華亭煤地下導(dǎo)控氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的產(chǎn)氣效果分析＊

王作棠 王建華 張 朋 段天宏

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；3.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

華亭煤地下導(dǎo)控氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的產(chǎn)氣效果分析＊

王作棠1，2，3王建華1，2，3張 朋1，2，3段天宏1，2，3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；3.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221116）

本文提出了煤氣指標(biāo)時(shí)間加權(quán)的計(jì)算方法，對(duì)華亭煤地下導(dǎo)控氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明隨著氣化劑中氧濃度的上升，煤氣熱值呈上升趨勢(shì)，富氧蒸汽法氣化工藝中氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%；最大熱值10.72 MJ/Nm3出現(xiàn)在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產(chǎn)氣波動(dòng)性較大，同時(shí)水煤氣產(chǎn)率較低，生產(chǎn)規(guī)模較小，無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)高熱值煤氣，用于商業(yè)化生產(chǎn)需要多爐同時(shí)運(yùn)行。隨著氧濃度的升高，各工藝的產(chǎn)氣穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，從低溫工藝向高溫工藝切換的調(diào)控時(shí)間縮短。

產(chǎn)氣效果 產(chǎn)氣穩(wěn)定性 調(diào)控時(shí)間

1 引言

煤炭地下氣化就是向地下煤層中通入氣化劑，將煤炭進(jìn)行有控制的燃燒，通過(guò)對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用而產(chǎn)生可燃性氣體，然后將煤氣導(dǎo)出地面再加以利用的一種能源采集方式。它將建井、采煤和氣化三大工藝合而為一，將物理采煤轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)采煤，即把高分子固體煤轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿咏Y(jié)構(gòu)的可燃性氣體，拋棄了龐大而笨重的采煤設(shè)備與地面氣化設(shè)備，并大幅度減小了建井規(guī)模，具有安全好、污染少、投資小、成本低、效率高和見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。

2010年11月22日，由甘肅省科學(xué)技術(shù)廳組織并主持，邀請(qǐng)有關(guān)專家組成鑒定委員會(huì)，對(duì)甘肅華亭煤業(yè)集團(tuán)有限公司和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合完成的“難采煤有井式綜合導(dǎo)控法地下氣化及低碳發(fā)電工業(yè)性試驗(yàn)研究”的項(xiàng)目進(jìn)行了科技成果鑒定，認(rèn)為該項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)突出，在地下煤層燃燒高效穩(wěn)態(tài)蔓延導(dǎo)引控制技術(shù)方面，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

項(xiàng)目試驗(yàn)廠址為華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司楊家溝井六采區(qū)（原安口煤礦工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱內(nèi)），項(xiàng)目于2010年5月3日井下點(diǎn)火成功，2010年5月4日地面點(diǎn)火成功，連續(xù)產(chǎn)氣7個(gè)多月，期間成功地進(jìn)行了下列試驗(yàn)：空氣連續(xù)氣化試驗(yàn)、空氣蒸汽連續(xù)氣化試驗(yàn)、富氧蒸汽連續(xù)氣化試驗(yàn)、純氧蒸汽連續(xù)氣化試驗(yàn)、空氣蒸汽兩階段氣化試驗(yàn)、備爐狀態(tài)氣化試驗(yàn)以及注氣點(diǎn)移動(dòng)氣化試驗(yàn)。

本文提出了煤氣指標(biāo)時(shí)間加權(quán)的計(jì)算方法，對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并對(duì)發(fā)電試驗(yàn)期間各工藝的產(chǎn)氣穩(wěn)定性、氣化爐從空氣連續(xù)法工藝向中富氧蒸汽連續(xù)法工藝和純氧蒸汽連續(xù)工藝之間切換的調(diào)控時(shí)間進(jìn)行了分析，以期進(jìn)一步為煤炭地下導(dǎo)控氣化優(yōu)化工藝參數(shù)、合理選擇氣化工藝和氣化爐調(diào)控方法提供科學(xué)依據(jù)。

2 煤質(zhì)分析

根據(jù)煤質(zhì)的化驗(yàn)分析資料和分類方案，華亭煤的煤質(zhì)具有低灰、低硫、高活性和高揮發(fā)性的特點(diǎn)，為不粘煤。其工業(yè)分析的各項(xiàng)指標(biāo)是Mad為8.5%，Aad為6.6%，Vad為33.7%；元素分析的各項(xiàng)指標(biāo)是Cad為66.74%，Had為3.82%，Oad為13.16%，Nad為0.63%，St，ad為0.54%；高位發(fā)熱量為23.8 MJ/kg，灰熔點(diǎn)為1.197℃，容重為1.40 kg/m3。

3 產(chǎn)氣效果分析

3.1 數(shù)據(jù)的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)方法

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，采用傳感器在線測(cè)量、便攜式氣體分析儀和色譜儀3種方法同時(shí)測(cè)量，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)間隔時(shí)間為6～30 min?？紤]到在統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)氣指標(biāo)的波動(dòng)性，以測(cè)量時(shí)間間隔的起點(diǎn)和終點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)的均值作為此時(shí)間間隔的測(cè)量指標(biāo)值；考慮到每個(gè)測(cè)量值持續(xù)的時(shí)間不同，采用時(shí)間加權(quán)算法最后統(tǒng)計(jì)整個(gè)試驗(yàn)階段的平均指標(biāo)。與簡(jiǎn)單的求平均數(shù)的方法相比，時(shí)間加權(quán)算法使統(tǒng)計(jì)的精確性得到了提高。

3.2 各工藝產(chǎn)氣指標(biāo)對(duì)比

按照上述方法對(duì)空氣連續(xù)法、空氣蒸汽兩階段、純氧蒸汽連續(xù)法和中富氧蒸汽連續(xù)法幾次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理并描繪成曲線，見(jiàn)圖1～圖4。

3.2.1 空氣連續(xù)法工藝

從2010年9月20日17：00開始到9月22日17：00結(jié)束的空氣連續(xù)法工藝試驗(yàn)產(chǎn)氣指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)圖1?？諝饷簹獾钠骄鶡嶂禐?.10 MJ/Nm3，煤氣熱值低，所以只能供工業(yè)窯爐燃用。

圖1 空氣連續(xù)法煤氣試驗(yàn)產(chǎn)氣指標(biāo)隨時(shí)間變化圖

3.2.2 空氣蒸汽兩階段工藝

2010年7月19日至7月21日進(jìn)行了空氣蒸汽兩階段法工藝氣化試驗(yàn)，產(chǎn)氣指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)圖2。試驗(yàn)過(guò)程中，第一階段以空氣做為氣化劑，所產(chǎn)煤氣的平均熱值為3.47 MJ/Nm3；第二階段停止鼓空氣，開始鼓入水蒸汽，生產(chǎn)的水煤氣的平均熱值為10.72 MJ/Nm3。第二階段產(chǎn)生的水煤氣熱值高且產(chǎn)氣穩(wěn)定，而第一階段產(chǎn)生的煤氣完全可供應(yīng)于蒸汽鍋爐生產(chǎn)蒸汽，避免了直接排空造成的環(huán)境污染，該法有待完善提高的問(wèn)題是，水煤氣產(chǎn)率低、生產(chǎn)規(guī)模較小且無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)高熱值煤氣。

圖2 空氣蒸汽兩階段試驗(yàn)產(chǎn)氣指標(biāo)隨時(shí)間變化圖

3.2.3 純氧蒸汽連續(xù)法工藝

2010年7月4日進(jìn)行的純氧蒸汽連續(xù)氣化工藝，產(chǎn)氣指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)圖3。所產(chǎn)煤氣的平均熱值為9.27 MJ/Nm3，純氧的鼓入量為800 Nm3/h，實(shí)際生產(chǎn)中鼓入的蒸汽量為1500 Nm3/h，其余所需水蒸汽由地下水轉(zhuǎn)化的水蒸汽進(jìn)行補(bǔ)給。純氧蒸汽連續(xù)法工藝生產(chǎn)的煤氣有效組分高，可廣泛應(yīng)用于發(fā)電、合成甲烷、甲醇和制氫等。

圖3 純氧蒸汽試驗(yàn)產(chǎn)氣指標(biāo)隨時(shí)間變化圖

3.2.4 中富氧蒸汽連續(xù)法工藝

2010年7月31日至8月8日進(jìn)行了純氧蒸汽連續(xù)氣化工藝（不考慮水蒸汽體積，氧濃度為42.07%），產(chǎn)氣指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)圖4。該法由于采用富氧作為氣化劑，有效地強(qiáng)化了燃燒工作面的火層與氣流間的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程，顯著提高氣化效率和熱效率，因此具有工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)氣量大的特點(diǎn)，可做為合成氨聯(lián)醇生產(chǎn)的原料氣，也可供整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)燃機(jī)發(fā)電。

3.2.5 各工藝產(chǎn)氣指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將各工藝下的產(chǎn)氣指標(biāo)匯總于表1。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著氣化劑中氧濃度的增大，煤氣中的有效組分和熱值呈增大趨勢(shì)，為了提高煤氣熱值，氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%；最大熱值10.72 MJ/Nm3出現(xiàn)在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產(chǎn)氣波動(dòng)性太大，同時(shí)又存在水煤氣產(chǎn)率低、生產(chǎn)規(guī)模較小、無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)高熱值煤氣等問(wèn)題，用于商業(yè)化生產(chǎn)需要多爐同時(shí)運(yùn)行。

圖4 中富氧蒸汽連續(xù)法試驗(yàn)產(chǎn)氣指標(biāo)隨時(shí)間變化圖

表1 各工藝下的產(chǎn)氣指標(biāo)表

3.3 發(fā)電試驗(yàn)期間各工藝之間產(chǎn)氣穩(wěn)定性比較

對(duì)用煤氣發(fā)電期間的空氣連續(xù)法、中富氧蒸汽連續(xù)法和純氧蒸汽連續(xù)法的產(chǎn)氣穩(wěn)定性進(jìn)行了比較分析，計(jì)算了各工藝條件下的主要組分：H2、CO、CH4和CO2和實(shí)測(cè)熱值的變異系數(shù)詳見(jiàn)表2，發(fā)電試驗(yàn)期間各工藝產(chǎn)氣指標(biāo)如圖5所示。

由表2和圖5可見(jiàn)，隨著氧濃度的升高，各主要組分和實(shí)測(cè)熱值的變異系數(shù)逐漸下降。這是因?yàn)楫a(chǎn)氣指標(biāo)主要受氣化爐溫度和壓力影響，同時(shí)受到

表2 發(fā)電試驗(yàn)期間各工藝的產(chǎn)氣指標(biāo)變異系數(shù)表

地下水和礦壓的擾動(dòng)。由于本試驗(yàn)是在常壓下進(jìn)行氣化，受地下水和礦壓擾動(dòng)的影響也處于同一水平，所以產(chǎn)氣指標(biāo)主要受氣化爐溫度的影響，隨著氧濃度的增大，氣化爐的溫度也增加，氣化爐的蓄熱明顯增大，抵抗各種不穩(wěn)定因素的能力也相應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)氣穩(wěn)定性也就隨之增強(qiáng)。

圖5 發(fā)電試驗(yàn)期間各工藝產(chǎn)氣指標(biāo)變異系數(shù)圖

3.4 各工藝之間切換的調(diào)控時(shí)間

由于氣化爐從高溫向低溫狀態(tài)切換的時(shí)間跟氣化爐的蓄熱量有直接的關(guān)系，因此本文僅分析氣化爐從低溫狀態(tài)向高溫狀態(tài)切換的調(diào)控時(shí)間，主要選取空氣連續(xù)工藝向中富氧蒸汽連續(xù)法工藝和純氧蒸汽連續(xù)法工藝之間切換的調(diào)控時(shí)間。

中富氧蒸汽連續(xù)法試驗(yàn)從7月31日8∶40開始向氣化爐中注入42%（干空氣氧濃度）的中富氧蒸汽，開始從空氣連續(xù)法工藝向中富氧蒸汽連續(xù)法切換，僅用了40 min后熱值就攀升至6.69 MJ/Nm3，至15∶30時(shí)熱值就達(dá)到此次試驗(yàn)的均值，此間僅歷經(jīng)6.8 h。7月4日的純氧蒸汽連續(xù)法試驗(yàn)從1∶26開始向氣化爐中注入純氧蒸汽，開始從空氣連續(xù)法工藝向純氧蒸汽連續(xù)法工藝切換，至6∶23熱值就達(dá)到此次試驗(yàn)的均值，此間僅歷經(jīng)5 h。由此可見(jiàn)，隨著氧濃度的增加，氣化爐從低溫工藝向高溫工藝切換的調(diào)控時(shí)間縮短。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)表明，隨著氣化劑中氧濃度的上升，煤氣各組分（除N2外）的體積分?jǐn)?shù)和煤氣熱值呈上升趨勢(shì)，且為提高煤氣熱值，氣化劑中較佳的氧濃度范圍為30%～40%。

（2）最大熱值10.72 MJ/Nm3出現(xiàn)在空氣蒸汽兩階段法的第二階段，但空氣蒸汽兩階段法的產(chǎn)氣波動(dòng)性較大，同時(shí)水煤氣產(chǎn)率較低，生產(chǎn)規(guī)模較小，無(wú)法連續(xù)生產(chǎn)高熱值煤氣，用于商業(yè)化生產(chǎn)需要多爐同時(shí)運(yùn)行。

（3）隨著氧濃度的升高，各工藝的產(chǎn)氣穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

（4）隨著氧濃度的增加，氣化爐從低溫工藝向高溫工藝切換的調(diào)控時(shí)間縮短。

［1］ 余力.煤炭地下氣化學(xué)術(shù)論文選集［C］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［2］ 盧明銀，徐人平.系統(tǒng)可靠性［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

［3］ 楊繼賢，張冰，張秀云等.基于多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的煤化工循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（8）

［4］ 趙界歡.構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的礦區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)共生體系［J］.中國(guó)煤炭，2005（7）

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［6］ Wang Zuotang，Huang Wengang，Zhang Peng et.al.A contrast study on different gasifying agents of underground coal gasification at Huating Coal Mine［J］.Journal of Coal Science ＆Engineering（China），2011（2）

Analysis of effect of underground guided coal gasification field trial at Huating coal group

Wang Zuotang1，2，3，Wang Jianhua1，2，3，Zhang Peng1，2，3，Duan Tianhong1，2，3
（1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.School of Mining Technology，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining，Ministry of Education of China，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

This paper presents time－weighted coal gas indexes calculation method，on this base，field test data of underground coal gasification of Huating coal is analyzed.Results show that，with the increasing of oxygen content in gasifying agents，the gas caloricity rises，and the optimal oxygen concentration range to increase the gas caloricity is 30%～40%.The maximum value of 10.72 MJ/Nm3with the higher fluctuation in coal gas indexes，lower yield and production scale companied discontinuous production of high calorific value coal gas appeared in the air and steam two stage way，so more than one gasifiers are needed in commercial production；As the rising of oxygen concentration in gasifying agents，the stability of gasification increases gradually and regulating time from low temperature to high temperature process decreases.

effect of gas production，stability of gas production，regulating time

TQ546.2

A

獲教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（02019）、國(guó)家攀登計(jì)劃項(xiàng)目（OA090239）、煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題項(xiàng)目（SKLCRSM10X04）和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（SZBF2011－6－B35）資助

王作棠（1958－），男，福建尤溪人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授、博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榈叵職饣_采和礦山壓力與巖層控制。

（責(zé)任編輯 王雅琴）