內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田老三溝井田煤炭地下氣化可行性分析

李 維

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

本文以老三溝井田煤炭資源量、地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合最新煤炭地下氣化技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等分析了老三溝井田采用煤炭地下氣化技術(shù)的可行性，通過(guò)理論分析和數(shù)據(jù)對(duì)比得出該井田適合進(jìn)行煤炭地下氣化技術(shù)應(yīng)用的結(jié)論，并為后期地下氣化工作開(kāi)展提供有益參考與指導(dǎo)。

1 老三溝井田概況

準(zhǔn)格爾煤田老三溝井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)西北，地理極值坐標(biāo)：東經(jīng)111°04′27″～111°11′05″，北緯39°56′59″～40°01′55″，井田面積63.46 km2。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一向西至南西西緩傾的單斜構(gòu)造，含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組上段，其次為下二疊統(tǒng)山西組，發(fā)育編號(hào)煤層10層，可采煤層有3層，6號(hào)煤層、9號(hào)煤層為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層，8號(hào)煤層為大部可采的較穩(wěn)定煤層[2]。

2 老三溝井田煤炭地下氣化可行性分析

2.1 資源地質(zhì)條件

準(zhǔn)格爾煤田屬石炭紀(jì)、二疊紀(jì)復(fù)合煤田，位于華北聚煤區(qū)的北部，井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，多為小于5 m的小斷層，且地層平緩。在地層層序上與華北石炭系、二疊系煤田相似，晚石炭世沉積古地理環(huán)境為泥炭沼澤相與沖積扇前平原相，此時(shí)的地殼下降幅度緩慢，與泥炭沼澤的堆積速度長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，成煤條件極好。至早二疊世晚期，古地理環(huán)境轉(zhuǎn)為山前沖積平原，成煤作用逐漸減弱，泥炭沼澤相趨于結(jié)束。老三溝井田含煤地層為二疊系下統(tǒng)的山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)的太原組上段(C2t2)。

老三溝井田煤炭資源豐富，勘探階段探獲煤炭資源總量超過(guò)19億t，其中以長(zhǎng)焰煤為主，含有部分不黏煤。井田可采煤層埋藏深度最淺為459.00 m，最深達(dá)731.96 m。井田內(nèi)可采煤層可采累計(jì)厚度有一定變化，但多數(shù)在20～35 m之間，較為穩(wěn)定。煤層傾角較小，大部分為0～5°，局部大于10°。煤層圍巖主要由頂板、底板組成，本井田6號(hào)可采煤層頂板主要為黑色泥巖、砂巖，次為高嶺石黏土巖、炭質(zhì)泥巖，煤層底板以砂巖、泥巖為主，次為粉砂質(zhì)泥巖；8號(hào)可采煤層頂板巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖，少量泥巖，煤層底板以泥巖為主，個(gè)別為粗砂巖；9號(hào)可采煤層頂板主要為泥巖，次為粗砂巖，少量高嶺石黏土巖、炭質(zhì)泥巖，煤層底板以泥巖為主，少量高嶺石黏土巖、粗砂巖、炭質(zhì)泥巖。井田內(nèi)含水層之間均有穩(wěn)定的隔水層，隔水層泥巖、砂質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)黏土巖占大多數(shù)，隔水性好[2]。

綜上，從基本地質(zhì)條件分析，老三溝井田構(gòu)造簡(jiǎn)單、隔水性好、煤層圍巖強(qiáng)度大，有利于地下氣化運(yùn)行中限制地面沉降及隆起作用[3]；就煤層而言，老三溝井田可采煤層厚度穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傾角小、埋藏深度適中且屬自燃煤層，有利于煤炭地下氣化的實(shí)施；從資源條件分析，老三溝井田煤炭資源儲(chǔ)量豐富，煤類適合地下氣化用煤，按年產(chǎn)40億m3天然氣的規(guī)模生產(chǎn)，該煤田可持續(xù)產(chǎn)氣約90 a。

2.2 煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展已經(jīng)成熟

煤炭地下氣化技術(shù)從概念提出到現(xiàn)在，已發(fā)展100多年[4]。世界上很多國(guó)家都投入了大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)研究，取得了一定的技術(shù)成果，從技術(shù)成熟度分析，煤炭地下氣化技術(shù)大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段。

1) 第一代煤炭地下氣化技術(shù)。該技術(shù)始于20世紀(jì)20年代至50年代的蘇聯(lián)，主要采用垂直井氣化技術(shù)，并成功應(yīng)用在世界上唯一一座持續(xù)化運(yùn)行的安格林商業(yè)氣化站[5]。加拿大及中國(guó)以前的煤炭地下氣化技術(shù)都是基于前蘇聯(lián)的垂直井氣化技術(shù)，加拿大還利用煤層中已存在的天然通道并對(duì)其進(jìn)行改良，建立連接注入井和產(chǎn)品井之間的通道來(lái)解決無(wú)法建立有效貫通問(wèn)題。第一代煤炭地下氣化技術(shù)由于鉆井工程量大成本高，產(chǎn)品合成氣的產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定，逐漸被第二代煤炭地下氣化技術(shù)所取代。

學(xué)習(xí)風(fēng)格是學(xué)習(xí)者持續(xù)一貫的帶有個(gè)性特征的學(xué)習(xí)方式，是學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)傾向的總和，也就是學(xué)習(xí)者在長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)活動(dòng)中逐漸形成的學(xué)習(xí)方式偏愛(ài)[1]。一般認(rèn)為，學(xué)習(xí)者具有6種基本學(xué)習(xí)風(fēng)格：視覺(jué)型學(xué)習(xí)風(fēng)格、聽(tīng)覺(jué)型學(xué)習(xí)風(fēng)格、獨(dú)立型學(xué)習(xí)風(fēng)格、觸覺(jué)型學(xué)習(xí)風(fēng)格、合作型學(xué)習(xí)風(fēng)格和動(dòng)覺(jué)型學(xué)習(xí)風(fēng)格。由于學(xué)習(xí)風(fēng)格與學(xué)習(xí)活動(dòng)具有直接關(guān)系，不少學(xué)者提出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格特征會(huì)影響學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)風(fēng)格是制定教學(xué)策略的主要考慮因素之一，中職生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不強(qiáng)，很可能是因?yàn)榻處熢诮虒W(xué)策略選擇上對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)風(fēng)格考慮不夠。筆者在中職德育教學(xué)中，從中職生學(xué)習(xí)風(fēng)格特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)教學(xué)方法，現(xiàn)介紹如下。

2) 第二代煤炭地下氣化技術(shù)。第二代煤炭地下氣化技術(shù)最先由美國(guó)研究提出，主要采用的是控制后退注氣法[6]和急傾斜煤層法技術(shù)。該技術(shù)把定向鉆井和反向燃燒結(jié)合在一起，在煤層中對(duì)垂直井和定向井進(jìn)行聯(lián)通。第二代煤炭地下氣化技術(shù)由于氣化規(guī)模小，生產(chǎn)不連續(xù)等諸多限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化項(xiàng)目的規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

3) 第三代煤炭地下氣化技術(shù)。澳大利亞率先以前兩代煤炭地下氣化技術(shù)為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)研究第三代煤炭地下氣化技術(shù)，在2011年成功投產(chǎn)，并連續(xù)運(yùn)行了3年時(shí)間[7]。該技術(shù)采用連續(xù)油管技術(shù)，高溫高壓、富氧/純氧氣化技術(shù)，提高了氣化效率，減少了鉆井成本。第三代煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)過(guò)各項(xiàng)示范試驗(yàn)，取得了成功，生產(chǎn)了高質(zhì)量的合成氣并成功用于聯(lián)產(chǎn)發(fā)電和合成油。

4) 第四代煤炭地下氣化技術(shù)。目前，世界上最先進(jìn)的煤炭地下氣化技術(shù)由中為(上海)能源技術(shù)有限公司研發(fā)，整合前三代煤炭地下氣化技術(shù)及其在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)與不足，通過(guò)將新型水平鉆井及高溫井技術(shù)，水文、地質(zhì)模擬技術(shù)及監(jiān)控，煤炭燃燒、熱解、氣化、催化重整技術(shù)及工藝模擬，二氧化碳捕集和儲(chǔ)存技術(shù)，地下水污染防治和處理技術(shù)等進(jìn)行完美整合與創(chuàng)新，代表世界上最前沿、最先進(jìn)的煤炭地下氣化技術(shù)。

煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展至今，技術(shù)成熟度及適應(yīng)性不斷提高，為老三溝井田煤炭地下氣化提供技術(shù)可靠性，井田若采用最新煤炭地下氣化技術(shù)進(jìn)行氣化試驗(yàn)，必將加快井田進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)煤制氣產(chǎn)品的步伐。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯，與地面氣化相比，基建投資降低53%～66%，生產(chǎn)成本較低僅為0.1元/m3[8]。對(duì)于生產(chǎn)相同的合成氣、天然氣代用品、發(fā)電等產(chǎn)品，地下氣化比地面氣化成本相對(duì)下降43%、14%、27%。由此可知，老三溝井田年產(chǎn)40億m3煤制天然氣配套資源，采用煤炭地下氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

2.4 可行性分析結(jié)論

由地質(zhì)資源條件、技術(shù)成熟度及經(jīng)濟(jì)效益三方面分析可知，老三溝井田采用煤炭地下氣化技術(shù)生產(chǎn)煤制氣產(chǎn)品是可行的，相較于本地區(qū)同類煤制氣項(xiàng)目而言，老三溝井田應(yīng)用地下氣化技術(shù)將極大提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力并實(shí)現(xiàn)效益最大化。

3 實(shí)驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)生產(chǎn)初步設(shè)想

3.1 依據(jù)地質(zhì)資料，優(yōu)選實(shí)驗(yàn)區(qū)

老三溝井田從普查到勘探，經(jīng)過(guò)十多年的煤炭勘查工作，完成了大量的物探工程和鉆探工程，在基礎(chǔ)地質(zhì)、煤及煤層氣地質(zhì)方面，積累了豐富的基礎(chǔ)資料，包括區(qū)域地質(zhì)背景、地層劃分、煤巖芯、煤田地質(zhì)研究資料等。特別是2015年由內(nèi)蒙古地質(zhì)工程有限責(zé)任公司對(duì)該井田的勘探工作，取得了大量詳細(xì)的成果資料：①通過(guò)井田已有的大量二維、三維地震資料，可以確定可采煤層的連續(xù)性，圈定煤層；②依據(jù)56個(gè)施工鉆孔的煤巖芯編錄這一實(shí)物資料，按照由煤層測(cè)井曲線特征而建立的煤層曲線標(biāo)準(zhǔn)，可以準(zhǔn)確確定煤層位置及煤層厚度；③查明了構(gòu)造及其對(duì)煤層的影響；④通過(guò)對(duì)不同標(biāo)高、不同煤階、不同鉆孔控制程度劃定塊段的儲(chǔ)量計(jì)算，獲得了相應(yīng)煤炭資源儲(chǔ)量數(shù)據(jù)。

依據(jù)以上老三溝井田地質(zhì)資料，選擇煤炭資源儲(chǔ)量級(jí)別較高(332以上)，煤層較厚，煤質(zhì)較好，埋藏深度適中及場(chǎng)地開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越的地段，作為老三溝井田煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)區(qū)。

3.2 開(kāi)展試驗(yàn)

3.2.1 氣化爐構(gòu)建

井田實(shí)驗(yàn)區(qū)考慮采用第四代煤炭地下氣化技術(shù)工藝構(gòu)建一個(gè)煤炭地下氣化爐，由一個(gè)注入井、一個(gè)產(chǎn)品井和將二者連接起來(lái)的水平通道組成(圖1)。注入井和產(chǎn)品井間隔30 m，采用定向鉆探技術(shù)，先施工一個(gè)水平定向注入井，再施工一個(gè)垂直產(chǎn)品井與之貫通。氣化爐氣化通道寬約20 m，包括燃燒區(qū)、氣化區(qū)和熱解區(qū)。其中，燃燒區(qū)在煤層中氧化劑注入點(diǎn)附近；氣化區(qū)以放射狀形態(tài)圍繞在燃燒區(qū)周圍或者在燃燒區(qū)下游，煤炭在氣化區(qū)被氣化、部分被氧化，從而生成合成氣；熱解區(qū)在氣化區(qū)下游，煤的熱解反應(yīng)一般在這里發(fā)生。高溫的合成氣從氣化區(qū)往下游流動(dòng)，并最終從產(chǎn)品井井口輸送到地面。

圖1 氣化爐示意圖Fig.1 Gasifier schematic diagram

3.2.2 氣化產(chǎn)品方向

井田采用第四代煤炭地下氣化技術(shù)所產(chǎn)生的產(chǎn)品——合成氣，合成氣產(chǎn)品可用來(lái)生產(chǎn)氫氣、天然氣、燃?xì)獍l(fā)電、液態(tài)二氧化碳、甲醇、烯烴、二甲醚、乙二醇、汽油、柴油、化肥等電力、燃料、化工產(chǎn)品(圖2)。依據(jù)市場(chǎng)供需預(yù)測(cè)趨勢(shì)(圖3)，未來(lái)氣化產(chǎn)品以生產(chǎn)氫氣、天然氣等清潔能源產(chǎn)品為主，輔以生產(chǎn)烯烴、液態(tài)二氧化碳等化工產(chǎn)品。

3.3 開(kāi)展試驗(yàn)的融資

3.3.1 爭(zhēng)取國(guó)家和地方政府的支持

國(guó)家能源局發(fā)布的《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃(2015～2020年)》提出“推進(jìn)煤炭地下氣化示范工程建設(shè)，探索適合我國(guó)國(guó)情的煤炭地下氣化發(fā)展路線。”2017年，內(nèi)蒙古自治區(qū)辦公廳發(fā)布《內(nèi)蒙古自治區(qū)“十三五”開(kāi)發(fā)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃提出加快提升鄂爾多斯大路煤化工基地，不斷推進(jìn)煤炭就地轉(zhuǎn)化，將大路工業(yè)園區(qū)發(fā)展成為國(guó)家級(jí)“煤化工及清潔能源生產(chǎn)示范基地”。據(jù)此，可以充分利用國(guó)家和地方政策規(guī)劃要求，借助內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)資金項(xiàng)目，積極爭(zhēng)取開(kāi)展煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)示范項(xiàng)目?jī)A斜，發(fā)揮政府投入的引導(dǎo)和支持作用。

3.3.2 社會(huì)企業(yè)資金為主導(dǎo)投入

通過(guò)與第四代煤炭地下氣化技術(shù)開(kāi)發(fā)企業(yè)聯(lián)系，如果技術(shù)開(kāi)發(fā)企業(yè)有意愿、有能力進(jìn)行井田煤炭地下氣化開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，政府可以在資源配套、稅費(fèi)等政策上給予優(yōu)惠，推動(dòng)老三溝井田煤炭地下氣化加快實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，并最終進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)，獲取最好成果、最大收益。

此外，還可以充分調(diào)動(dòng)社會(huì)各方面的積極性，形成井田以礦權(quán)和已有地質(zhì)資料做股權(quán)，吸收其他技術(shù)、勘探、鉆探等社會(huì)資金做股份的地下氣化技術(shù)試驗(yàn)的融資新模式。

圖2 合成氣后續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)品示范圖Fig.2 Gasifier schematic diagram

圖3 市場(chǎng)供需預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖Fig.3 Market supply and demand forecast trend chart(注：產(chǎn)品缺口=需求量-產(chǎn)量;資料來(lái)源：中國(guó)行業(yè)咨詢網(wǎng)；文獻(xiàn)[9])

4 結(jié) 論

1) 內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田老三溝井田地質(zhì)資源條件優(yōu)越，現(xiàn)有煤炭地下氣化技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)效益顯著，故井田應(yīng)用煤炭地下氣化技術(shù)是可行的。

2) 老三溝井田進(jìn)行煤炭地下氣化規(guī)模化生產(chǎn)前提是實(shí)驗(yàn)區(qū)的試驗(yàn)生產(chǎn)。選擇煤炭資源儲(chǔ)量級(jí)別較高(332)以上，煤層較厚，煤質(zhì)較好，埋藏深度適中及場(chǎng)地開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越的地段，選擇老三溝井田煤炭地下氣化實(shí)驗(yàn)區(qū)是基礎(chǔ)，采用第四代地下氣化技術(shù)及氣化爐構(gòu)建是關(guān)鍵。

3) 依據(jù)市場(chǎng)需求趨勢(shì)分析，井田未來(lái)氣化產(chǎn)品以生產(chǎn)氫氣、天然氣等清潔能源產(chǎn)品為主，輔以生產(chǎn)烯烴、液態(tài)二氧化碳等化工產(chǎn)品。

4) 老三溝井田煤炭地下氣化試驗(yàn)開(kāi)展需要爭(zhēng)取國(guó)家和地方政府的支持，并積極引導(dǎo)社會(huì)企業(yè)資金的投入，研究結(jié)果為老三溝井田煤炭地下氣化試驗(yàn)開(kāi)展提供了有益參考。