美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室1976年开始研究UCG,在模拟研究和实验室研究的基础上,1976~1979年在怀俄明州吉利特附近进行了6次现场试验,先后采用爆炸破碎、反向燃烧和定向钻孔贯通技术,注入空气和氧/蒸汽。这些试验除爆炸破碎效果不佳外,煤气热值都超过4MJ/m³,最高达10.3MJ/m³,但都发生冒顶、漏气和水流入等问题。为解决这些问题,提高气化效率,该实验室研究开发出受控注入点后退气化工艺(CRIP)。这种新工艺把定向钻进和反向燃烧结合在一起,定向钻孔先打垂直注入孔和产气孔,到达煤层后,从注入孔沿煤层底板继续打水平孔,直到与产气孔底部相交,然后在钻孔中下套管;开始气化时,用移动点火器在靠近产气孔的第一个注入点烧掉一段套管,并点燃煤体,燃烧空穴不断扩展,一直烧到煤层顶板,待顶板开始塌落时,注入点后退相当于一个空穴宽度的距离,再用点火器烧掉一段套管,形成新的燃烧带,如此逐段向垂直注入孔推进。点火器用引火气体硅烷点燃丙烷喷嘴,在地面拖曳移动。 比利时图林地下气化试验设计的注入管和点火器结构。注入管采用双层套管,蛇管在挠性套管内移动。蛇管内装3根热电偶电线和2根可燃的空心管,一根空心管输送三乙基硼(遇空气即燃烧)和CH4,另一根空心管注氧。蛇管端部固定点火器。 1983年,在美国华盛顿州森特雷利亚附近的韦特柯煤矿进行首次全规模现场试验。气化煤层厚11m,气化上部的6m,煤质为高灰分(20%)、低渗透性次烟煤。试验历时30天,开始注入空气和蒸汽,第14天注入氧和蒸汽,气化煤量为1814t,煤气热值9.5MJ/m³。CRIP工艺的最大优点是气化过程能够有效地得到控制。因为水平注入孔位于煤层底部,气化过程在受控条件下由注入点后退逐段进行。这一特点使它特别适用于大深度煤层和特厚煤层。气化大深度煤层时,一个产气孔可连接一组垂直注入孔,煤气可通过已烧过的空穴流动,解决了在极高的岩层压力下保持通道的问题。气化厚煤层时,当空穴扩大并发生大冒顶时,可保持垂直注入孔的完整性。CRIP工艺的另一个突出优点是产气量大,还有可能回收因发生大冒顶从旁路逸出的煤气。CRIP工艺的主要缺点是点火操作比较复杂。CRIP工艺在美国试验成功以后,国外所有地下气化试验或可行性研究项目都采用这种新工艺。 国外UCG试验和商业性示范项目主要有俄罗斯的南阿宾斯克气化站,美国的汉那、罗林斯和森特拉利亚气化试验,以及比利时的图林和西班牙的特鲁埃尔气化试验。 1、俄罗斯南阿宾斯克气化站 南阿宾斯克气化站位于俄罗斯库兹巴斯矿区。气化煤层厚2~9m,倾角55~70°,深50~300m,煤种为气肥煤。1955年建成试验性气化站,设计年产气能力5亿m³,采用井(筒)气化工艺。到1991年累计气化煤炭3Mt,产气90亿m3,煤气平均热值3.82MJ/m³(1600Kcal/m³)。煤气供附近12个工矿企业用作燃料。 2、美国汉那、罗林斯和森特雷利亚地下气化试验 2.1 汉那地下气化试验 1972~1979年,美国能源部拉勒米能源技术中心在怀俄明州汉那附近进行地下气化试验。气化煤层为次烟煤,厚9m,深49~122m。首次采用反向燃烧法,注空气,气化煤炭15741t,煤气热值4.0~6.6MJ/m³。1987~1988年,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室采用CRIP工艺在汉那进行试验,获得成功。 2.2 罗林斯地下气化试验 1979~1981年,Gulf研究与发展公司在怀俄明州罗林斯附近的一个急倾斜煤层进行地下气化试验。气化煤层厚7m,倾角63°,深30m,煤种为次烟煤,钻孔贯通。试验分3个阶段进行。 第一阶段注空气,煤气热值5.9MJ/m³;第二阶段注氧气,煤气热值9.8MJ/m³;第一、第二阶段的注入压力为485~795kPa;第三阶段注氧气,最大压力提高到1100kPa,煤气热值12.9MJ/m³,有19天平均达14MJ/m³。累计气化煤炭7766t。这是美国最成功的一次地下气化试验。 2.3 森特雷利亚地下气化试验 1983年,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室在华盛顿州森特雷利亚附近进行地下气化试验。气化煤层厚11m,气化上部6m,煤层深75m。采用CRIP工艺,运行30天,气化煤炭13315t,煤气热值9.5MJ/m³。 3、比利时图林煤炭地下气化试验 比利时和德国深部煤层地下气化试验合作项目。试验地点在比利时波利纳日煤田的图林。气化煤层厚4m,深860m,煤种为瘦煤。1978~1980年打了4个钻孔,呈星形布置,2号孔居中,1、3、4号孔沿圆周布置,与2号孔相距35m。第一阶段采用反向燃烧法进行贯通试验,由1号孔注入高压空气(最大压力260bar)。由于地层压力高达200bar,煤层刚被烧通,周围煤体即在高压作用下产生蠕动,将通道封死,注入孔底附近的煤层发生自燃,试验失败。1983年改用小曲率半径定向钻进技术进行贯通试验。采用多节挠性钻管,依靠钻孔中的导向装置导向,使垂直注入孔逐渐转向,进入煤层中继续钻进,钻到距垂直生产孔2~4m处停止,用175bar高压水打通,完成贯通。曲率半径仅15m。1986年定向钻孔顺利完成。气化试验采用美国的CRIP工艺。为适应深部煤层,对此工艺作了一些修改。从垂直注入孔下套管,在套管中用350bar压力推入蛇管。蛇管内装有3根热电偶电线和2根可燃的空心管,一根空心管用来输氧,另一根空心管用来输送三乙基硼和甲烷。蛇管端部固定点火器。气化时,通过热电偶点火,使钢管和蛇管一起反向燃烧,第一段烧掉11m,然后以80bar压力、7000m³/h流量注入空气,待气化约10t煤以后,压力降至20~30bar。第二段和第三段再从注入点分别后退11m,第二段注入40%氧气、30%二氧化碳和40%N2混合气体,第三段注入40%氧气、60%二氧化碳混合气体,压力均为25bar,流量2000m³/h。最后阶段以25bar压力、10000m³/h流量注入空气,若温度太高,注入1200m³/h的N2。气化剂采用氧气和二氧化碳,不用蒸汽。因为蒸汽要在250℃下输送,成本高,而且在到达气化带前会因岩层的热交换而冷凝。采用氧气和二氧化碳注入孔不用绝热,孔径可减少35%。 4、西班牙特鲁埃尔煤炭地下气化试验 1988年,6个欧盟成员国组成欧洲煤炭地下气化工作组,进行验证欧洲典型煤层地下气化可行性的商业规模示范。项目选定西班牙特鲁埃尔矿区中等深度煤层进行现场试验。该项目实施时间7年零3个月,从1991年10月到1998年12月。气化煤层为次烟煤,厚约2m,深500~700m,硫分高达7.26%。采用CRIP工艺。用潜孔钻机进行小半径定向钻进,注入孔和生产孔相距150m,注入管和点火器与图林项目基本相同,在地面用特制的滚筒使其在注入孔内移位。气化试验从1997年6月30日开始,共进行3次(即注入点后退3次),到10月6日结束。气化剂为氧和水。气化过程对气化剂流量、产气孔压力、煤气流量和组分等进行监测和分析。根据参与气化的元素质量平衡测量气化煤量、煤气损失量和地下水涌入量,用示踪气体氦监测煤层空穴的扩展动态。气化试验完成后,在地面钻孔并取芯,勘测气化空穴的形状和气化残留物。 对气化区周围地下水中的污染物以及煤气输送管道的腐蚀进行取样分析。试验结果表明:定向钻孔适于建立气化通道,CRIP工艺效果良好,运行顺利;煤气产出率随注氧量增加而增大,反应灵敏,因此有可能使气化过程暂停几天时间,这对发电很有利;煤气热值达10.9MJ/m³,与地面气化相当,约为天然气的1/3;煤炭地下气化的环境影响应引起重视。这次试验解决了一系列技术问题。如果现有的技术问题得以解决,并证明经济合理,煤炭地下气化可在10~15年内实现商业化,这是欧洲利用自有煤炭资源发电的战略选择。此外,欧洲地下气化技术还有良好的出口前景,包括钻井、完井所用特种钢,气化工程技术等。
5、正在运行的煤炭地下气化项目
乌兹别克斯坦 安格林( Yerostigaz UCG) 澳大利亚 Linc公司 (Chinchilla UCG Pilot) 澳大利亚 Cougar公司 (Kingaroy UCG Pilot) 澳大利亚 Carbon 公司(Bloodwood Creek) 南非 Majuba Power Station, Eskom 加拿大 Swan Hills Synfuels 波兰 Katowice (HUGE) Project |