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煤炭地下氣化中控制CO2含量的輔助氣化工藝研究

2005/9/11 12:42:30       
摘要　通過現場試驗研究了控制CO2含量的輔助氣化工藝：壓抽相結合、反向供風氣化及雙火源氣化.試驗結果表明：采用上述輔助氣化工藝，可降低CO2含量10%左右，同時增加煤氣中其它可燃氣體的含量，提高煤氣熱值.
　　關鍵詞　CO2，煤炭地下氣化，氣化工藝
　　中圖分類號　TQ546

STUDY ON AUXILIARY GASIFICATION
TECHNOLOGY OF CO2 CONTROL IN THE PROCESS OF
UNDERGROUND COAL GASIFICATION

Liu Shuqin Liang Jie and Yu Li
(China University of Mining and Technology, 100083 Beijing)

　　ABSTRACT The higher content of CO2 in gas produced by underground coal gasification (UCG) limits the gas heat value, and will also be the latent resource of CO2 discharging. In this paper, three assistant gasification technology for CO2 content control are studied through field trials. Results show: the content of CO2 in UCG gas can be cut down to about 10% by adopting the above assistant gasification technology, through which the content of combustible gases can be increased and gas heat vlaue can be improved about 40%.
　　KEY WORDS CO2，underground coal gasification, gasification technology

　　0　引言

　　近年來CO2的大量排放已成為產生溫室效應的主要因素.［1］煤炭地下氣化就是將地下煤炭通過熱及化學作用原地轉化為可燃氣體的過程，它能夠減少煤炭直接燃燒帶來的環境污染和生態破壞，因而是一種潔凈煤綜合利用技術，也是未來煤炭生產和利用的新方法.中國礦業大學地下氣化中心提出的“長通道、大斷面、兩階段”氣化新工藝通過對傳統工藝的改進，基本實現了連續、穩定產氣.但地下氣化煤氣中CO2具有較高含量，約占20%，它限制了煤氣的熱值，也是潛在的CO2排放源.本文通過劉莊礦地下氣化現場試驗研究提出了控制CO2含量的輔助氣化工藝.

　　1　地下氣化爐結構

　　結合現場煤層賦存條件設計的長通道、大斷面、可調推進式地下氣化爐結構見圖1.氣化爐主要由進氣孔、排氣孔、輔助孔、氣化通道組成.氣化通道長200 m，通道斷面為3.4 m3，鉆孔間隔為50 m.輔助孔用于供風、供氣及排氣，跟蹤氣化工作面，進行推進式供風氣化.

50-1.gif (7192 字節)

圖1　地下氣化爐結構圖
Fig.1　The structure of underground gasifier

　　2　地下氣化中CO2的反應特性

　　地下氣化煤氣中CO2的含量取決于地下氣化過程中各反應階段(即氧化區、還原區、干餾干燥區)的反應特性與反應條件，并由總的組分守恒與能量守恒所制約.
　　地下氣化過程中CO2主要參與以下氣化反應：
C+O2CO2
C+CO22CO
C+2H2O(g)CO2+2H2
CO+1/2O2CO2
CO+H2O(g)CO2+H2　ΔH1=+393.8 kJ/mol
ΔH2=-162.4 kJ/mol
ΔH3=-90.0 kJ/mol
ΔH4=+285.5 kJ/mol
ΔH5=+41.0 kJ/mol
　　點火后氣化劑由進氣孔導入煤層，在氣化通道內氧與煤接觸，首先發生氧化反應.氧化區的反應可以用下式表示［2］：

λC+O22(λ-1)CO+(2-λ)CO2

其中：λ是與溫度相關的常數.煤的燃燒反應均為放熱反應，由CO和CO2含量與溫度的關系可知，維持溫度在700K以上時有利于CO的生成［3］，但CO氧化生成CO2由于是均相反應而容易進行.在地下氣化過程中，隨著氣化通道里煤的消耗，空穴增大，氣化劑中O2易走旁路，使氣相中CO氧化成CO2的可能性增大.反應得到的CO和CO2的濃度比符合下列關系：

g51-1.gif (999 字節)

　　氧氣耗盡后，氣流即進入還原區，CO2與熱焦接觸，還原成CO；水蒸氣與熱焦反應，生成CO和H2.CO2還原反應，在800℃時，僅為碳燃燒反應速度的10-5倍.因此，在地下氣化條件下，CO2還原反應達到平衡很慢，主要與反應溫度和原料活性有關.當煤層底部煤被消耗后，大量的煤會落入已有的空穴，形成類似于地上氣化爐的填充床，這些塊狀煤增加了床層表面積，活性較高，有助于CO2的還原.
　　煤被加熱超過300℃時，開始其干餾干燥與熱解過程.550℃后產生大量H2，CO2和CH4.此外，地下氣化中氣化區以外的煤層因導熱而被加熱，其干餾過程屬非等溫、非等壓條件下煤的熱解問題.隨著壓力的升高，干餾煤氣產率增加，煤氣中CH4和CO2含量增加，而CO，H2和H2S含量則減小.［4］
　　從地下氣化過程中CO2的反應特性可以看出，氣化爐溫度場是改變氣化反應方向，影響CO2反應的主要因素.另外，在地下氣化反應過程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨氣化過程的進行及煤層和頂板的冒落而不斷發生變化.因此，必須根據不同氣化反應條件，采取不同氣化工藝控制煤氣中CO2和其它可燃氣體的含量，來保證氣化過程穩定進行和較高的煤氣熱值.

　　3　控制CO2含量的輔助氣化工藝

　　3.1　壓抽相結合
　　CO2還原為體積增大的反應.因此，降低還原區的壓力能夠提高反應速度.但是氧化區壓力不宜過低，因為氧化劑壓力越高，向煤層里滲透燃燒的能力越強.為了同時滿足氧化區和還原區的要求，可以采用壓抽相結合，由進氣孔鼓風，出氣孔引風，調節鼓風壓力和引風負壓，使還原區、干餾干燥區處于相對較低的壓力條件下，有利于還原反應的進行，從而減少CO2的含量.劉莊礦地下氣化試驗正常壓風氣化和壓抽相結合氣化時煤氣平均組分和熱值的比較見表1.

表1　壓風和壓抽相結合氣化煤氣平均組分及熱值比較
Table 1　Comparison of average ingredients and heat value of
gas between compressing and compressing accompanied by pumping

Item Gas ingredients/% Heat value
/MJ/m3
H2 CO CH4 CO2 N2
Compressing 9.43 3.71 2.13 19.49 65.26 2.52
Compressing
and pumping		 15.20 11.45 2.81 10.39 58.95 4.51
　　從表1可以看出，壓抽相結合氣化與壓風氣化相比，出口煤氣中CO2含量降低了9.1%，H2和CO含量分別提高了5.83%和7.74%，因此煤氣熱值得到顯著提高.劉莊礦12s(12#煤層)氣化爐壓風氣化和壓抽相結合氣化時煤氣熱值的變化見圖2.其中16日到20日是壓風氣化，21日到26日是壓抽相結合氣化，可以看出，采用壓抽相結合氣化，煤氣熱值顯著提高，并趨于穩定.

51-1.gif (2684 字節)

圖2　壓抽相結合前后煤氣熱值變化
Fig.2　Change of gas heat value before and after compressing combined with pumping

　　3.2　反向供風氣化
　　當正向氣化時，火焰工作面逐漸向出氣孔移動，使干餾干燥區和還原區越來越短，最終還原區的長度不能滿足氧化區生成的CO2的還原和水蒸氣分解反應的需要，導致煤氣中CO2含量增加及煤氣熱值降低.若采用反向供風氣化，即由出氣孔鼓風，進氣孔出氣，使火焰工作面向進氣孔方向移動，則可重新形成氣化條件，CO2得到進一步還原.
　　此外反向供風氣化還具有以下優點［5］：(1)鼓風時空氣在原高溫排氣孔中得以預熱，該熱能在氣化爐中用以分解水蒸氣以增加氫的含量，隨鼓風導進的物理熱，可以在煤氣中得到大致相等的熱能；(2)反向供風時，還原區及干餾干燥區都在正向鼓風時燃燒過的區域內，溫度較高，還原反應溫度條件及干餾效果都比較好；(3)氣流下游的灰渣對甲烷化反應起一定的催化作用.12s爐氣化后期反向供風前后煤氣平均組分及熱值的變化見表2.可以看出，氣化后期采用反向供風氣化，可大大降低煤氣中CO2的含量，同時由于水蒸氣還原率的增大，H2含量也得到顯著提高.

表2　反向供風前后煤氣平均組分及熱值比較
Table 2　Comparison of average ingredients and heat value
of gas before and after reversible blowing

Item Gas ingredients/% Heat value
/MJ/m3
H2 CO CH4 CO2 N2
Before reversible
air blast		 　9.43 　3.71 2.13 19.49 65.26 2.52
After reversible
air blast		 15.20 11.45 2.81 10.39 58.95 4.51
　　劉莊試驗12s煤反向供風前一時刻沿氣化通道氡濃度分布和反向供風144 h時沿氣化通道氡濃度分布見圖3.從圖3可看出，反向供風以后，沿氣化通道長度上氡濃度普遍提高，說明反向供風能夠形成新的氣化溫度條件.

52-1.gif (3630 字節)

圖3　反向供風前后沿氣化通道氡濃度分布
Fig.3　Distribution of randon concentration along
gasification tunnel before and after reverse blowing

　　3.3　雙火源氣化
　　雙火源氣化，即在進氣側和排氣側分別建立火源A和B(見圖1).火源B也可以建立在氣化爐中部.交替使用這兩個火源，當火源A作為氧化區時，火源B處于還原區，這樣可大大提高還原區的溫度，提高CO2還原及水蒸氣分解速度，從而降低煤氣中CO2含量，提高煤氣熱值.
　　在劉莊礦雙火源兩階段氣化試驗中，第一階段由進氣孔和輔助孔1同時供風，建立雙火源；第二階段由進氣孔鼓入水蒸氣，水蒸氣在火源A被分解，剩余的水蒸氣在火源B繼續分解，水蒸氣分解率提高，CO2在火源B也可得到進一步分解，干餾煤氣產量也隨之增加.雙火源和單火源兩階段氣化時地下水煤氣中CO2含量及煤氣熱值比較見圖4和圖5.可以看出，雙火源氣化產生的地下水煤氣中CO2含量較單火源氣化顯著降低，水煤氣熱值普遍得到提高.

52-2.gif (3209 字節)

圖4　雙火源和單火源兩階段氣化地下水煤氣中CO2含量比較
Fig.4　Comparison of CO2 content in UCG between single fire and double fire
○——Single fire; ●——Double fire

52-3.gif (3247 字節)

圖5　雙火源和單火源兩階段氣化地下水煤氣熱值比較
Fig.5　Comparison of gas heat value gas between
single fire and double fire
○——Single fire; ●——Double fire

　　4　結論

　　(1) 控制地下氣化煤氣中CO2含量可以提高煤氣熱值，減少CO2的排放量.
　　(2) 壓抽相結合可以降低還原區壓力，提高CO2還原速度；氣化后期反向供風氣化可以形成新的氣化條件，使CO2得到進一步還原；雙火源氣化可以顯著提高還原區溫度，有利于CO2的還原反應.采用上述輔助氣化工藝，可降低CO2含量10%左右，且增加煤氣中其它可燃氣體含量，從而提高煤氣熱值.同時有利于氣化過程穩定進行.

作者簡介：劉淑琴：博士生
　　　　　梁杰：副教授
　　　　　余力：教授、博士生導師

作者單位：中國礦業大學北京校區，100083 北京

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