煤炭地下气化技术进展

介绍了煤炭地下气化原理及实现过程,建立了煤炭地下气化技术体系,总结了煤炭地下气化技术研究现状,并指出了其发展趋势和应用前景。研究结果表明,空气气化时可获得热值在4.18MJ/Nm~3以上的煤气,该煤气可用于工业锅炉燃烧和发电;富氧气化随着富氧浓度的提高,煤气中有效组分(H_2+CO+CH_4)增加,当氧气浓度达到80%时,煤气中有效组分可达到60%以上,富氧煤气可作为化工合成的原料气;控制注气点后退地下气化工艺是煤炭地下气化产业化的技术方向。     

天津南部煤层富氧-海水地下气化模拟试验研究

为了获取天津南部地区煤层地下气化最佳工艺参数,利用O2-CO2-海(清)水作为气化剂开展了煤炭地下气化模拟试验,研究了不同富氧浓度(40%～纯氧)气化参数的函数变化规律以及海水的催化作用,并根据质量守恒定律对最佳富氧浓度下煤炭地下气化模拟试验数据进行矫正,推算出现场生产出口煤气的参数。试验结果表明:天津南部地区煤层利用海水进行地下气化的最佳富氧浓度为80%,煤气组分H2体积分数为31.38%、CO为34.4%、CH4为5.03%、热值为9.6 MJ/Nm3;富氧浓度低于80%时,生产煤气中有效组分含量及热值与富氧浓度呈正相关;富氧浓度大于80%时,随着富氧浓度增加,有效组分含量及热值均呈缓慢下降趋势;海水气化有助于提高煤气热值和有效组分的含量,与清水气化相比分别提高18.62%和6.88%。     

鄂庄煤矿四煤层地下富氧气化试验

分析了鄂庄煤炭地下气化工程自投产以来产气量低且不稳定的原因.研究了空气连续气化、富氧气化、富氧-水蒸气气化等参数,探索鄂庄煤层地下气化规律,认为可采用脉动两阶段工艺提高煤气热值.当煤层气化最佳气、氧体积比为1.4:1,氧气体积分数为40%时,气化效率较高.在气化过程中,需根据气化工作面、高温温度场的移动及煤气组成的变化,采用辅助孔气化、反向气化等辅助气化工艺,维持气化煤层高温温度场,提高煤层气化效率,保证气化过程连续稳定进行.该结论为2号炉建设及采用富氧-水蒸气连续气化工艺提供理论依据,二期工程在此基础上实现了煤层地下气化的稳定高产.     

和顺无烟煤地下气化模型试验研究

为了获得和顺深部无烟煤地下气化工艺参数,进行了和顺无烟煤地下气化模型试验,研究了煤气有效组分、温度场及顶板应力场的变化规律,结果表明,随着氧气浓度的提高,煤气中有效组分含量、热值、煤气产量与气化剂流量的比、冷煤气效率增加,煤气产率下降;当氧气浓度大于80%时,有效气体含量大于60%,冷煤气效率达到65%以上,80%的氧气浓度是无烟煤地下气化合理的氧气浓度;气化工作面横向和纵向速率扩展速率比为(1.19~1.31)∶1;顶板岩层在通道方向上随气化工作面的推进发生应力集中,应力集中系数为1.2~1.5。     

O2/CO2煤炭地下气化模型试

利用O2/CO2作为气化剂进行煤炭地下气化,不仅能够提高煤气中有效组分的含量和CO/H2比例,而且煤气脱碳后适合用于合成甲醇或液化天然气（LNG）。为考察O2/CO2地下气化的可行性,通过模型试验在模拟煤层中进行不同O2/CO2比的气化试验,考察不同CO2浓度气化下的煤气组分特征、温度场分布、燃空区立体形状以及污染物析出情况。试验表明：CO2体积分数为40%~50%时,煤气中的CO和H2的含量均在25%左右,CO2的含量小于50%。与已有的富氧空气地下气化模型试验结果相比,在气化剂中的CO2能够抑制地下气化过程中CO2的生成,O2/CO2气化下的温度场相对较低,气化过程中煤层的最高温度也只有1 200 ℃,对煤气有效组分的生成比较有利。最终的燃空区3D形状符合一般燃烧扩展规律,试验过程中还监测了硫化氢、氨气和焦油等污染物的析出量。     

基于非稳态渗流传递的煤炭地下气化数值模拟

为了解煤炭地下气化的发展过程及影响因素,以平面二维地下气化区为模拟对象,研究了水平煤层地下气化过程中渗流传热传质与燃烧气化反应耦合过程的特征,建立多孔介质非稳态渗流传递与化学反应相互作用的二维数学模型。研究了煤焦在不同供氧条件下,火焰工作面移动速度、燃烧区与气化区温度场、产物浓度分布规律及瞬态变化趋势。模拟结果表明,煤燃烧气化反应主要发生在沿渗流气化通道的热渗透作用区域,随着气化过程的进行,气化工作面不断向气化区出口方向推移;在摩尔分数为0.15,0.20,0.33供氧量、富氧-水蒸气工艺条件下,火焰工作面的移动速度分别为0.125,0.174,0.274 m/h;氧化区、还原区在二维温度场中存在清晰的热分界线,随时间的推移,其面积比从0.5增大到2.5,最后还原区的范围逐步扩展到出口;提高供气中氧气浓度,热渗透作用区域内的温度相应升高,煤粒燃烧气化反应期缩短,煤气中H2和CO含量增加;模型计算结果与模型实验数据具有较好的一致性。     

鄂庄薄煤层富氧地下气化模型试验

研究了不同富氧浓度下，出口煤气有效组分含量、热值、产气率及热效率的变化规律.试验结果表明：随着氧气浓度的增加，煤气中H₂,CO含量及热值增加，但当O₂浓度大于84%时，煤气中有效气体组分含量及热值上升幅度减小；随着富氧浓度的提高煤气产率下降，气化效率在44.47%～64.91%之间；薄煤层富氧-水蒸汽气化能够连续生产有效气体组分（H₂+CO+CH₄）大于59.56%、热值在8.2 MJ/m3以上的煤气，并能有效地控制气化炉温度，保持煤气组分和热值的稳定.      

贫瘦煤地下气化模型试验研究

为探索煤炭地下气化技术对贫瘦煤的适用性,在地下煤层模型试验平台上研究了贫瘦煤层的气化特性。结果表明:贫瘦煤层在空气气化下的煤气热值能达到3 404 MJ/m3,优于地下褐煤空气气化所生成煤气的热值;贫瘦煤层在富氧水蒸气气化下,煤气的有效组分和热值随气化剂中氧浓度的增加而增加,氧气体积分数在40%~50%时产生的煤气比较适合用于燃气发电;污染物分析说明煤气冷凝水中部分污染物含量超标。通过对燃空区三维形状及模拟煤层顶板的分析,发现燃空区沿气化通道稳步推进,横向扩展宽度自点火点处的0.86 m缩小至终点的0.43 m;模拟煤层的表土下沉量约占总厚度的6.5%,下沉面积约占煤层总表面积的6.1%左右。     

富氧地下气化灰渣中有害微量元素的浸出行为

富氧气化是煤炭地下气化生产高品质合成气的重要工艺方法。煤炭地下气化作为一种煤炭原位化学开采方法,主要提取煤中的含能组分,而将气化灰渣等污染物留在地下,煤中有害微量元素随地下气化过程的进行,富集在煤气、飞灰及灰渣中,气化后地下气化灰渣经过地下水长期浸出作用,其中有害微量元素可能进入到地下水体中,造成地下水污染风险。研究煤炭地下气化灰渣的浸出特性对于理解灰渣中有害微量元素的迁移行为以及保护地下水具有重要的意义。以乌兰察布褐煤为研究对象,通过不同体积分数的富氧地下气化模拟实验制备了富氧气化灰渣,采用XRD鉴定了灰渣中的特征矿物质,利用SEM-EDS表征了灰渣的形貌。采用ICP-MS和全自动测汞仪(DMA 80)测定了不同富氧气化灰渣中有害微量元素Hg,As,Se,Cd,Pb,Ni,Be,Cr,Cu,Zn,Ba,Ag的质量分数以及在不同pH浸出液中的浸出质量浓度。研究结果表明,Hg在气化灰渣中的富集系数极低,地下气化过程中主要迁移到气相中,而Pb,Be,As和Se经历了富氧地下气化后在灰渣中发生了明显的富集。不同体积分数的富氧气化灰渣中有害微量元素的浸出水平均低于我国颁布的关于固体废弃物毒性浸...     

煤炭地下气化污染物生成特性模型试验研究

为获得煤炭地下气化污染物析出规律与气化工作面温度的关系,给现场工艺操作提供理论依据,利用煤炭地下气化模型试验平台,研究了涌水量10 L/h、氧体积分数35%条件下污染物析出规律与气化工作面温度、煤气热值等参数之间的关系。研究结果表明:随着气化工作面温度的升高,氨氮的析出量、电导率以及煤气冷凝水的pH值均增大,COD析出量降低;煤气热值的变化与炉内温度场变化一致,最终建立了气化工作面温度带分布与污染物析出量之间的定量关系。     

煤在高浓度CO2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析（TG-DTA）探讨了大同煤样在20～1 400 ℃,在不同O2浓度（≤5%）的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200 ℃条件下煤对二氧化碳（CO2）气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1 100 ℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1 100～1 300 ℃。常压下当环境温度低于200 ℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1 000 ℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1 000 ℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。     

超细煤粉着火特性的热重分析

采用热重法,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性和燃烧特性的影响.实验结果表明,减小煤粉粒度,增大氧气浓度有利于降低煤粉着火温度,增大煤粉的燃烧速率,提高超细煤粉燃烧性能.升温速率对煤粉的燃烧特性也有影响,随着升温速率的提高超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高.     

细煤粉燃烧特性的热分析研究

 采用热天平研究了细化鹤岗煤样的燃烧特性,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对细化煤粉燃烧特性的影响。结果表明：在氧气充足,较慢的升温速率,粒度低于60μm的条件下,小粒度煤粉的燃尽性能优于大粒度煤粉,并且粒度的增加可使细煤粉的综合燃烧特性变差;升温速率的提高可使细煤粉的最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高,有利于改善细煤粉的燃尽性能和综合燃烧特性;氧气浓度低于20％时,氧气浓度的增大可以改善细煤粉的燃尽特性和综合燃烧特性。     

水浸煤二次氧化自燃危险性实验研究

为研究水浸煤二次氧化升温和降温全过程的自燃危险性,采用程序升温实验方法对原煤、水浸煤初次及二次氧化升温和降温的自燃特性参数进行对比研究,并利用表观活化能计算模型,在直角坐标系中通过线性拟合的方法计算不同温度阶段的表观活化能。实验结果表明：在升温过程干裂温度之后和降温全过程中,煤样的耗氧速率、自燃特征气体的产生率和极限放热强度均符合水浸煤高于对应原煤、二次氧化高于对应初次氧化的规律;表观活化能方面,水浸煤低于对应原煤、二次氧化低于对应初次氧化。因此水浸煤的自燃危险性更大。     

氧气体积分数与升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响

采用热重实验研究氧气体积分数和升温速率对弱黏煤燃烧特性的影响,通过分析TG/DTG曲线得出样品的特征温度和反应速率,基于样品的特征温度和反应速率计算得到样品的燃烧特性参数。研究结果表明,改变氧气体积分数和升温速率对煤的着火温度影响不大,主要对煤的燃烧阶段产生影响。提高升温速率会延长煤的氧化反应历程,使煤各特征温度升高,并且增大煤的氧化反应速率;提高氧气体积分数会缩短煤的氧化反应历程,使煤各特征温度降低,并增大煤的氧化反应速率。在煤的氧化过程中,改变氧气体积分数和升温速率都能对煤的特征温度和燃烧特性参数造成影响,但氧气体积分数对他们的影响要大于升温速率造成的影响。     

煤矸石绝热氧化的失重阶段及特征温度点分析

为研究煤矸石绝热氧化过程的具体失重阶段和失重特征温度点,采用综合热分析仪研究了不同工况下氧气浓度和升温速率对煤矸石绝热氧化进程的影响。实验结果表明:煤矸石在不同工况下的绝热氧化失重过程可划分为4个阶段,即外在水分失水失重阶段、内在水分失水失重阶段、挥发分燃烧失重阶段和固定碳燃烧失重阶段。在同一氧气浓度（20%）下,随着升温速率的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向高温区偏移,4个阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随升温速率的增大而线性增大,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的最大燃烧速率呈增大趋势,但各个阶段的质量变化基本相同。在同一升温速率（10.0 ℃/min）情况下,随着氧气浓度的提高,煤矸石绝热氧化的TG曲线向低温区偏移,外在水分和内在水分失水失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）和失重质量基本不受氧气浓度增大的影响,挥发分和固定碳燃烧失重阶段的特征温度点（起点、中点、拐点和终点）随氧气浓度的增大而降低。     

CO_2/H_2O气化反应作用下煤恒温富氧燃烧特性

利用自制恒温热分析系统研究了不同气氛中(O_2/N2,O_2/CO_2和O_2/H2O_/CO_2)煤粉在温度(800~1 200℃)和氧气体积分数(2%~21%)范围内的燃烧行为,主要关注CO_2/H2O_气化反应作用下的燃烧特性。结果表明:在800℃时,大同烟煤在O_2/N_2中相对O_2/CO_2较快的燃烧速率主要源于N_2和CO_2物性的差异。温度升高到1 000℃进而到1 200℃,CO_2气化反应影响增强,大同煤在O_2/CO_2中整体反应速率逐步接近并超过O_2/N_2中的燃烧速率。但是当氧气体积分数超过10%后,气化反应影响减弱,大同煤在O_2/CO_2中的反应速率又逐渐落后于O_2/N_2中。因为H_2O比热和氧扩散能力介于N_2和CO_2之间,在气化反应作用之前,大同煤在O_2/CO_2/H_2O中的燃烧速率低于O_2/N_2而高于O_2/CO_2。在2%氧气体积分数下,温度的升高强化了CO_2/H_2O协同气化的影响,使得大同煤在O_2/H_2O/CO_2中的整体反应速率始终要高于O_2/CO_2中;但是氧气体积分数增加到10%后,协同气化作用减弱,导致大同煤在3种气氛中的反应过程较为接近。与大同烟煤相比,阳泉无烟煤在气化反应作用下的整体反应速率增幅更加明显,说明气化对高阶煤反应过程改善可能更为显著。     

CO2气化反应对O2/CO2气氛中煤焦燃烧特性影响

为探讨CO2气化反应在低氧气体积分数下对煤焦燃烧及燃烬过程的影响,利用热天平对比研究了大同煤焦在O2/N2/和O2/CO2气氛中的燃烧行为,主要探讨CO2气化反应对煤焦富氧燃烧特性的影响。实验结果表明,在5%氧气体积分数下,煤焦在O2/CO2气氛下的燃烧速率要低于O2/N2气氛下。当氧气体积分数降低到2%,且温度高于900 ℃时,在CO2气化反应的作用下,煤焦在O2/CO2气氛中的整体反应速率逐渐高于O2/N2气氛中的燃烧速率,使得燃烬提前。随着环境温度的升高,煤焦在O2/CO2和O2/N2气氛下的反应速率均有所增加,但在O2/CO2中增幅更显著。动力学分析显示,在5%氧气体积分数时,大同煤焦在O2/N2中的活化能要低于O2/CO2中。当氧体积分数减少到2%时,由于高温下煤焦的燃烧和气化反应同时进行,较高的气化反应活化能使得煤焦在O2/CO2中的整体反应活化能有明显增加。     

CO_2对煤升温氧化燃烧特性的影响

为了掌握CO2气体防治煤自燃的特性,采用TG-DSC联用分析系统测定煤样在不同CO2体积分数、不同升温速率时反应引起的质量、能量变化,研究CO2对煤升温氧化燃烧过程的影响。通过分析煤升温氧化燃烧过程的TG-DSC曲线,确定了煤氧化燃烧过程的特征温度变化规律,实验表明:煤样变质程度越高,TG曲线越向温度高的方向移动;特征温度T1,T2,T3在不同CO2/空气混合条件下失重曲线差异较小,在失重温度T4时,CO2体积分数越大,其TG,DTG曲线差异越大,着火温度、质量变化速率最大温度点及燃烬温度点延后。CO2体积分数影响了煤样放热强度,CO2体积分数越低,DSC曲线越陡,放热强度越高;CO2体积分数越高,曲线平缓,放热量小,燃烧点放热峰向高温区移动,反应得到了抑制。通过动力学分析计算得出:煤样在空气氛围下的活化能和频率因子均大于在通入CO2气体后,随着CO2体积分数的升高,表观活化能和指前因子减小速度加快,但反应速率常数也减小,表明CO2抑制了煤的氧化燃烧。