【采礦課件】第二十二章煤炭地下氣化

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河南理工大學(xué)

《采煤概論》精品課程第22章煤炭地下氣化5/25/20252本章主要內(nèi)容第22章煤炭地下氣化第一節(jié)煤炭地下氣化原理第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向5/25/20253第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化是開采煤炭的一種新工藝。其特點(diǎn)是將埋藏在地下的煤炭直接變?yōu)槊簹?，通過管道把煤氣供給工廠、電廠等各類用戶，使現(xiàn)有礦井的地下作業(yè)改為采氣作業(yè)。煤炭地下氣化的實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)的物理開采方法變?yōu)榛瘜W(xué)開采方法。煤炭地下氣化因具有安全、高效、低污染等優(yōu)點(diǎn)，所以世界各國(guó)對(duì)此都非常重視。我國(guó)于1958年在幾個(gè)礦區(qū)曾進(jìn)行過地下氣化的實(shí)驗(yàn)，最近又在馬莊礦、新河礦進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。5/25/20254第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化的原理（如圖）。首先從地表沿煤層開掘兩條傾斜的巷道1和2，然后在煤層中靠下部用一條水平巷道將兩條傾斜巷道連接起來(lái)，被巷道所包圍的整個(gè)煤體，就是將要?dú)饣膮^(qū)域，稱之為氣化盤區(qū)，或稱地下發(fā)生爐。最初，在水平巷道中用可燃物質(zhì)將煤引燃，并在該巷形成燃煤工作面。這時(shí)從鼓風(fēng)巷道1吹入空氣，在燃燒工作面與煤產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)后，生成的煤氣從另一條傾斜的巷道即排氣巷道2排出地面。隨著煤層的燃燒，燃燒工作面逐漸向上移動(dòng)，而工作面下方的采空區(qū)被燒剩的煤灰和頂板垮落的巖石所充填，但塌落的頂板巖石通常不會(huì)完全堵死通道而仍會(huì)保留一個(gè)不大的空間供氣流通過，只需利用鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓就可使氣流順利通過通道。5/25/20255第一節(jié)煤炭地下氣化原理煤炭地下氣化原理1——鼓風(fēng)巷道；2——排氣巷道；3——灰渣；4——燃燒工作面；I——氧化帶；II——還原帶；III，IV——干餾-干燥帶5/25/20256第一節(jié)煤炭地下氣化原理這種有氣流通過的氣化工作面被稱為氣化通道，整個(gè)氣化通道因反應(yīng)溫度不同，一般分為氣化帶、還原帶和干餾-干燥帶三個(gè)帶。1.氣化帶在氣化通道的起始段長(zhǎng)度內(nèi)，煤中的碳和氫與空氣中的氧化合燃燒，生成二氧化碳和水蒸氣：C+O2→CO2；2H2+O2→2H2O。在化學(xué)反應(yīng)過程中同時(shí)產(chǎn)生大量熱能，溫度達(dá)1200℃到l400℃，致使附近煤層熾熱。5/25/20257第一節(jié)煤炭地下氣化原理2.還原帶氣流沿氣化通道繼續(xù)向前流動(dòng)，當(dāng)氣流中的氧已基本耗盡而溫度仍在800～l000℃以上時(shí)，二氧化碳與赤熱的煤相遇，吸熱并還原為一氧化碳CO2+C→2CO。同時(shí)空氣中的水蒸氣與煤里的碳起反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣以及少量的烷族氣體：4C+3H2O→CH4+3CO+H2，這就是還原區(qū)。5/25/20258第一節(jié)煤炭地下氣化原理3.干餾-干燥帶在還原反應(yīng)過程中，要吸收一部分熱量，因此氣流的溫度就要逐漸降低到700～400℃，以致還原作用停止。此時(shí)燃燒中的碳就不再進(jìn)行氧化，而只進(jìn)行干餾，放出許多揮發(fā)性的混合氣體，有氫氣、瓦斯和其他碳?xì)浠衔?。這段稱為干燥帶的干餾部分。在干餾之后是脫水干燥。混合氣體此時(shí)仍有很高的溫度可氣化其中的水分，混合氣體干燥后，最后可得到：CO2，CO，O2，H2，CH4，H2S和N2的混合氣體，其中CO，H2，CH4等是可燃?xì)怏w，它們的混合物就是煤氣。5/25/20259第一節(jié)煤炭地下氣化原理國(guó)家地點(diǎn)氣化劑出口煤氣主要成分/%熱值CH4H2COCO2N2O2kJ/m3前蘇聯(lián)安格蘭空氣1.8～1.917.6～17.94.5～7.517.2～2042.7～580.3～0.43192～3570前蘇聯(lián)莫斯科近郊富氧65%1.935.015.328.116.20.26728.4美國(guó)佳懷明北空氣0.420101650——3780～5460中國(guó)頭山礦空氣0.3～6.36.4～14.34.6～18.53.9～16.445.5～652.3～4.83251～5515中國(guó)馬莊礦空氣3.0～9.010～2010～2520～3540～600.0～0.24200～5250中國(guó)實(shí)驗(yàn)室空氣+水蒸氣0.9～2.010.6～21.712.2～54.14.6～12.829.5～57.20～1.194943～85835/25/202510第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)一、煤炭地下氣化方法氣化方法通?？煞譃橛芯胶蜔o(wú)井式兩種。。無(wú)井式地下氣化是應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)，由地面鉆出進(jìn)、排氣孔和煤層中的氣化通道，構(gòu)成地下氣化發(fā)生爐。避免了井下作業(yè)和有井式氣化的其它問題，使煤炭地下氣化技術(shù)有了很大提高。目前它己在世界上被廣泛采用。有井式氣化法需要預(yù)先開掘井筒和平巷等，其準(zhǔn)備工程量大、成本高，坑道不易密閉，漏風(fēng)量大，氣化過程難于控制，而且在建地下氣化發(fā)生爐期間，仍然避免不了要在地下進(jìn)行工作。5/25/202511第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)無(wú)井式地下氣化法5/25/202512第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)二、無(wú)井式地下氣化法的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)無(wú)井式氣化法的準(zhǔn)備工作包括兩部分：即從地面向煤層打鉆孔和在煤層中準(zhǔn)備出氣化通道。從地面向煤層打鉆孔可以采用三種形式的鉆孔：垂直鉆孔、傾斜鉆孔和曲線鉆孔。根據(jù)煤層賦存條件的不同，其生產(chǎn)工藝系統(tǒng)也有差異。對(duì)于近水平煤層和緩斜煤層，在規(guī)定的氣化盤區(qū)內(nèi)，先打好幾排鉆孔。鉆孔采用正方形或矩形布置方式，孔距20～30m。鉆孔沿煤層傾向成排地布置，每排鉆孔的數(shù)目取決于氣化站所需的生產(chǎn)能力。5/25/202513第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)按作業(yè)方式的不同，生產(chǎn)工藝系統(tǒng)可分為兩種，即逆流火力作業(yè)方式和順流火力作業(yè)方式。(1)逆流火力作業(yè)方式首先貫通第一排鉆孔，形成一條點(diǎn)燃線。然后將第二排鉆孔與此點(diǎn)燃線貫通，貫通后即可進(jìn)行氣化。這種燃燒方式的特點(diǎn)是兩個(gè)鉆孔都按照下列順序起三種作用：貫通、鼓風(fēng)和排出煤氣。這種方式煤層的氣化方向與鼓風(fēng)和煤氣的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以稱為逆流式火力作業(yè)方式。（2）順流火力作業(yè)方式5/25/202514第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)逆流火力作業(yè)方式5/25/202515第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)順流火力作業(yè)方式5/25/202516第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)三、地下氣化效果的主要影響因素1、供氧量實(shí)驗(yàn)表明，供風(fēng)量越大，氣化劑含氧量越高，煤氣的熱值就越高。2、溫度與含水量保持高溫是提高地下氣化強(qiáng)度的必要條件之—。3、其他因素氣化通道的長(zhǎng)度是影響氣化的另一個(gè)重要因素。5/25/202517第二節(jié)煤炭地下氣化方法及生產(chǎn)工藝系統(tǒng)氣化劑種類生成氣體所占體積/%熱值/kJ·m-3H2CH4COCO2O2N2空氣14.01.816.210.20.257.64229富氧空氣（O2，37%）21.02.522.115.50.238.75987富氧空氣（O2，48%）28.23.526.115.40.326.576455/25/202518第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向煤炭地下氣化可以使埋藏過深或過淺不宜用井工開采的煤層得到開發(fā)，它不但改善了礦工的勞動(dòng)條件，而且氣化對(duì)地表破壞較小，沒有廢矸，還有利于防止大氣污染。煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)效益較好，其投資僅為地面氣化站的1/2～1/3。一、無(wú)井式長(zhǎng)壁氣化法為了提高煤氣的質(zhì)星和產(chǎn)量，國(guó)外實(shí)驗(yàn)了無(wú)井式長(zhǎng)壁氣化法。這種方式完全取消地下作業(yè)，但鉆孔和定向彎曲鉆孔要求技術(shù)水平高。該站的煤層條件是煤厚2m，埋藏深度300m，鉆孔水平鉆進(jìn)50m。實(shí)際上水平鉆進(jìn)可達(dá)90～100m。5/25/202519第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向長(zhǎng)壁氣化法及地面電站簡(jiǎn)圖1—壓縮空氣；2一氣液分離器；3—熱交換器；4—發(fā)電廠；5—煤氣凈化設(shè)備；6—水凈化循環(huán)裝置；7一壓縮與燃燒氣體混合器；8—空氣；9—煤氣；10一煤層；11—?dú)饣瘞В?2—監(jiān)測(cè)與控制鉆孔5/25/202520第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向二、煤炭地下燃燒工藝用煤炭地下燃燒工藝來(lái)回收被以往采煤所遺棄的煤柱。該工藝主要是采用抽風(fēng)機(jī)造成負(fù)壓，將燃燒產(chǎn)生的高溫氣體(300～600℃)通道熱交換器使水變?yōu)檎魵夤┌l(fā)電和民用。鉆孔為過氣孔，根據(jù)煤層的賦存條件進(jìn)行布置。三、對(duì)地下氣化區(qū)燃燒面位置與溫度的控制地下氣化燃燒面位置與溫度的控制是一個(gè)難題，目前美國(guó)已使用衛(wèi)星紅外攝影進(jìn)行監(jiān)控。它可以探明燃燒面的確切位置和溫度情況，從而用調(diào)節(jié)供氧量和供水蒸氣量來(lái)控制其溫度，提高或降低燃燒面的氣化強(qiáng)度，提高煤氣熱值，試用效果良好。5/25/2025215/25/202522第三節(jié)煤炭地下氣化的適用條件及發(fā)展方向四、氣化、化工聯(lián)合企業(yè)的發(fā)展地下氣化得到的煤氣不僅可供民用，還可發(fā)電。煤氣中除可燃?xì)怏w以外，還伴生有許多重要的化學(xué)物質(zhì)，如酚、苯、吡啶、油酸、硫等物質(zhì)。因此，地下氣化站不僅可以作為動(dòng)力企業(yè)，而且作為化學(xué)聯(lián)合企業(yè)也是合適的。煤炭地下氣化作為一種開發(fā)地下煤炭資源