地下氣化——煤化工的美好愿景

 

    中國電石網訊：氣化技術是煤化工的核心技術，主要分為地面氣化和地下氣化兩種。近兩年，國內氣化技術發(fā)展如火如荼，但主要還是集中于地面氣化方式。但記者最近在調研采訪時發(fā)現一個新動向——新疆、陜西、山西、內蒙古等地不少企業(yè)有利用地下氣化技術發(fā)展煤化工項目的規(guī)劃或打算。

    一個令人鼓舞的前景。

    驚嘆 ：我地下氣化技術首屈一指

    什么是地下氣化技術？據中國礦業(yè)大學教授余力介紹，通俗地說，就是把埋藏于地下的煤炭在原地進行有控制的燃燒與氣化，把有用的氣體輸送到地面加以利用，將污染物如煤矸石、二氧化碳等廢物留在地下。煤炭地下氣化的方式分為有井式（主要是利用廢棄礦井的固有巷道）、無井式（直接鉆孔到煤層，再控制煤層燃燒）和混合式3種，相應的爐型也分為U形爐、山形爐、復合爐等。

    據記者了解，地下氣化在國外已有多年的歷史。早在1888年，俄國著名化學家門捷列夫就曾設想，隨著時間的推移，以后可能會實現這樣的煤炭開采方式：煤不必從地下開采出來，而是在井下直接提取有益元素，轉化為氣體，再用管道輸送到遠方，將一切有害物質都殘留在井下。將門捷列夫的偉大創(chuàng)見首次化為現實的是英國著名化學家威廉·拉姆塞。他于1908年在都賀煤田進行地下氣化實驗獲得成功，并用其發(fā)了電。1933年，蘇聯(lián)開始進行煤炭地下氣化技術試驗。100多年來，美國、比利時、德國、澳大利亞以及歐盟6國都一直被煤炭地下氣化的誘人前景所吸引，投入了大量的人力、物力進行研究。

    煤炭地下氣化在我國的試驗始于1958年。當時，研究人員以空氣為氣化劑，在山西大同胡家灣等地獲得了熱值為每立方米833～1322千卡的地下煤氣。1990年，煤炭地下氣化半工業(yè)性試驗被列入國家“八五”科技攻關項目。1990年底，著名科學家錢學森在《人民日報》上發(fā)表文章指出：“蘇聯(lián)在50年代做了很多煤炭地下氣化的工作。我們要研究這個技術。這個技術一旦做了，就會使我們整個生產技術大為改觀。”1992年，原國家科委頒布我國科學技術中長期發(fā)展綱要白皮書，其中明確規(guī)劃：到2020年的戰(zhàn)略目標和關鍵技術是完成煤炭地下氣化試驗研究并建立商業(yè)性煤炭地下氣化站。今年7月，國家發(fā)改委、科技部、工信部等6部委聯(lián)合發(fā)布的《中國資源綜合利用技術政策大綱》也明確提出，“十二五” 期間，國家將推進煤炭地下氣化技術的產業(yè)化。

    數10年來，在有關部門的大力支持下，我國工作人員在徐州、唐山、新汶等10多個礦區(qū)進行了煤炭地下氣化試驗。地下氣化技術研究及項目建設也被列入了國家“十五”及“十一五”規(guī)劃。目前，我國已初步實現了地下氣化從試驗到應用的突破。煤炭地下氣化爐已在我國不同煤層地質條件下完成了工業(yè)性試驗及初步的商業(yè)化推廣應用，所生產的低熱值、中熱值的煤氣以及水煤氣已服務于民用、工業(yè)鍋爐及內燃機組發(fā)電。

    中國礦業(yè)大學（徐州）煤炭地下氣化研究所所長王作棠教授表示，20多年來，我國在有井式和無井式煤炭地下氣化技術方面都進行了卓有成效的工業(yè)性試驗，在基礎理論、工程設計、儀器裝備方面都進行了深入而系統(tǒng)的研制開發(fā)，我國地下氣化試驗基地建設的規(guī)模范圍，以及適應煤種和地質條件等方面在世界上都是首屈一指的。

    可惜：用于煤化工過不了穩(wěn)定關

    那么，地下氣化技術能否應用于煤化工領域呢？

    為了獲得一手資料，記者最近來到了山東新汶礦業(yè)集團進行調研。據了解，目前新汶礦業(yè)集團有孫莊、協(xié)莊、鄂莊3個地下氣化站，有6座地下“氣化爐”，日產氣量達到20萬立方米，形成了全國最大的煤炭地下氣化工業(yè)生產基地。在鄂莊煤礦煤炭地下氣化站，記者在地面上看到的只有捕焦塔、脫硫塔、儲氣柜、富氧裝置等。平靜的院落看起來同其他地方也沒有什么不同，但地底下卻另有乾坤——地表下300米處的煤層正燃燒著熊熊大火，煤炭如同在地面上的氣化爐里一樣，正通過氧化、還原反應轉化為煤氣。該氣化站站長李強向記者介紹，鄂莊煤礦煤炭地下氣化工程是新汶礦業(yè)集團“十一五”期間的重點攻關項目，1號“氣化爐”于2002年2月28日建成點火投產，2號“氣化爐”于2006年2月26日建成點火投產。目前，氣化站兩座“氣化爐”每天平均產氣量為5萬立方米。

    那么，他們產出的合成氣能否作為煤化工的原料氣？“由于目前裝置產氣量波動大、不穩(wěn)定，作為煤化工原料氣暫時可能不理想。”李強這樣告訴記者。據他介紹，地下氣化過程分為兩個階段，第一個階段是鼓入氧氣燃燒積蓄熱量階段，第二個階段是造氣。這兩個階段都是高溫高熱反應，而地下氣化的煤都是實體煤，氧氣只在氣化通道一面與煤接觸，接觸的面積小，積蓄的熱量達不到反應熱值，反應也不充分，以至于產氣量波動大、不穩(wěn)定。“這不像地面氣化，煤都是粉碎的，氧與煤的接觸面積也大，反應充分，產氣量大。受制于地下條件、煤層厚度、煤質，單爐提高氣量很難。” 李強說。

    記者通過采訪多位業(yè)內專家了解到，目前制約地下氣化技術應用于煤化工的最大瓶頸就是氣量和成分的不穩(wěn)定。

    參與甘肅華亭礦區(qū)難采煤地下氣化生產煤基天然氣項目論證的西北化工研究所副總工程師周曉奇向記者介紹，目前地面氣化無論制成漿還是粉氣化，技術都很成熟，而地下氣化的操作性、可控制性沒有地面氣化強，很難控制在地下產生的種種反應，合成氣成分波動過大。因此，他認為用地下氣化產生的原料氣發(fā)展煤化工可以嘗試，但在相關技術成熟之前，用于大范圍、大面積發(fā)展煤化工還不太適合。

    內蒙古大雁礦業(yè)集團原總工程師邢鐵寰表示，地下氣化能夠產出煤氣，調控手段簡單，但單爐產量太小，煤氣熱值低。而現代煤化工生產需用的合成氣要求質量和產量穩(wěn)定，供氣規(guī)模要大。目前地下氣化的狀況與煤化工需求相距甚遠，需要各方攻關來解決這一難題。

    中國礦業(yè)大學地下氣化中心主任梁杰教授也向記者表示，由于大規(guī)模的產業(yè)化還沒完成，放大裝置可能會遇到很多問題，因此現在地下氣化技術暫時還沒有應用于煤化工。但只要能加大技術研發(fā)力度，將上述瓶頸解決，地下氣化將因其低碳、成本低等優(yōu)勢成為煤化工未來的發(fā)展方向。

    前景 ：攻克穩(wěn)定關迸發(fā)成本優(yōu)勢

    據記者了解，煤炭地下氣化技術如果能用于煤化工，其最大的優(yōu)勢在成本方面。

    首先，地下氣化集建井、采煤、氣化三大工藝為一體，拋棄了龐大笨重的采煤設備和地面氣化設備，實現了井下無人、無設備生產煤氣，具有低成本優(yōu)勢。據專家介紹，地下氣化技術的成本約為0.2～0.25元每立方米，比地面的氣化成本降低40%～50%。其次，地下氣化技術適用的煤種范圍寬，而目前地面氣化技術還面臨適合煤種范圍窄的問題。再次，地下氣化技術還具有另外一個優(yōu)點——利用它可以回收被遺棄的煤炭資源。目前，傳統(tǒng)采煤工藝的回采率較低。有統(tǒng)計表明，全國的煤炭回采率不超過50%，這意味著每年有大量煤炭被丟棄。而采用煤炭地下氣化技術，可最大限度地回收這些被遺棄的資源。

    曾經參與鄂莊煤礦煤炭地下氣化站現場實驗的中國礦業(yè)大學博士李文軍向記者介紹，地面氣化設施的投資約占煤化工項目總投資的40%左右，并且運營費用高。地下氣化與地面氣化相比，基建投資可以降低60%左右，煤氣生產成本大約為地面氣化煤氣的1/3。具體到某一個煤化工品種，如利用地下氣化煤氣生產甲醇，則生產成本可降低40%左右。

    中科合成油工程有限公司高級工程師唐宏青認為，如果擴大或組合地下煤氣化的能力，使其達到日產氣100萬標準立方米，可以年產8萬～10萬噸甲醇，達到甲醇生產的中型規(guī)模。這一技術作為輔助方法的前景很有希望。而利用地下氣化煤氣合成油的前景也值得期待。如果采用地下氣化方式獲得的煤氣作為煤炭間接液化原料氣，煤氣生產成本將能降低50%。

    地下氣化技術用于煤化工還需要滿足哪些基本條件？周曉奇向記者介紹，一是要有氣化強度。大型煤化工裝置要求每小時供氣十幾萬立方米，而且要求供氣持續(xù)時間長，要求裝置穩(wěn)定運行幾十年。二是具有可控性。對于氣化強度，研發(fā)出多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的華東理工大學潔凈煤研究所所長于廣鎖進一步解釋說，一個年產30萬噸的甲醇裝置，每天的有效氣體供氣量為230萬立方米，每小時為9萬立方米。唐宏青表示，氣化后的有效氣體（一氧化碳和氫氣）含量至少要達到60%～70%。

    這些專家認為，只要具備了這些基本條件，地下氣化將給煤化工帶來巨大變革。

    而國內不少企業(yè)的探索也讓業(yè)內看到了希望。

    去年底，內蒙古新奧煤炭地下氣化項目成功實現煤炭地下氣化燃燒發(fā)電。該項目技術研發(fā)由烏蘭察布新奧氣化采煤技術有限公司和中國礦業(yè)大學共同展開。按照規(guī)劃，到2012年前，該項目還計劃利用地下煤炭氣化技術建成年產2萬噸甲醇生產線。

    上月中旬，山西壺關縣與山西三元煤業(yè)有限公司在北京大學博雅國際會議中心簽約總投資240億元、年產40億立方米煤制氣的煤炭原位氣化項目。同時，山西三元煤業(yè)股份有限公司也與北京大學簽訂了地下煤炭原位氣化技術服務合同。該項目計劃用地下氣化技術制造氫氣、甲烷及其他煤氣產品，最終進行地下氣化煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、合成氨、合成二甲醚、合成油、提取純氫。

 

文章來源：中國化工報