徐州马庄煤矿煤炭地下气化试验研究

图1　气化炉结构
Fig.1　The structure of the gasifier
1～3——测温孔；4——注浆密封孔；
S，N——进、排气孔

2　试验工艺过程及结果评述

2.1　气化炉的点火
　　对于马庄矿无井式气化炉来讲，煤层着火存在着2个不利的因素：①钻孔施工时，使钻孔底部的煤层含水率增高；②无气化通道排烟.水汽化将吸收热量，使散热量增加，而烟气的存在降低了炭粒表面的氧气浓度，使产热量降低.因此，为了迅速着火，无井式气化炉一般采用强迫点火措施.常用的强迫点火方法是在钻孔中投入炽热煤炭，然后由钻孔供风，这种点火方法必须用较高的供风压力，将烟气压入煤层.如果所投入的炽热的炭产热不足以抵消包括水蒸发的散热，点火过程往往会失败.本次现场试验采用这种方法点火时，因水蒸汽量太大和供风压力不够，而未能成功.后采用盲孔式电点火方法^［1］，获得了成功，点火系统见图2.

图2　盲孔电点火系统
Fig.2　The electric ignition
system of blind holes

　　点火器由镍铬丝制成，点火器用引火材料（汽油浸泡过的木材、棉纱等）包裹，这一点火系统的优点是：①明火迅速，避免了电阻丝点火时，缓慢的升温过程将汽油蒸发成油气而产生爆炸；②镍铬丝串联在电流为14 A左右的电路中，孔内两根导线电位差很小，且地面有两个用电器保护，不会被短路；③点火器能向点火区域长时间提供一个外热源，使点火区域能够维持在一个较高的温度条件；④供风胶管直接将新鲜空气送给点火区，而烟气也能顺利排出.点火孔选择1号孔.点火时采用脉动压力供风，压力为0～0.3 MPa ，每间隔15 min变化一次，这样有利于火区的扩展，也能保证烟气及时的排出，不影响火区的氧气浓度.点火成功的标志是在1号孔、S孔和N孔都得到了热值在1300 kJ/m³以上的煤气.
2.2　气化通道的贯通
　　无井式气化通道常用的贯通技术有火力贯通、电力贯通、水力压裂和定向钻进等.火力贯通因工艺简单而常被采用，火力贯通有正向燃烧贯通和反向燃烧贯通^［2］.
　　正向燃烧与反向燃烧的差别是很显著的.正向燃烧是一个火焰前沿与气流以同一方向扩展的过程，煤的消耗速率决定了火焰前沿的速度，随着煤的消耗，燃烧区移向下游煤较密集的地方.但在反向燃烧中，火焰前沿的速度是由上游热量对气流的传递速率决定的，上游的煤被加热到它的着火温度而点燃，从上游残留煤（半焦）中获取氧，造成煤层的不完全燃烧.因此，正向燃烧在其向前移动的过程中实际上消耗了全部可燃物质，但反向燃烧可以穿过可燃物质而仅仅消耗其中的一部分.二者最重要的差别在于，反向燃烧趋于烧出狭窄的、直径固定的通道，而正向燃烧一般以较宽的前沿向前扩展.因此，正向燃烧可以扩大火源，反向燃烧可以形成规则的通道，所以，正向、反向互换贯通可以形成直径较大的规则通道.本次地下气化试验采用了这种互换贯通方法.
　　在实体煤中，反向燃烧贯通时，贯通速度可用下列经验公式计算，即

u=0.005 5ηq_v，

式中，u为平均贯通速度，m/d；q_v为平均鼓风量，m³/h；η为贯通鼓风的有效利用系数（或相对风流）.
　　贯通期间进、出口流量测定结果表明，漏失率平均为75%，则η≈0.25，鼓风量平均为100.8 m³/h，则反向贯通速度理论值应为

u=0.14 m/d.

　　实际上由S孔到1号孔的7 m间距，贯通所用时间为499 h，则本次地下气化试验过程中，实际贯通速度为0.34 m/d.实际值大于理论计算值，是由于实际贯通过程中采用了正、反向互换贯通，加之气化煤层下部有探煤巷，探煤巷冒落后，使上部煤层裂隙增大.
　　通道有效直径可由下式给出，即

式中，Q为贯通产气量，m³/h；t为贯通时间，h；φ为煤气中CO，CO₂，CH₄体积百分比含量之和，%；ρ为气化煤密度，kg/m³ ；L为贯通距离，m.
　　现场试验贯通期间平均产气量为21 m³/h，煤气成分分析中CO, CO₂, CH₄体积百分比含量之和平均为20%，ρ=1300kg/m³ ，t=499h ,L=7m，由此可得到马庄矿地下气化试验所形成通道的有效直径应为0.39m.但通道局部会被冒落下来的煤充填，使供风阻力增加.
　　试验表明，当煤气中CO，CH₄， CO₂三种组分的百分含量之和大于18%时，说明火区温度较高，可进行反向贯通；当其和小于18%，则必须采用正向供风以提高火区温度，增大火区范围.
2.3　混合小U型炉气化
　　试验中期，除了维持1号和N孔之间继续贯通外，重点进行了1号孔与S孔间的小U型炉煤层气化.由1号孔连续不断地供风，从S孔排出的煤气热值和流量均稳步上升，40　h后，热值由原来的0.17　MJ/m³上升到3.35 MJ/m³以上，流量由原来的60 m³/h上升到120 m³/h.此后煤气热值一直稳定在3.35　MJ/m³以上，流量继续增大，最大时达到300 m³/h.图3为该试验期间某7 d煤气流量的变化情况，图4为煤气热值随煤气流量的变化规律.

图3　煤气流量与时间的关系
Fig.3　The relation between gas flow rate and time

图4　煤气热值和流量的关系
Fig.4　The relation between gas heat value and flow rate

　　由图3可知，煤气流量随着时间的增长而波动性增高，这是因为在急倾斜煤层的气化过程中，气化通道不断扩大，造成灰渣和煤层不规则地冒落，导致气化通道大小、流体运动阻力的不断改变，从而影响了供风量和煤气产量，使得煤气流量在不断增加的同时也在发生波动.
　　图4表明，煤气流量升高，热值也升高，究其原因，是由于急倾斜煤层，随着气化的进行，气化通道顶部煤块在重力作用下不断冒落，填充在通道底部，于是气化通道逐渐上移，供风量增加，这样使足够的气化剂与新鲜煤层面不断接触，从而提供了有效燃烧气化所需要的大反应比表面积，气固之间的氧化-还原作用增强，可燃组分提高^［3］，故煤气热值亦随之升高.但随着供风量即煤气流量的增加，其热值逐渐趋于稳定.这说明无井式渗透性通道，提高供风量能够提高煤气热值，然而在一定的气化通道条件下，煤气热值升高趋近于一个稳定值.
2.4　双火源气化
　　随着还原区温度的升高，水蒸汽的分解速度和CO₂的还原率大大提高，但是如何提高还原区的温度，这已成为煤炭地下气化工艺中一个重要的研究课题.前苏联、美国等一些国家都采用外加热源的方法，如将核废料埋在还原区，或在还原区打钻孔布置电极.这样做虽然能提高还原区的温度，使煤气热值提高，但给工艺操作过程带来了许多困难.最大困难是第2个热源不能随还原区移动而移动，同时煤气成本也大幅度提高.
　　试验后期，1号孔和N孔之间通道基本贯通.于是，成功地采用了双火源工艺来提高还原区的温度，以提高煤气热值，稳定地生产空气煤气（表1）.

表1　双火源气化煤气组分及热值
Table 1　Gas compositions and heat value in the double fire source gasification

3　结　　论

　　（1）在含水率较高，无气化通道的煤层中点火，采用盲孔式电点火方法，工艺可行，操作方便，安全、可靠.
　　（2）反向燃烧贯通比正向燃烧贯通形成的通道质量高，但正、反向燃烧互换贯通，可以提高贯通速度，在试验条件下，贯通速度为0.34 m/d,通道有效直径为0.39 m.当煤气中CO, CO₂和CH₄的体积百分比含量之和大于18%时，则进行反向贯通；反之则进行正向贯通.
　　（3）与单火源相比较，双火源将能够提高还原区的温度，加快CO₂还原和H₂O_（g）分解的速率，同时提高气化炉体的温度，增加干馏煤气的产量，从而使煤气热值升高，故双火源气化工艺是行之有效的.
　　（4）地下气化炉煤气热值随煤气流量（即供风量）的增加而提高，并趋近于稳定.■

基金项目：国家自然科学基金资助项目(59906014)
作者简介：杨兰和(1964-)，男，山东禹城人，博士，副教授.1986年毕业于中国矿业大学，1989年于中国矿业大学研究生毕业，获硕士学位；1996年于中国矿业大学获博士学位.现从事环境科学及煤炭地下气化的教学与研究工作，发表“报废矿井煤炭地下气化及其产品气的综合利用”等论文10余篇.
作者单位：杨兰和(中国矿业大学　资源与环境科学学院，江苏　徐州　221008)
　　　　　梁杰(中国矿业大学　资源与环境科学学院，江苏　徐州　221008)
　　　　　余力(中国矿业大学　资源与环境科学学院，江苏　徐州　221008)
　　　　　秦志红(中国矿业大学　资源与环境科学学院，江苏　徐州　221008)

参考文献：

［1］李耀娟，田玉璋，于在平.煤炭地下气化［M］.沈阳：东北工学院出版社，1981.8～92
［2］梁　杰，余　力.反向两阶段煤炭地下气化方法的研究［J］.煤炭学报，1996，21（1）：68～72
［3］邬纫云.煤气化［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1989.13～56