“双碳”背景下煤炭原位地下热解采油意义研究

马 丽， 段中会， 杨 甫， 付德亮， 王振东

(1.陕西省煤田地质集团有限公司，自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710026；2.西安交通大学电气工程学院，西安 710049)

我国能源结构特征是以化石能源为主、新型可再生能源为辅，近年来清洁可再生能源占比略有提升，但煤、石油和天然气能源占比依然达到84%以上。在化石能源基础储量中，煤占94%、石油占2.5%、天然气占3.5%，煤是我国最为主要的化石能源。近年来我国石油和天然气对外依存度逐年攀升，2020年，原油和天然气对外依存度分别达到70.8%和43%，在国际形势复杂变幻的情况下，国家能源安全主要依赖煤炭作保障，因此煤也被称为国家能源“压仓石”“稳定器”[1-2]。《2050年世界与中国能源展望》数据表明，随着中国经济发展趋于平稳和可持续发展，2025年后工业用能及电煤需求将到达峰值，煤炭的消耗量在能源结构中的比例将逐步下降，2035年和2050年将降至40.5%和30.7%，但是我国煤炭消费量将长期维持较大的基数，煤炭的主体地位短期内不会改变。以煤为主体能源的资源特征，加上煤炭的粗放式燃烧和利用，导致了我国较大的碳排放，我国的碳排放占世界能源碳排放总量的28.8%[3-4]。2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会上庄严承诺“力争于2030年前使二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。在“双碳”目标前提下，在加大风能、太阳能、地热能等清洁能源开发利用的同时，煤的低碳开发与利用势在必行。陕西省煤炭资源量居全国第四、煤炭产量居全国第三，陕西省的煤炭以低—中低变质程度为主，具有挥发分高、燃点低、焦油产率高等特点，笔者秉持煤基油气资源的理念，以陕西省煤炭资源为研究对象，探索煤炭资源原位地下热解采油技术与意义研究，为全国煤炭资源低碳开发利用开拓思路。

1 煤炭原位热解采油的意义

1.1 地面热解的问题

不是所有的煤炭资源都适于原位地下热解采油，本文研究的对象是富油煤。按照《矿产资源工业要求手册(2014年修订版)》中焦油产率分级标准，分为含油煤(Tar,d≤7%)、富油煤(7%12%)[5]。传统的地面富油煤利用技术，首先要将富油煤采掘到地面，在热解炉中对其进行热解制油，该技术已经较为成熟，易于控制热解制油的工艺流程。富油煤热解一般可产生10%～30%的焦油与煤气，70%左右的半焦。然而，传统的地面煤制油技术导致了严重的环境污染和资源利用效率差的问题：①挖掘过程中会消耗掉大量能源与采矿成本；②挖掘过程中造成了大量的地表环境的破坏以及地下水位下降[6-7]；③挖掘后在热解炉中进行热解产生的大量污染物释放到了大气中以及产生大量的废水[8-10]；④热解制油后的残留物质以半焦为主(约占70%)，其需求量远不能满足生产规模增长，长期堆放不进行处理会造成地面环境的污染，甚至有可能发生渗漏污染地下水；⑤热解以粉煤为主，其热解产物的三相分离是技术瓶颈。

1.2 原位地下热解的意义

本文提出的富油煤原位热解技术，是一种环境友好的可持续煤炭资源开采转化利用技术。富油煤原位热解技术，是指将富油煤直接在地下通过外部热载体传递热量进行加热，当温度达到一定程度时，大分子有机物会发生链节的断裂，从而生成小分子的油气组分，所得油气产物通过采集井导出地面进行分离及深加工。其优点在于：①原位热解直接实现了碳地下封存。原位热解过程无需开采煤炭至地面，煤炭经外热加热裂解后将10%～30%的油气采至地面，约70%的半焦残留在地下，这些半焦直接封存在地下，实现了煤炭的低碳开发；②原位热解极大降低了对地层的损害。原位采油相当于提取了煤中10%～30%的烃类资源，地下残留的70%半焦减小了传统煤炭开采造成地下空洞的体积，围岩与半焦再次耦合平衡过程中，围岩的变形损伤小，极大降低了对地质环境的破坏，尤其是地层的塑性变形极大地保护了地下水资源的流失。以10m厚的煤层开采为例，按照厚煤层开采导水裂隙带高度计算公式：

H=20M1/2+10

(1)

式中：M为煤层厚度，m。

直接开采造成的上覆岩层裂隙带高度约73.2m，原拉热解采油造成的上覆岩层裂隙带高度约44.6m，损伤降低39.1%；煤层加热热解过程缓慢，围岩在热作用下形成烧变岩，烧变岩质地坚硬，提高了抗损能力，进一步减小裂隙发育。③地下原位热解采油减少地面固体半焦的堆积，提高了能源利用效率且能够显著降低工艺过程碳排放。④富油煤地下原位热解提油技术属于煤炭地下原位流态化开采技术范畴，是该技术的先行兵；同时原位地下热角的煤以分米-米级块状为主要热解对象，热解产物中焦粒量少易于分离。⑤富油煤原位地下热解，有利于保障国家能源安全。我国富油煤资源丰富，西部地区的储量近5 000亿t，潜在油气组分约500余亿吨[11]，陕西省富油煤储量高达1 520亿t，潜在油气组分150亿t，按照现有煤炭产量38.4亿t的规模，内蕴油气产量约2亿t，可极大缓解我国油气能源压力，对我国能源战略安全意义重大。

2 煤炭原位热解采油实现

2.1 陕西省富油煤资源调查

资源量估算是以《煤炭矿区资源储量核查技术要求》为准则，以2012年全省煤炭矿产资源利用现状调查中储量核查成果为基础，更新近年来地质勘查报告经评审备案的储量估算成果。根据各矿区分煤层焦油产率等值线(焦油产率为7%和12%的等值线)圈定的富(高)油煤范围对原有资源量块段进行切割分区，区块富油煤资源量资源计算方法如下：

Qfn=QSfn/S

(2)

式中：Q为块段煤炭资源储量，103t；Qfn为第n块富油煤的块段资源储量，103t；Sfn为资源量计算块段内富油煤的面积，km2；S为资源量计算块段内含煤面积，km2。各区块富油煤资源量之和即为全省富油煤资源量。计算得到全省预测富油煤资源量为1 550.33亿t[12]，其中92%分布在陕北。

富油煤资源量与其焦油产率的乘积即为内蕴焦油资源量，计算可得全省富油煤中内蕴焦油资源量合计144.52亿t，焦油资源量94.6%分布在陕北。

2.2 富油煤原位地下热解采油技术思路

富油煤原位地下热解采煤不同于地下气化的自热式燃烧加热，加热温度不易控制；也不同于油页岩的物理加热采油；煤炭地下原位热解技术(Underground Coal Thermal Treatment，简称“UCTT”)，是指煤不采出地面，而是在地下通过原位缓慢加热，将煤转变为含气、含液产物和煤焦的合成气流，把煤气、液产物抽采出地面，把大约70%的碳以焦炭的形式留在地下，热解过程中煤的有机质和矿物质发生系列物理和化学变化，地下原位热解采用低温热解(加热温度在500～600℃范围)，煤从近300℃开始热解，生成CO2、CO、H2S、放出热解水及微量焦油；300～450℃时煤激烈分解、解聚，析出大量的焦油和气体，同时生成CH4及其同系物、H2、CO2、CO及不饱和烃；在450℃时析出的焦油量最大[13-14]。

原位地下热解采油原理图见图1。

图1 UCTT技术原理示意图Figure 1 Schematic diagram of UCTT technology

原位地下热解采油实现的技术路线：①通过钻孔施工和地下压裂技术，在地下建造加热炉；②通过地面加热、增压装置，将加热介质加热增压，送到煤层加热炉中；③开始加热煤层实现地下热解；④负压抽出热解的煤气及焦油；⑤通过三相分离技术，使煤气、焦油、焦粒分离，带有热量的煤气进入地下加热解循环系统，实现三相分离，存储焦油和煤气资源；⑥余热和气体可适当进入再循环。

3 结论

1)富油煤原位地下热解采油是基于煤基油气资源的理念，重视煤中挥发分开发利用的新思路，减少煤炭开发环节，有降碳、降损、 降滞及能源保障等多方面的优势，同时有地面建筑少、占地少，降低回填成本等优势。与地下气化技术相比，原位地下热解采油还有温度相对较低(<600℃)、硫排放量低、不需要氧化剂、较好的灵活性和可控性等优点，值得投入更多研究打通该技术的各个环节，推动这一新思路产业化发展。

2)在“双碳”背景下，煤炭原位热解是一个可期的煤炭低碳开发的新思路。但是目前关于煤炭地下原位热解实验研究的科研机构及企业还很少，仅有壳牌石油公司、美国犹他大学、太原理工大学、陕西省煤田地质集团有限公司等。地下原位热解尚缺乏系统研究，尤其是承压条件下煤的热解机理、热动力学、热解提油产物多相分离等技术还有待深入研究，期待更多的研究机构加入研究中来。