煤炭地下气化:安全、高效、绿色的煤炭开采技术——访中国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中心主任、新奥智能能源集团气化采煤首席科学家梁杰

本刊记者 康淑云 梁子荣

煤炭地下气化:安全、高效、绿色的煤炭开采技术
——访中国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中心主任、新奥智能能源集团气化采煤首席科学家梁杰

本刊记者 康淑云 梁子荣

梁杰,中国矿业大学(北京)教授,博士生导师。现任煤炭工业地下气化工程研究中心主任,兼任国家自然科学基金委基金评审专家、山东省“泰山学者”、宁夏回族自治区人民政府特聘专家、多家企业技术中心技术委员会委员。作为中国煤炭地下气化领域承上启下的关键领军人,到2010年,他已在煤炭地下气化领域整整求索开拓了25年。2009年,他负责的内蒙乌兰察布“无井式煤炭地下气化技术研究”项目已成功通过权威鉴定,正在进行工业化示范。国家能源局相关领导对此项目给予高度评价和肯定。为了让更多的人了解煤炭地下气化技术及其项目进展情况,本刊记者对梁杰教授进行了专访。

1 早期开展的西方煤炭地下气化

煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)就是将埋藏在地下深处的煤炭进行有控制地燃烧,通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺于一体,变传统的物理采煤为化学采煤,由采煤变为采气,因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点,是现代煤炭开采和利用技术的重要补充,深受世界各国的重视。联合国在1979年“世界煤炭远景会议”上明确指出,发展UCG技术是世界煤炭开采的研究方向之一,是从根本上解决传统开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。

煤炭地下气化技术是前苏联伟大的化学家门捷列夫在1888年首次提出的。1940年,前苏联在顿巴斯和莫斯科近郊有两个煤炭地下气化站投入生产,从而成为世界上进行地下气化现场试验最早的国家和工业应用成功的国家。据统计,到1965年,前苏联共利用1500万t煤生产500亿m3低热值煤气,所生产的煤气用于发电或工业锅炉燃烧。

以美国为代表的西方国家在第一次能源危机时期,曾用十几年的时间专注深部煤炭资源的无井式地下气化,取得了丰硕成果。美国在1987-1988年完成的洛基山-1号试验,获得了加大炉型、提高生产能力、降低成本、提高煤气热值等方面的成果,为煤炭地下气化技术走向商业化道路创造了条件。政府资助项目集中于两种工艺类型——控制后退进气点法(CRIP)及急倾斜煤层法(SDB)。私营企业参与了这些项目的研究,并继续参与开发和商业化活动,利用地下煤气化的产品来发电、生产化学品和液体燃料。

英国于1949年恢复中断了30多年的煤炭地下气化试验,曾进行了U型炉火力、电力和定向钻进等贯通试验,还进行了单炉、盲孔炉等试验,积累了丰富的资料。英国在有井式盲孔炉研究上取得了较大的成功,曾用有井式盲孔炉组成的复合炉,一次气化20万t煤,煤气直接用于一个5000 kW的电厂发电。英国计划用地下气化技术开采千米以下的深部煤炭和海下煤炭资源,并与我国煤炭工业地下气化工程研究中心建立了合作交流关系。

2 中国煤炭地下气化技术的进展

2.1 中国发展煤炭地下气化的重要意义

中国是以煤为主要能源的国家,在一次能源中煤占70%以上。煤炭地下气化不仅可以回收老矿井遗弃的煤炭资源,而且可以用于开采井工难以开采的或开采经济性、安全性差的薄煤层、深部煤层和“三下”压煤,以及高硫、高灰、高瓦斯煤层等,大大提高了我国煤炭资源的利用率。煤炭地下气化过程燃烧的灰渣留在地下,大大减少了地表塌陷量,无固体物质排放,因此,煤炭地下气化减少了对地表的环境破坏。地下气化出口煤气可以集中净化,脱除其中的焦油、硫和粉尘等有害物,从而得到洁净的煤气。该煤气不仅可以作为燃料用于民用、发电(包括联合循环发电)、工业锅炉燃烧,而且还可以作为原料气生产合成氨、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等或用于提取纯氢。因此,煤炭地下气化技术将环境保护的重点放在源头,而非末端治理,是一项符合可持续发展需要的环境友好的绿色技术,并且具有显著的经济效益和社会效益。

2.2 中国煤炭地下气化富有成效的实践

我国在20世纪五六十年代学习前苏联,由煤科总院牵头,于1958-1962年先后在大同、皖南、沈北等许多矿区进行过自然条件下煤炭地下气化的试验,取得了一定成就,但文革期间中断了。进入20世纪80年代,我国煤炭回采率还普遍很低,大量煤矿的边角煤和众多遗留煤柱白白遗弃在地下。同时,受全球能源危机影响,我国能源紧缺,煤炭供应严重不足。梁教授介绍说,在这种情形之下,为回收老矿井遗弃的煤炭资源,提高我国煤炭资源的利用率,在中国矿业大学余力教授倡导和带领下,成立了煤炭工业地下气化工程研究中心,重新开始了我国煤炭地下气化技术的研究。余力教授毕业于莫斯科矿业学院,是我国煤炭地下气化技术的开拓者。

1985年,梁杰教授从华中科技大学毕业来到中国矿业大学,加入了余力教授领导的煤炭地下气化科研团队,开启了煤炭地下气化技术研究的征程。凭借其在燃烧学、传热学、热力学、流体力学等方面良好的专业知识,梁杰成为余力教授的得力助手,并在余力教授的指导下,完成了有关地下气化研究的硕士论文、博士论文和博士后出站报告。

煤炭工业地下气化工程研究中心于1987年完成了江苏省“七五”重点攻关项目——徐州马庄矿煤炭地下气化现场试验。试验进行了3个月,产气16万m3,煤气平均热值为4.2 MJ/m3。试验表明,在矿井遗弃煤层中进行地下气化是可行的,安全是有保障的。这次成功的、并很有现实意义的煤炭地下气化的具体实践,让人们重新认识了地下气化,说明井下的燃烧安全完全可以控制。

煤炭工业地下气化工程研究中心于1994年完成了国家“八五”重点科技攻关项目——徐州新河二号井煤炭地下气化半工业性试验。连续气化时间约10个月,先进行空气连续气化试验,鼓风煤气的平均热值为5.02 MJ/m3,煤气供工业锅炉燃烧;又进行了多次两阶段气化试验,其地下水煤气氢含量在40%以上,热值在10.47 MJ/m3左右,生产的地下水煤气送往徐州市煤气公司供居民使用。经科研成果查新表明,余力教授发明的“长通道、大断面、两阶段”地下气化工艺构思新颖,属国内外首创,半工业性试验达到了国际先进水平。

长通道、大断面是针对气化炉结构而言,它是有井式气化炉和无井式气化炉合为一体的混合气化炉形式。进气通道、排气通道、辅助进排气通道可由地面打钻施工,也可以借助于矿井已有的井筒和巷道辅设进、排气管。气化通道、气流通道则利用人工在井下施工,因此一般矿井都可以利用自己的技术和物质条件建设该气化炉,建炉大部分工作为煤巷掘进。由于通道断面大、气流流动阻力小,降低了供风压力和电耗,从而降低了煤气生产成本,且有利于矿井安全。两阶段煤炭地下气化工艺,是一种循环供给空气(或纯氧、富氧空气)和水蒸汽的地下气化方法。每个循环由两个阶段组成,第一阶段为鼓空气(氧气)燃烧蓄热,生产鼓风(鼓氧)煤气的阶段;第二阶段为鼓水蒸汽、生产热解煤气和水煤气的阶段,从而能生产中热值煤气。

20世纪90年代末,煤炭供过于求,各地煤炭企业都在为煤炭找出路,有的企业认为煤炭地下气化也许可以帮上忙。此时梁杰教授及其团队在唐山市的刘庄矿(紧挨开滦集团唐山矿)进行了工业化示范性地下气化的生产,这次持续时间最长,共5年时间连续产气,供给当地的陶瓷厂。最后由于唐山市扩建不得已关闭了。

梁杰教授说,山东新汶矿业集团在20世纪五六十年代进行了煤炭地下气化的尝试,进入90年代末,为了解决矿区居民的用气问题,同时回收边角煤柱,当时的董事长郎庆田很有魄力,决定采用煤炭地下气化技术解决上述问题。自2000年以来,新汶矿业集团先后在孙村、协庄、鄂庄和张庄煤矿建立了4座地下气化站,开展了长通道、大断面、两阶段煤炭地下气化工艺工业示范,气化的全是边角煤和薄煤层。生产的煤气通过矿区局部管网供居民直接使用,或用于内燃机发电、工业窑炉燃烧。完成了国家“863计划”课题——煤炭地下气化稳定控制技术研究和国家高技术产业化项目——煤炭地下气化技术工业性试验的现场试验任务。项目进行期间,梁杰教授好几个月几乎吃住在现场,解决了现场试验过程遇到的一个又一个技术难题,积累了丰富经验,取得了珍贵的第一手资料和数据,形成了许多创新性成果。

据梁杰教授介绍,我国相继在黑龙江伊兰煤矿、河南鹤壁三矿、新密煤田下庄河煤矿进行了矿井式气化方法的试验研究,也取得了可喜的成果。

3 中国煤炭地下气化的创新成果

进入21世纪以来,随着人们对提高资源利用率、保护生态环境意识日渐增强,许多知名学者呼吁加大煤炭地下气化研发的投入和开发力度。面对新形势,中国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中心与河北新奥集团强强联手,开发面向新煤田的无井式煤炭地下气化技术。新奥集团是专门从事新能源开发与利用的新型民营企业,集团主席王玉锁不仅有魄力,做事效率高,还对新技术有很高的判断力,并有着很强的社会责任感。通过和余力教授、梁杰教授的交流,王主席非常认同地下气化技术的先进性,对其产业化前景及其经济、社会效益深信不疑。

2006年10月,新奥集团专门成立了新奥气化采煤有限公司,并与中国矿业大学(北京)签定了战略合作协议,共同开展煤炭地下气化技术的研究与应用,并在内蒙古乌兰察布市选点进行“无井式煤炭地下气化技术”的试验研究。该项目于2007年1月开始实施,4月开始在乌兰察布弓沟煤田进行气化现场试验系统建设,10月24日气化炉点火成功,2009年1月13日通过内蒙古科学技术厅主持的技术鉴定。当时,现场试验已运行400余天,已形成了一批有价值的创新性研究成果,申请了9项专利。鉴定组专家们一致认为,该项目首次在我国建立了无井式煤炭地下气化试验研究和生产系统,为我国开展无井式煤炭地下气化技术研究提供了良好平台;创新地构建了全新结构的地下气化炉型,实现了由“线”气化向“面”气化的过渡,使地下气化炉结构更为先进、合理和可靠;创造性地开发了“气化通道贯通技术”、“气流通道疏通技术”、“无井式地下气化炉点火技术”和“无井式地下气化过程稳定控制技术”等,解决了气化炉构建和运行的核心技术问题;建立了无井式气化过程参数测量与控制系统,实现了气化工艺参数的准确测量、远程传输、数据分析处理等功能;成功地连续、稳定生产出合格的空气煤气和富氧煤气,并用于蒸汽锅炉燃烧和内燃气机发电,在工业应用上取得了较好成果。上述成果在煤炭地下气化技术研究领域取得了历史性的重大突破。

听了梁杰教授的介绍,我们不禁感叹,乌兰察布项目是中国矿业大学(北京)与新奥集团产学研的完美结合,在不到两年时间内取得了如此非凡的业绩。在我们询问中国矿业大学(北京)煤炭工业地下气化工程研究中心自成立以来都取得哪些重要成果时,梁杰教授说,该中心除了进行上述工业性试验外,在国家“863计划”课题和“211”工程项目的支持下,还建成了具有世界先进水平的煤炭地下气化综合试验台和测控系统,可以开展多种相关理论研究、模型试验研究和现场试验研究。在该试验台上,他们已完成褐煤、烟煤及无烟煤地下气化模型试验。研究了煤层倾角、煤层厚度、气化通道长度等对气化过程的影响,同时研究了空气气化、不同富氧浓度气化、富氧—水蒸汽连续气化工艺及正反向供风、推进式供风、分离供风(排气)等气化工艺;完善了长通道、大断面地下气化炉结构形式和结构参数,提出并研究了“变截面流道煤层地下气化炉”和“分离控制注气点煤炭气化炉”。他们还以出口煤气的组分及产量为目标函数,研究了煤层地下气化时温度场发展规律及稳定控制技术,得到了褐煤、烟煤及无烟煤地下气化工艺参数,特别是在富氧—水蒸汽连续气化条件下的汽氧比、吨煤产气率、比消耗量、气化效率、煤层气化率等。在煤炭地下气化过程温度场、浓度场、速度场、气化反应速率、燃空区扩展规律、气化过程稳定性、测控技术及CO2减排技术等方面做了大量的理论研究工作。

4 煤炭地下气化技术的广阔前景

梁杰教授说,当前,加快我国经济转型,加大节能环保力度和发展低碳经济已成为下一阶段我国经济发展的主要任务,这给煤炭地下气化技术带来前所未有的发展机遇。据统计,到2020年我国将有500多处报废矿井,遗弃资源储量目前在300亿t以上,煤炭地下气化技术可以部分回收这些资源。据不完全统计,我国褐煤资源约3700亿t,主要分布在内蒙古和新疆地区;已探明埋深在1000 m以下的煤炭资源 约2.9万亿t,仅宁夏自治区就有3000亿t。沿西气东输管线适合于无井式气化的深部煤炭资源约4776.4亿t,地下气化煤气可用于合成天然气。同时,地下气化是一种相对安全系数较高的采煤方式,实现了煤炭资源的安全开采,对改变我国煤炭企业高事故率的现状有积极的效应,具有很好的社会效益。

因此,梁杰教授认为煤炭地下气化技术具有很好的前景。但他也告诫说,“煤炭地下气化技术绝不是一项简单的技术,更不是一蹴而就的技术,其困难程度非一般采煤技术所能及,它融合了煤炭地下开采与地面气化等多个学科,在实现产业化的过程中还有许多问题要解决。但任何一项伟大的事业都不是一代人就能够完成的,从19世纪的门捷列夫到21世纪的我们,都是抱着这种信念克服各种艰难险阻一直前行的。现在虽然取得了一些阶段性成绩,受到了一些关注,但更应该保持清醒的头脑,继续扎实前行。希望通过《中国煤炭》杂志这个平台,能让更多的人了解煤炭地下气化技术,能有更多有志于投身到煤炭地下气化技术研究的人士加入我们,共同创造新的辉煌。”

采访结束了,但梁杰教授说的话仍在耳边回响。是啊,任何一项伟大的事业都不是一代人就能够完成的,地下气化事业就像实现我们伟大祖国复兴的事业一样,需经历几代人的不懈努力。但只要努力,就会看到希望。我们相信煤炭地下气化技术定会为我国煤炭的安全绿色开采开辟更加广阔的新天地。

(责任编辑 宋潇潇)