低碳清洁煤利用技术:煤炭地下气化技术

中国环境学会  2011年 03月31日


  刘淑琴   梁 杰   余力   张尚军
  中国矿业大学(北京)  北京市海淀区学院路丁11号,北京 100083(13910526026)
   
  摘要:煤炭地下气化是一种煤炭原位洁净利用方式。在国际能源紧张的形势下,煤炭地下气化技术应用对于开采劣质煤炭资源、提高能源利用效率、减少污染物排放具有重要的战略意义。地下气化煤气向天然气及其它化工产品的高效转化,可以充分利用煤气中的所有组分,并实现二氧化碳近零排放,是煤炭地下气化的理想利用途径。
  关键词:煤炭地下气化;二氧化碳;零排放
   
  煤炭地下气化技术开发及应用的必要性


  中国是以煤为主要能源的国家,在一次商品能源中煤占70%以上,资源条件决定了在今后相当长的时间内,煤炭在中国一次能源结构中占据不可替代的重要地位。但传统的煤炭开采、运输、使用方式所造成的煤炭资源浪费和生态环境的破坏是不容忽视的,地面塌陷、大量的地下水流失、向大气排放烟尘和硫化物等,已经给一些地区的生态环境构成了较大的威胁。同时受井工采煤技术水平的限制,约50%的煤炭资源被遗弃在井下,造了大量的煤炭资源浪费,据不完全统计,我国目前老矿井遗弃的煤炭资源在300亿吨以上。为了解决这些问题,必须刻不容缓地改变传统的煤炭生产和消费方式,发展洁净、高效的煤炭生产和利用技术,而煤炭地下气化技术则是一条最佳的途径。
  煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)就是将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧,通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体,变传统的物理采煤为化学采煤,因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点,深受世界各国的重视,被誉为第二代采煤方法。早在1979年联合国“世界煤炭远景会议”上就明确指出,发展UCG技术是世界煤炭开采的研究方向之一,是从根本上解决传统开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。
  煤炭地下气化不仅可以回收老矿井遗弃的煤炭资源,而且可以用于开采井工难以开采的或开采经济性、安全性差的薄煤层、深部煤层和“三下”压煤,以及高硫、高灰、高瓦斯煤层等。煤炭地下气化过程燃烧的灰渣留在地下,大大减少了地表塌陷量,无固体物质排放,因此煤炭地下气化减少了对地表的环境破坏。地下气化出口煤气可以集中净化,脱除其中的焦油、硫和粉尘等有害物,从而得到洁净的煤气。该煤气不仅可以作为燃料用于民用、发电(包括联合循环发电)、工业锅炉燃烧,而且还可以作为原料气生产合成氨、甲醇、二甲醚、汽油、柴油等或用于提取纯氢。因此煤炭地下气化技术将环境保护的重点放在源头,而非末端治理,是一项符合可持续发展需要的环境友好的绿色技术,并且具有显著的经济效益和社会效益。
  鉴于煤炭地下气化技术的显著优点,前苏联、英国、美国、德国、法国等世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和使用,取得了丰硕的成果。我国也由实验室试验研究、现场试验研究,逐步向工业化示范生产应用,开发了具有自主知识产权的煤炭地下气化技术,提出了适用于报废资源的“有井式煤炭地下气化工艺”以及适用于劣质煤炭资源开采及深部煤炭资源利用的“无井式煤炭地下气化工艺”,均达到国际领先水平。
   
  国际煤炭地下气化技术现状


  近年来,随着国际能源紧缺及环境保护的迫切需求,世界各国重新注视煤炭地下气化技术的完善与应用。
  1988年包括英国在内的6个欧共体成员国组成了一个欧洲UCG工作小组,提出了一个新的发展计划建议书,项目实施从1991年10月至1998年12月,采用后退点火注气技术,在西班牙的Alcorisa进行了现场联合试验。试验结果证明:在中等深度(500~700m)欧洲煤层进行地下气化是可行的。并争取在10~15年内,使其商业化,并向中国、印度等富煤国家出口技术。
  英国计划用地下气化技术开采1000米以下的深部煤炭资源,特别是北海下压煤。为此,英国在1999年67号能源报告中提出了其地下煤炭气化战略。英国贸工部多次来中国考察,并于2002年至2007年先后资助完成了“中英煤炭地下气化生成清洁能源”以及“地下气化煤气用于燃气轮机发电可行性研究”。2003年英国成立了国际煤炭地下气化合作组织(UCG partnership),成员单位包括了美国能源部国家实验室、澳大利亚联邦科学院、中国矿业大学(北京)、加拿大Ergo公司等国际上知名的煤炭地下气化研究机构与企业。该组织自2003年起每年在伦敦举办国际煤炭地下气化技术研讨会,来自世界各国的煤炭地下气化专业研究人员及从事及关注煤炭地下气化的企业单位共同研讨煤炭地下气化技术问题及其发展应用。
  美国能源部也重新对煤炭地下气化技术高度重视。劳伦斯国家实验室拥有目前世界上最先进的煤炭地下气化模拟软件,并与新奥集团达到长期合作意向。此外,美国杜克能源也计划在怀俄明州建设煤炭地下气化工程。
  2006年,南非的Eskom公司与加拿大Ergo合作,开始在南非Majuba煤田实施煤炭地下气化项目,并在2007年1月份成功点火,煤气产量在3000标方/小时,在5月份成功实现煤气发电。目前项目正在扩建期间。建设目标为2100MW整体煤气化联合循环发电系统。
  澳大利亚是一个煤炭大国,它的最大的商品出口是煤炭,并且它的发电85 % 来自焦煤和褐煤。澳大利亚在洁净煤技术领域的开发能力世界领先,其近几年在煤炭地下气化方面的开发尤为引世人瞩目。1996年澳大利亚Linc能源公司成立,次年引进加拿大Ergo能源公司的煤炭地下气化技术并开始在昆士兰州的Chinchilla展开试验项目,从1999年11月到2002年4月共气化了约35000吨煤,证实了UCG技术在该地的技术及经济可行性。由于资金不足项目自2002年停止运行。从2005年起,Linc能源公司与美国合成石油公司接洽地下气化煤气合成油的方案,计划在Chinchilla气化站开展地下煤气化制油项目,项目设计年产无硫柴油700万桶,经过2007年的项目前期试验、审批,2008年进入项目的具体实施阶段,2009年6月成功示范地下气化气转油。2006年成立的澳大利亚Cougar能源公司仍然采用Ergo的UCG技术及chinchilla项目的商业化经验在国内外从事煤炭地下气化开采,先后拿下昆士兰州的几个煤田的开采权和巴基斯坦的煤矿开采权,正在积极推进麾下煤炭地下气化项目的商业化运行。
  加拿大阿尔伯塔省政府日前宣布,将投资2.85亿加元帮助卡尔加里的天鹅山合成燃料公司建设一个煤炭地下气化项目。这一项目是世界上目前最深的煤炭地下气化工程。该项目将于2015年动工,天鹅山合成燃料公司希望届时能通过产生的煤气实现300兆瓦的发电能力,同时每年出售超过130万吨的二氧化碳。这些二氧化碳可以被石油厂商所利用,最终被封存在油井里。在2020年之前,该项目最终每年将可能储存1000到2000万吨的二氧化碳。这将帮助阿尔伯塔省实现2020年每年2500万到3000万吨的碳捕获目标。地下气化联合循环发电站每生产一千度的电将只产生250公斤的二氧化碳,比阿尔伯塔省传统天然气和煤发电站生产的能源清洁得多,后者每生产1000度电大约要释放400到1000公斤的二氧化碳。
  印度的煤炭储量为世界第四,近年来也对煤炭地下气化表现了浓厚的兴趣。印度政府已修改了相关法规,允许采用煤炭地下气化技术和地面煤炭气化技术的公司以及能够将煤炭转化为合成燃料的工厂拥有对煤矿的开采权。印度政府成立的工作组发表了一份关于煤炭地下气化技术现状的报告,指出了印度Reliance Industries Ltd.和GAIL India Ltd.等公司在开发煤炭地下气化项目方面的兴趣。该工作组的报告称,GAIL预计在2015年之前建成投产3座商业化运营的煤炭地下气化发电厂,总装机容量为750兆瓦。
  此外,世界知名煤化工企业Sasol也于2009年宣布了煤炭地下气化技术的计划。


  3煤炭地下气化在中国的最新进展


  中国矿业大学(北京)与新奥气化采煤有限公司合作于2007年1月共同开展了“无井式煤炭地下气化技术”的现场试验研究。该项目于2007年4月开始在乌兰察布弓沟煤田进行气化现场试验系统建设,10月24日气化炉点火成功,到目前为止,现场试验已运行400余天,形成了一批有价值的创新性研究成果,申请了9项专利。并于2008年5月16日获得内蒙古科学技术厅“内蒙古自治区煤炭地下气化工程技术研究中心”的批复,目前项目已经取得阶段性成果,具备了供热、发电、生产化工原料的能力,并在积极探索产业化推广新模式。该项目创造性地开发了“气化通道贯通技术”、“气化通道疏通技术”和“无井式气化炉点火技术”,保证了无井式气化炉的顺利构建,解决了气化过程中的有关技术难题,从而保证了气化炉的正常运转。开发了燃烧区探测技术,明确了燃烧区的主要扩展方向及影响范围。对今后地下技术的发展起到了促进作用。建立了无井式气化过程参数测控系统,实现气化工艺参数的准确测量、远程传输、数据分析处理等功能。
  该地下气化技术产生的煤气供蒸汽锅炉和燃气发电机作燃气取得成功,在工业应用上取得较好的效果。同时,该项目极具成本优势,造气成本仅为地面气化造气成本的40%左右,具有较高的经济效益。该项目所取得的研究成果填补了我国在该技术领域内的空白,达到了国际领先水平。


  4地下气化煤气的合成转化利用


  两阶段煤炭地下气化新工艺,可以获得含氢量大于70%的洁净水煤气。新奥富氧地下气化获得了低氢合成气。两种典型的煤气组成如表1所示。
  表1  煤炭地下气化水煤气典型组成

  试验地点

水煤气组成 (%)

H2

CO

CO2

CH4

N2

徐州新河

71.7

8.0

10.0

10.3

<1.0

乌兰察布

34.2

10.8

32.7

5.5

16.8

  针对两种地下气化水煤气的组成特点,中国科学院大连化物所采用多年积累的“合成气中枢”及其相关催化技术,进行了地下气化水煤气高效转化洁净利用的试验。
  4.1 天然气联产氢气
  采用自制的高效镍基催化剂,对地下气化高氢水煤气进行甲烷化的试验结果见表2,压力为常压,原料气空速为6000 h-1。可见,由于催化剂具有很高的催化活性,可以实现CO和CO2转化率>97%。经脱水后,CH4和H2含量可达到99%(表3),其中H2与CH4的比例为1:3。因此,地下气化及甲烷合成工艺过程,不仅可以获得高价值的洁净燃料,而且能够充分利用CO2,从而实现二氧化碳近零排放。
  表2  镍基催化剂上地下气化高氢水煤气甲烷化反应结果

  反应温度

转化率(%)

出口气组成 (%)

oC

CO

CO2

CH4

H2

CO

CO2

H2O

300

98.5

97.0

42.9

14.6

0.2

0.5

41.9

325

99.4

98.6

43.5

13.4

0.1

0.2

42.8

  表3  镍基催化剂地下气化高氢水煤气转化后的出口气干基组成

  反应温度

出口气干基组成 (%)

oC

CH4

H2

CO

CO2

300

73.7

25.1

0.3

0.9

325

76.0

23.4

0.2

0.3

  4.2 甲醇/二甲醚等化工品联产氢气
  采用高性能的二甲醚(DME)合成催化剂先进行该组成水煤气合成二甲醚反应的初步研究发现(表4), 在250oC, 5MPa,1000 h-1条件下, CO、CO2和CH4转化率分别达到92.9%、34.8% 和9.0%, 含碳产物中DME选择性高达98.6%. 脱水后的反应尾气中H2浓度仍高达74%, 再经具有自主知识产权的金属钯复合膜高效分离器进行氢气分离后,可以获得>99.99%的高纯氢气。
  表4  地下气化高氢水煤气转化合成二甲醚的反应结果

  反应空速

 

转化率(%)

 

含碳产物选择性 (%)

h-1

 

CO

 

CO2

CH4

 

 

DME

MeOH

1000

 

92.9

 

34.8

9.0

 

 

98.6

1.4

2000

 

89.9

 

23.9

9.6

 

 

97.9

2.1


   煤炭地下气化及煤气的高效转化,不仅可以生产高附加值的化工产品,而且充分利用了煤气中的二氧化碳,实现了二氧化碳的近零排放,附合国际低碳能源经济。
   
  综上所述,煤炭地下气化具有广阔的发展应用前景。在以煤炭为主要能源的中国,大力发展煤炭地下气化技术的商业化生产与应用,首选开发利用劣质煤炭资源、报废煤炭资源以及深部煤炭资源,将显著提高煤炭资源的回收利用效率,实现煤炭清洁生产。对于充分利用煤炭资源、调整能源结构和保证能源安全具有很大的现实意义和深远意义。
   

 
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