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.     

鄂庄烟煤地下气化反应区分布与工艺参数的关联特性

煤炭地下气化反应区分布受进口工艺参数的影响,同时也决定了出口煤气的有效组分和热值。通过鄂庄烟煤富氧地下气化模型试验,获得了6种不同氧气体积分数下反应区温度场和煤气组分,从而研究了氧化区、还原区和干馏干燥区分布状态及其与进出口工艺参数的关联特性。结果表明,在模型试验条件下合理的3区温度范围为:氧化区(1 200℃)、还原区(600~1 200℃)、干馏干燥区(200~600℃);在气化过程中,3区面积分布依次为:氧化区还原区干馏干燥区,当氧气体积分数在29.56%~44.07%时,3区比例(氧化区∶还原区∶干馏干燥区)平均为1∶1.5∶7.5,当氧气体积分数在49.07%~86.21%时,3区比例平均为1∶1.2∶2.8;随着氧气体积分数的增大,氧化区在3区中所占比例先增大后减小,还原区比例持续增大,干馏干燥区比例持续减小,其平均扩展速率分别为:当氧气体积分数增大1%时,氧化区和还原区比例分别增大0.26%和0.19%,干馏干燥区减小0.45%;出口煤气中CO2体积分数与α(氧化区面积/还原区面积)的增减趋势相反,当α=0.96时,CO2体积分数最低,为23.17%,CO随着还原区比例的增大而增大,CH4体积分数随干馏干燥区比例的减小而减小。     

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.      

煤地下气化对地下水的影响及防治措施

概述了煤炭地下气化过程对地下水环境的影响,指出煤炭地下气化生产过程中产生的主要污染物为有机物和无机物两大类:有机物主要包括酚类、杂环类以及多环芳烃,无机污染物主要有钙、钠、钾、镁等无机阳离子以及硫酸盐、碳酸氢盐。提出气化压力控制法和严格的水文地质条件遴选是控制煤炭地下气化环境污染的主要防治措施。     

煤炭地下气化炉型及工艺

为探讨不同煤层条件下地下气化炉结构及气化工艺,在模型试验和现场试验的基础上研究了煤炭地下气化有井式和无井式气化炉结构及其工艺参数,形成了有井式“长通道、大断面、两阶段”气化工艺和无井式渗透式气化方法.试验结果表明:空气气化时可获得热值在4.18 MJ/Nm3以上的煤气;富氧气化时,当富氧体积分数由30％上升到80％时,煤气中有效组分(H2+CO+CH4)体积分数由30％上升到60％;两阶段气化第2阶段可生产H2组分体积分数在40％、热值在11.45 MJ/Nm3以上的煤气.无井式渗透式气化通道贯通参数为:当供风压力0.75 MPa、供风流量600 Nm3/h时,贯通速度为0.34 m/d,通道当量直径0.39m,正向供风气化和反向供风气化能获得相同质量的煤气.     

黏结性烟煤氧化破黏及热贯通特性

为了探索黏结性烟煤在地下气化通道贯通过程中热贯通特性,采用空气预热氧化的方法,研究并获得了温度、流量、时间3个因素对烟煤黏结指数的影响规律,以及低温氧化破黏前后烟煤燃烧贯通特性。实验表明,随着氧化温度的升高、空气流速的增大、破黏时间的延长,烟煤黏结性都显著下降,最适合的破黏温度为140～180 ℃;破黏后煤样燃烧的初始引发温度降低,2 920 min破黏后的煤样与原煤相比,初始引发温度降低了28 ℃;破黏处理后的煤样燃烧扩展速率提高了20%,燃烧贯通时间缩短;因此破黏后有利于黏结性烟煤地下气化通道的形成和扩展。     

煤炭地下气化温度场动态扩展对顶板热应力场及稳定性的影响

为探索煤炭地下气化过程中煤层温度场扩展对顶板应力的热影响,利用相似材料制作大尺度顶板模拟内蒙古乌兰察布褐煤层顶板泥质软岩,对煤层温度场动态扩展条件下,顶板应力场扩展过程及顶板稳定性进行实验研究。结果表明,在模型实验中,顶板热应力的最大值可达1.5 MPa。在氧化区培育阶段和气化阶段,煤层温度场沿通道轴向平均扩展速率分别为0.018,0.028 9 m/h,顶板热应力场沿通道轴向扩展速率分别为0.015和0.027 m/h。氧化区培育阶段煤层温度场扩展主方向与裂隙方向一致,煤层温度场动态扩展与顶板热弥散的双重作用使顶板应力场的扩展速率逐渐趋近于煤层温度场扩展速率。同时,泥岩顶板受高温影响在垂直气化通道方向形成稳定的拱形结构,可维持顶板在垂直气化通道方向的区域稳定。     

鄂庄煤炭地下气化工业性试验研究

介绍了鄂庄煤炭地下气化的“一炉多孔”气化炉结构，及其所进行的各种气化工艺。研究了气化炉在4年运行过程中的煤气组分、煤气热值的变化规律。分析了煤气组分的产生情况以及气化炉的优缺点和改进措施。结果表明“一炉多孔”气化炉具备灵活性，可以实施多种气化工艺改进煤气热值，但具有不稳定性。     

煤炭地下气化安全性分析

煤炭地下气化是在多变的自然环境中进行的，操作复杂，难度较大，因此，必须采取科学的安全措施。针对煤炭地下气化各阶段存在的安全隐患，提出了安全防范措施，并对不同生产时期气化工作面发生爆炸的可能性进行了理论分析。