中16日到20日是压风气化，21日到26日是压抽相结合气化，可以看出，采用压抽相结合气化，煤气热值显著提高，并趋于稳定.

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图2　压抽相结合前后煤气热值变化
Fig.2　Change of gas heat value before and after compressing combined with pumping

　　3.2　反向供风气化
　　当正向气化时，火焰工作面逐渐向出气孔移动，使干馏干燥区和还原区越来越短，最终还原区的长度不能满足氧化区生成的CO₂的还原和水蒸气分解反应的需要，导致煤气中CO₂含量增加及煤气热值降低.若采用反向供风气化，即由出气孔鼓风，进气孔出气，使火焰工作面向进气孔方向移动，则可重新形成气化条件，CO₂得到进一步还原.
　　此外反向供风气化还具有以下优点^［5］：(1)鼓风时空气在原高温排气孔中得以预热，该热能在气化炉中用以分解水蒸气以增加氢的含量，随鼓风导进的物理热，可以在煤气中得到大致相等的热能；(2)反向供风时，还原区及干馏干燥区都在正向鼓风时燃烧过的区域内，温度较高，还原反应温度条件及干馏效果都比较好；(3)气流下游的灰渣对甲烷化反应起一定的催化作用.12^s炉气化后期反向供风前后煤气平均组分及热值的变化见表2.可以看出，气化后期采用反向供风气化，可大大降低煤气中CO₂的含量，同时由于水蒸气还原率的增大，H₂含量也得到显著提高.

表2　反向供风前后煤气平均组分及热值比较
Table 2　Comparison of average ingredients and heat value
of gas before and after reversible blowing

Item	Gas ingredients/%					Heat value /MJ/m³
Item	H₂	CO	CH₄	CO₂	N₂	Heat value /MJ/m³
Before reversible air blast	9.43	3.71	2.13	19.49	65.26	2.52
After reversible air blast	15.20	11.45	2.81	10.39	58.95	4.51

　　刘庄试验12^s煤反向供风前一时刻沿气化通道氡浓度分布和反向供风144 h时沿气化通道氡浓度分布见图3.从图3可看出，反向供风以后，沿气化通道长度上氡浓度普遍提高，说明反向供风能够形成新的气化温度条件.

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图3　反向供风前后沿气化通道氡浓度分布
Fig.3　Distribution of randon concentration along
gasification tunnel before and after reverse blowing

　　3.3　双火源气化
　　双火源气化，即在进气侧和排气侧分别建立火源A和B(见图1).火源B也可以建立在气化炉中部.交替使用这两个火源，当火源A作为氧化区时，火源B处于还原区，这样可大大提高还原区的温度，提高CO₂还原及水蒸气分解速度，从而降低煤气中CO₂含量，提高煤气热值.
　　在刘庄矿双火源两阶段气化试验中，第一阶段由进气孔和辅助孔1同时供风，建立双火源；第二阶段由进气孔鼓入水蒸气，水蒸气在火源A被分解，剩余的水蒸气在火源B继续分解，水蒸气分解率提高，CO₂在火源B也可得到进一步分解，干馏煤气产量也随之增加.双火源和单火源两阶段气化时地下水煤气中CO₂含量及煤气热值比较见图4和图5.可以看出，双火源气化产生的地下水煤气中CO₂含量较单火源气化显著降低，水煤气热值普遍得到提高.

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图4　双火源和单火源两阶段气化地下水煤气中CO₂含量比较
Fig.4　Comparison of CO₂ content in UCG between single fire and double fire
○——Single fire; ●——Double fire

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图5　双火源和单火源两阶段气化地下水煤气热值比较
Fig.5　Comparison of gas heat value gas between
single fire and double fire
○——Single fire; ●——Double fire

　　4　结论

　　(1) 控制地下气化煤气中CO₂含量可以提高煤气热值，减少CO₂的排放量.
　　(2) 压抽相结合可以降低还原区压力，提高CO₂还原速度；气化后期反向供风气化可以形成新的气化条件，使CO₂得到进一步还原；双火源气化可以显著提高还原区温度，有利于CO₂的还原反应.采用上述辅助气化工艺，可降低CO₂含量10%左右，且增加煤气中其它可燃气体含量，从而提高煤气热值.同时有利于气化过程稳定进行.

作者简介：刘淑琴：博士生
　　　　　梁杰：副教授
　　　　　余力：教授、博士生导师

作者单位：中国矿业大学北京校区，100083 北京

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