我國能源需求主要依靠本國,以煤為主的能源消費結構,是我國能源戰略的重要組成部分。隨著經濟的不斷發展,煤炭資源的開采利用,開始進入由傳統粗放型向現代集約型轉變的階段,煤炭地下氣化技術的不斷發展,就是這一轉變最生動的寫照。
早在1979年的世界煤炭遠景會議上,聯合國就已明確提出,實施煤炭地下氣化開采,是解決傳統的煤炭開采利用所存在問題的重要途徑。在煤炭氣化技術方面,我國也制定了發展規劃、綱要等,而且是世界上煤炭地下氣化技術研究較早的國家之一。
隨著油氣產業的不斷發展,石油企業對礦物能源的勘探開發,開始呈現出一定的多樣性,并逐步向煤炭領域延伸。煤炭地下氣化開采和綜合利用項目,逐漸受到石油企業的青睞。中國石油的遼河油田就是國內石油企業中“第一個吃螃蟹的人”。
煤炭地下氣化技術類型 煤炭地下氣化是在地下氣化爐的條件下進行的,該技術目前主要有兩種類型。
一是巷道式地下氣化爐技術。就是在開采或廢棄的煤礦井中建地下氣化爐,以人工掘進的方式在煤層中建立氣化巷道,并在進氣孔底部巷道筑一道密閉墻(促使定向燃燒煤層),然后便可將密閉墻前面的煤炭點燃氣化。
此種方式中的單套地下氣化爐由氣化通道進氣孔、輔助孔和出氣孔組成,氣化通道在同一煤層內連通各孔,但由于受煤層地應力和溫度制約,因此人工豎井部分深度有限。
二是鉆井式地下氣化爐技術。即采用常規的油氣鉆井技術,鉆一口普通的長祼眼水平井,與另外的兩口直井在同一煤層內連通。單套地下氣化爐仍由氣化通道、進氣孔、輔助孔和出氣孔等組成。
施工時,先將進氣孔底部的氣化穴中的煤炭點燃,鼓入氣化劑,連續使煤炭氣化,同時由輔助孔鼓入氫氣,氣化通道內會形成氧化帶、還原帶和干餾干燥帶。國外大多采取此種技術。遼河油田在2005年成功建成了我國首座鉆井式地下氣化爐。
這種煤炭氣化方式,很好地發揮了石油企業的鉆井技術優勢,免去了巷道式建地下氣化爐的條件限制。但因鉆井井徑受限,制約了單套爐的氣化規模,有待進行單套爐多進氣孔、多氣化通道、多出氣孔、大井眼鉆進和擴眼完井等技術攻關。
挖掘剩余資源的新途徑 據統計,1953年~1989年我國有報廢礦井297處,1990年~2020年有244處報廢,報廢資源量到2002年底已超過300億噸,一般為井工開采(由工人下入井內進行資源開采,與露天開采相對應,井工可采煤炭量僅占煤炭資源儲量的11.43%)遺留的煤柱、薄煤層、劣質煤層、高瓦斯煤層等,豐富的深層煤炭資源和淺海地區的煤炭資源也未被開發利用。煤炭地下氣化技術的發展應用,為這些資源的有效動用提供了途徑。
目前山東、山西、內蒙古、貴州等地都在引入煤炭地下氣化技術,以使剩余的煤炭資源得到充分利用。
有關專家介紹,煤炭地下氣化技術避免了傳統煤炭開采方式對大氣帶來的污染。地下燃燒產生的高溫能使瓦斯氣和煤焦油發生劇烈膨脹而被揮發采出。尤其是高溫能使褐煤的物性變好,使煤層氣被解析,易于產出,其中的灰分留存于地下,還可以減少開采后期地層坍塌的危險。
煤炭地下氣化開采還有見效快的特點。點燃后,只需注入氣化劑便可連續生產。氣化劑由空氣、水蒸氣、氧氣和氫氣組成。氧氣和氫氣可由粗煤氣分離獲得,水蒸氣可由產出的高溫粗煤氣經降溫處理制取,總體工藝具有明顯的循環經濟特色。
資源綜合利用的新方式 煤炭地下氣化開采產業的綜合性較強,不僅能夠提高煤炭資源的利用率和開發動用程度,符合節約型的產業發展原則,而且有利于就近建立綜合性的產業群。
降溫處理后的粗煤氣,經過凈化可用來發電或向產業群以及附近城市集中供熱,尤其是可以利用余熱,發展附近農村的溫室綠色農作物產業,還可以從中提取氫氣和氧氣,除用作氣化劑外,氫氣還是城市清潔能源。粗煤氣凈化過程中,還可以獲得焦油、硫產品、酸產品和苯產品。
值得一提的是,粗煤氣凈化過程中分離出來的氮氣,可以制成液氮,在油氣鉆井和增產措施中具有重要用途。目前國內油氣田開發中對液氮的需求正在不斷增大。凈化后的煤氣是重要的化工原料,可制取甲醇,進而制取甲脂和聚甲醛等,或者作為制取合成氨、二甲醚等的原料。
總之,煤炭地下氣化開采的產業綜合性越強,開采成本下降越明顯,獲取的綜合效益就越大。煤炭地下氣化開采產業規模可大可小,可獨立經營,更利于大產業經營,投資少,投資回收期短,投資回報率高。
中國的石油企業近年來紛紛涉足煤炭開采綜合利用領域。中國石油遼河油田率先進行了深層煤炭氣化開采,于2005年啟動項目建設,首套地下氣化爐日前點火,開始試采煤氣。有關專家表示,遼河油田的探索嘗試,將帶動更多的石油企業參與到煤炭地下氣化開采項目中來。
該技術未來發展的重點,主要集中在加大爐型、提高生產能力、提高煤氣熱值等方面,以便適應1000米以下的深部煤層地下氣化開采需要,逐步實現煤炭等礦產資源的循環經濟開發。
【名詞解釋】什么是煤炭地下氣化?煤炭地下氣化是在地下氣化爐的條件下進行的。就是將煤層中的氣化通道進氣孔一端的氣化穴煤炭點燃,由進氣孔鼓入空氣、氧氣和水蒸氣等氣化劑,由輔助孔鼓入氫氣。于是,地下煤炭便進行有控制的燃燒,經過對煤的熱作用及化學作用,按溫度和化學反應的不同,在地下氣化通道內形成氧氣帶、還原帶和干餾干燥帶,由此生成的粗煤氣經過出氣孔產出,后經分離、凈化等處理,便成為很好的燃料和化工原料。