煤炭地下气化中的地质问题

煤炭地下气化是弥补我国天然气供需缺口的多元化途径之一。然而,该项技术历经80余年现场试验目前仍未产业化应用。煤炭地下气化炉的载体为地质体,煤矿床地质禀赋约束了特定地下气化项目的可行性,推进这一过程必须跨越地质风险瓶颈。立足于这一战略需求和基本认识,简要回顾历史并提出问题,从资源禀赋、选址评价、环境安全3个方面评述了国内外关于煤炭地下气化地质因素的认识与进展,提出了推进煤炭地下气化产业化的地质工作建议。分析认为,煤炭地下气化地质工作贯穿于规划布局、炉址选择、气化生产、燃后处理整个过程,系统性地质工作尚不到位是煤炭地下气化长期未能实现产业化的重要原因,需要从战略高度上充分理解我国煤炭资源禀赋对当前地下气化技术的适应性,国外严格的选址"标准"启示我们加大对难采、劣质、零散煤炭资源原位规模性气化技术研究探索的力度,高温因素与静态地质体叠加所潜在环境地质安全问题需要正视并积极应对。基于上述地质思考,建议对煤炭地下气化技术应持谨慎的乐观态度,不宜保守,更不宜盲目,鼓励选择适宜地质条件开展工业性试验探索。将煤炭地下气化作为一项保障国家长远能源安全的战略措施,围绕煤炭地下气化资源评价选区与战略规划、气化炉勘查与选址评价技术、高安全广适性地下气化工艺技术、生产地质动态监测预警技术、地下气化地质保障系列规范5个方面,推进并组织论证和实施"煤炭地下气化地质风险评价与预测关键技术"计划。其中,煤炭地下气化资源评价选区与战略规划是打破目前"难以产业化"僵局的基础,需要立足于我国煤炭资源特性及赋存条件实际,总结国内外地下气化工业性试验经验,建立全国统一的煤炭地下气化资源评价技术准则,评价全国或大区煤炭资源对当前地下气化技术的适应性程度。然后,提出可供分步实施的典型地质条件国家级先导性试验区建议。     

煤炭地下气化地质选址原则与案例评价

21世纪以来,煤炭地下气化技术水平快速发展,以煤层水平井和移动注气技术应用为基础的现代煤炭地下气化技术日益成熟,具备了产业化示范的技术基础。煤炭地下气化的技术流程包括气化炉选址、气化炉建炉、气化炉点火、气化过程测量与控制、地下水污染防治与控制、气化炉闭炉,而地质选址是煤炭地下气化项目规划、规模化稳定生产及地下水污染防治的保障条件和先决条件。首先概述了煤炭地下气化的3种主要技术路线。依据现代煤炭地下气化技术路线,提出了地质选址评价的基本原则。地质选址需从煤炭储量、煤层条件、地质构造、水文地质条件、顶底岩层稳定性、煤种、煤质等多个角度,围绕气化炉建设、稳定气化和环境影响进行全面评价。在此基础上,以内蒙古哈日高毕矿区为例,进行了煤炭地下气化地质选址案例分析。基于三维地震解释成果和波阻抗反演数据体,研究了目的煤层的空间展布及断层发育特征。通过对拟声波反演结果进行分析,获得了目的煤层顶底板岩性的分布特征。基于地震属性和视电阻率测井曲线,采用多属性神经网络反演对目的煤层及顶底板的富水性进行了研究。基于蚂蚁体属性技术对目标层段的裂隙发育特征进行了分析。最后,从煤层展布及构造特征、岩性分布特征、富水情况、裂隙发育规律方面对案例研究区进行了地质选址综合评价,以此作为科学选址的决策依据。     

大城勘查区煤炭地下气化地质条件评价

在煤炭地下气化的开发中,针对整个煤田某一煤层具体位置的选择非常重要。通过对大城勘查区地质数据的评估,来判断该区煤层地下气化开采的地质可行性。主要从地质条件、煤层赋存情况、煤质情况、水文情况4个方面考虑。地质条件主要与实施气化采煤是否有风险相关;煤层赋存情况与炉区布置及炉型相关;煤质与气化工艺相关;水文情况与气化过程对环境的影响相关。通过研究各相关因素对煤炭地下气化各环节的影响程度,对气化作用进行评价,确定各相关因素对煤炭地下气化可行性的权重,最终得出评价依据,对大城勘查区煤层地下气化开采的地质条件的可行性进行量化评价,其结果作为该区地下气化的基础依据。     

煤炭地下气化现场试验进展与启示

为进一步了解煤炭地下气化商业化面临的关键科学问题,基于对国内外典型煤炭地下气化试验的分析,总结归纳了典型煤炭地下气化试验的区域煤层特征、气化工艺、粗煤气组分及热值等要素.结果表明,气化选址需要综合考虑降低环境风险、较好的地质条件和煤炭品位、较好的地质力学-水文地质条件等因素;钻井式煤炭地下气化已成为主流;中深层富氧气化...     

煤炭地下气化技术

介绍了煤炭地下气化的基本原理、应用地质条件、国内外发展概况以及与传统的井工开采煤炭相比的优越性。分析了实施煤炭地下气化所需解决的地下气化炉结构和气化工艺参数的选择、高温条件下煤和岩石物理化学性质的测试、物探测试和监控、大口径定向钻进等关键技术问题 ,提出了我国发展煤炭地下气化技术的对策。     

内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田煤炭地下气化可行性分析

煤炭地下气化技术是集建井、开采、气化三大工艺为一体的前沿技术,对于提高煤炭资源利用率、降低开采成本等具有先天优势。内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田是国家煤制天然气项目配套煤炭资源开采区,通过对地质资源条件、技术成熟度、经济效益等方面的可行性分析,表明老三沟井田运用煤炭地下气化技术是可行的。依据可行性分析结论,提出老三沟井田开展煤炭地下气化示范实验项目初步设想方案,方案涉及实验区优选、工艺技术选择、产品方向及融资渠道分析等方面,为老三沟井田后期规模化煤炭地下气化开发生产提供了有益参考。     

浅论内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田煤炭地下气化可行性

煤炭地下气化技术是集建井、开采、气化三大工艺为一体的前沿技术,对于提高煤炭资源利用率,降低开采成本等具有先天优势。内蒙古自治区准格尔煤田老三沟井田是国家煤制天然气项目配套煤炭资源开采区,通过从地质资源条件、技术成熟度、经济效益等方面的可行性分析,结果表明老三沟井田运用煤炭地下气化技术是可行的。依据可行性分析结论,提出老三沟井田开展煤炭地下气化示范实验项目初步设想方案,方案涉及实验区优选、工艺技术选择、产品方向及融资渠道分析等方面,为老三沟井田后期规模化煤炭地下气化开发生产提供了有益参考。     

不同体积分数氧气气化剂下煤炭地下气化过程■分析

开展煤炭地下气化过程中能量转化环节效率优化,有利于提高煤炭地下气化系统实际生产效率和经济性。利用煤炭地下气化模型试验系统,进行了不同气化剂氧气体积分数条件下的地下气化模型试验,并结合热力学第1定律和热力学第2定律建立了煤炭地下气化系统■评价模型。结合实际试验数据和物料平衡、热量平衡、■平衡等理论模型,分析了不同氧气体积分数的气化剂对煤炭地下气化系统■效率及不可逆■损的影响。结果表明,煤炭地下气化系统是具有较高有效能量转化效率的系统;气化剂氧气体积分数是影响煤炭地下气化系统■效率的主要因素之一。在气化剂氧气浓度为40%,60%和80%条件下,煤炭地下气化炉的综合■效率分别为67.47%,73%和78.52%,外供■效率分别为47.36%,61.00%和57.73%,不可逆■损分别为32.53%,27.00%和21.48%。提高氧气体积分数可以显著提高系统的■效率并降低不可逆■损失;在利用纯氧作为气化剂时,地下气化系统■效率可达到84.72%,外供■效率可达68.86%,不可逆■损可低至15.28%。对比地面气化系统,煤炭地下气化系统的有效能转换率大于高炉系统和发生炉系统、低于焦炉煤气的生...     

天津地区煤炭地下气化过程中典型污染物富集特征研究

在煤炭地下气化模型试验的基础上,研究了天津市静海地区煤炭在地下气化过程中多环芳烃和Pb、Zn、Cd、As等有代表性的有机物和微量元素的富集特征,探讨了其反应机理,并制定相应的防治对策。试验表明:多环芳烃主要分布于地下燃空区与地面煤气冷凝水中,不同工况多环芳烃的含量不同,空气气化>2个进气列并列气化>富氧气化>闭炉停气>背景值;微量元素Pb和Zn有向还原区灰渣富集的特性,而Cd和As则向干馏干燥区灰渣富集的较多。     

可调倾可加载煤炭地下气化实验台设计

研制了一种可调倾可加载煤炭地下气化实验台。该实验装置可任意调整气化炉的倾角,并可对炉体内煤岩体施加载荷,从而可以模拟不同煤层倾角、厚度和围岩应力的条件,使试验装置具备模拟特定地质条件下煤层地下气化的功能。     

浅谈内蒙古自治区伊和达布斯矿区煤炭地下气化

煤炭地下气化技术是煤炭开采方式变革的前沿技术,在提高煤炭资源利用率、降低开采成本、安全环保等方面具有较大优势。本文从地质角度出发,对阿拉达布斯煤田伊和达不斯矿区应用煤炭地下气化技术的适宜性、存在的局限性及在未来开发生产过程中气化产品利用方式的选择进行了探讨。认为伊和达不斯矿区从地质角度分析采用地下气化技术开采是适宜的,虽存在一定的局限性,但只要选择合适的煤炭地下气化技术和最优的气化产品利用方式,此项技术在本矿区的采用有可能获得较好的经济效益。     

关闭煤矿煤炭地下气化地质条件评价体系构建与实践

为厘清影响关闭煤矿煤炭地下气化的地质因素，以河北省典型关闭煤矿为例，构建科学、系统的地质指标评价体系，针对煤炭地下气化规划到生产的几个阶段，对设立的4个地质一级指标、22个地质二级指标进行了系统分析和量化，建立了地质条件评价体系。采用层次分析和模糊综合评价法，建立了评价指标重要程度矩阵，确定了指标权重，并结合剩余资源量过少、煤层构造极其复杂、涌水量过大等实际情况，对评价结果进行一票否决，最终形成了一套科学、系统的地质指标评价体系。该评价体系在河北省典型关闭煤矿中的应用表明：林南仓煤矿8-1、11、12、14煤层，宣东二井Ⅲ₃、Ⅴ₂煤层，北阳庄矿5煤层，崔家寨矿1、5、6煤层以及显德汪矿1、9煤层比较适宜煤炭地下气化。     

内蒙古自治区伊和达布斯矿区煤炭地下气化探讨

煤炭地下气化技术是煤炭开采方式变革的前沿技术,在提高煤炭资源利用率、降低开采成本、安全环保等方面具有较大优势。本文从地质角度出发,对阿拉达布斯煤田伊和达布斯矿区应用煤炭地下气化技术的适宜性、存在的局限性及在未来开发生产过程中气化产品利用方式的选择进行了探讨。认为伊和达布斯矿区从地质角度分析采用地下气化技术开采是适宜的,虽存在一定的局限性,但只要选择合适的煤炭地下气化技术和最优的气化产品利用方式,此项技术在本矿区的采用会获得较好的经济效益。     

阜新煤炭地下气化试验

文章介绍了在阜新矿区王营子煤矿进行的小规模煤炭地下气化实验情况 ,王营矿由于井深、压力大、地质条件复杂、自然灾害严重、吨煤成本高等因素 ,造成煤炭开采亏损严重。通过阜新煤田长焰煤地下气化工业型试验 ,为煤炭地下气化提供了实验数据 ,为其规模工业化提供了基础 ,加速了其商业化进程。     

煤炭地下气化影响因素及评价方法研究进展

煤炭地下气化是保障我国能源安全和煤炭清洁利用的重要潜在方向之一。分析国内外相关成果,对煤炭地下气化原理、影响因素及评价方法进行述评。适宜于地下气化的煤层需要满足的地质条件：厚度大于2 m,倾角小于70°,阻水隔热的顶底板;避开地质构造和水文地质条件复杂的区域。地下气化煤气组分受煤阶、煤质和煤层含水性等地质因素以及气化压力、温度和气化剂类型等工艺因素共同影响。空气气化条件下,随着煤化程度增强,煤气组分中CO含量升高,H₂含量降低,CH₄含量先升高后降低。煤气热值及煤气中CH₄含量随着固定碳含量增加呈现先降低后升高的趋势,随着灰分产率增加呈现先升高后降低的趋势。煤气中CO₂含量与固定碳含量、灰分产率均表现出负相关关系。气化温度和气化剂类型既影响着产气效率、煤气质量及污染物种类与含量,又可使围岩破裂、污染地下水,乃至破坏生物圈、大气圈、水圈和岩石圈生态系统的稳定。     

煤炭地下气化模型试验研究现状与发展

为探索模型试验在煤炭地下气化研究中的作用,阐述了煤炭地下气化模型试验气化炉的结构特征、燃空区扩展规律及气化工艺.研究结果表明,模型气化炉虽不能完全模拟地下煤层赋存条件,但可在煤层和岩层中设置温度、压力、组分和应力等测点,获得现场难以测得的温度场、压力场、浓度场和应力场等物理场;可对不同赋存条件下煤层的燃空区扩展形状及规律展开直观研究;气化工艺模型试验不仅可获得与现场试验相同的工艺参数,也可开展煤炭地下气化过程中污染物析出与迁移规律的研究,并用于现场生产.最后,提出了模型试验的发展方向.     

宁夏深部煤层地下气化地质条件适应性分析

从煤层赋存的构造条件、煤的发热量、水文地质条件、煤层厚度及其稳定性等方面,对宁夏陶乐地区、盐池地区、草庙地区的深部煤层地下气化可行性进行了分析,认为:陶乐北段约50km2的范围内,煤层连续性好、构造简单,煤层属中高热值煤,类种为气煤,有利于深部煤层地下气化的进行,但由于工作程度较低,未对水文地质条件、工程地质条件等进行分析,其深部煤层地下气化可行性尚待进一步研究.     

无井式煤炭地下气化岩层及地表移动与控制

煤炭地下气化是我国先进能源领域重要的研究方向之一,也是我国煤炭资源"流态化"开采技术体系的重要组成部分。目前已完成的煤炭地下气化工业性实验由于实验规模较小没有引起显著的裂隙发育和明显的地表沉降发生。但随着煤炭地下气化实验规模的扩大及推广应用,如何面向不同地质条件进行地下气化生产设计控制裂隙发育及地表沉降是目前亟待解决的瓶颈问题,极大的限制了煤炭地下气化的选址及规模化生产。为了解决这个难题,利用数值模拟方法研究了无井式煤炭地下气化岩层与地表移动规律以及导水裂隙发育高度与气化炉参数的关系,同时利用理论方法提出了"双曲线"型焦化隔离煤柱稳定性评价方法。研究得出:①无井式煤炭地下气化岩层和地表移动曲线与常规条带开采岩层和地表移动曲线形态相似,可参考条带开采地表沉陷预测方法进行无井式煤炭地下气化岩层和地表沉陷计算,但预测参数需修正;②"双曲线"型煤柱评价可分为弯曲和矩形两部分进行,并在此基础上建立了"双曲线"型煤柱稳定性评价方法,可为不同地质条件下地下气化生产设计提供技术支撑;③无井式煤炭地下气化引起的导水裂隙发育高度与气化炉参数直接相关。当气化炉高度一定且隔离煤柱稳定时,气化炉宽度与导水裂隙发育高度呈线性正相关;当气化炉宽度和隔离煤柱宽度一定时,气化炉高度与导水裂隙发育高度也呈线性正相关,故在覆岩含水层下进行地下气化生产时,要兼顾导水裂隙与气化炉参数的关系。     

煤炭地下气化过程数值模拟研究进展

论述了煤炭地下气化过程数值模拟研究的进展及现状,分析了不同物理模型的形式、数学模型的特点及存在的不足,同时对其应用条件与假设进行了对比。最后展望了煤炭地下气化模型今后的研究方向。     

地下气化场地地基稳定性评价及燃空区封存超临界二氧化碳初探

为促进燃空区及其场地高效再利用,结合煤炭地下气化工艺特点及燃空区特征建立了气化隔离煤柱稳定性评价模型、覆岩裂隙发育高度计算模型及地表残余变形预测模型,进而提出了燃空区场地稳定性评价方法,为燃空区场地的再利用提供了技术支撑。同时,针对燃空区治理难题,结合CO₂地质封存面临的瓶颈提出了煤炭地下气化耦合超临界CO₂封存的思路,分析了气化炉参数对燃空区封存超临界CO₂后盖层裂隙发育规律的影响,并建立了燃空区封存超临界CO₂过程中隔离煤柱稳定性评价方法,为面向煤炭地下气化耦合CO₂封存的生产设计提供了科学依据。最后,提出了煤炭地下气化耦合CO₂封存目前存在的主要问题,并强调了迫切需要开展的相关研究工作。研究成果对促进燃空区及其场地再利用具有一定的理论和实践指导意义。