能源与动力工程学院科研训练报告煤地下气化开采现状及发展专业班级环境82姓名季浩卿学号 08039039指导教师李荫堂摘要：本文主要将介绍煤炭地下气化开采的基本原理，国内外的发展历史、开采现状，以及未来的发展前景等方面。
关键词：煤炭地下气化，“长通道、大断面、两阶段”，发展现状，清洁利用前言煤炭地下气化，又被称为“地下煤改气”，是有别于传统的采煤工艺的一种理想的采煤方法。
它是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过热作用及化学作用而产生可燃气体输出地面的一种能源采集方式。
煤炭地下气化，可以最大限度地利用煤炭资源，输出的煤气产品属于洁净能源，可以广泛应用于发电、煤化工和燃气供应。
煤炭地下气化技术在安全、环保和经济方面都具有明显技术优势，积极探索研究和推广煤炭地下气化技术，从提高煤炭资源利用率角度、社会经济发展角度和国家能源安全角度考虑，都是非常必要的。
1 煤炭地下气化开采的发展历史1.1世界煤炭地下气化开采发展史1888年俄国化学家门捷列夫设想：“随着时间的推移，这样的时代可能要实现，即煤不从地下开采出来，而是在地下直接转化为可燃气体，……。
”前苏联是世界上进行地下气化现场试验最早的国家，也是地下气化工业应用成功的唯一国家。
1932年在顿巴斯建立了世界上第一座有井式气化站；至1967年，相继建立了,5座地下气化站，到60年代末已建站12座。
统计到1994年，共烧掉1600万t煤，生产500亿m3低热值煤气，其中，南阿宾斯克站连续工作40年，安格林站连续工作38年，所生产的煤气主要用于发电或工业锅炉燃烧。
1949～1964年，苏联从事地下气化的研究单位有全苏地下气化研究所和地下气化设计院等18个单位，从事开发和生产的工程技术人员达3000余人。
目前俄罗斯正在筹建8～10座日产100万m3以上的气化站。
美国地下气化试验始于1946年，首先在亚拉马州的浅部煤层进行试验，利用有井式施工，采用空气、水蒸气、富氧空气等不同气化剂进行试验，煤气热值为0.9～5.4MJ/m3，后因煤气漏失严重告终。
70年代，因能源危机，美国组织了29所大学和研究机构，在怀俄明州进行大规模有计划的试验，获得了工业性气体，用于发电和制氨。
1987～1988年，洛基山-1号试验获得了加大炉型、提高生产能力、降低成本、提高煤气热值等方面的成果，为煤炭地下气化技术走向工业化道路创造了条件。
美国能源部宣称，一旦发生能源危机，美国将广泛使用该技术生产中热值煤气，以解决国家之急需。
德国拥有大量的煤炭储量，但其特点是埋藏深，且处于海底。
其深层煤的储量高达1万亿t，延伸至北海的广大煤田深度>5000m，用现行的采煤方法无法开采。
因此，德国特别重视煤炭地下气化技术的研究，成立了第二代采煤技术研究学会。
1979年，德国与比利时在图林联合搞了一次试验，试验深度达860m，煤层厚6m，试验获得了良好效果。
英国、法国、捷克和西班牙等国也先后结合本国煤层赋存特点，对煤炭地下气化技术进行了研究。
1988年，6个欧盟成员国就煤炭地下气化组织了一个工作小组，并于1991年10月至1998年12月，持续7年多在西班牙Terul地区的Ohiete-Arino煤矿搞了一次野外试验，耗资1200万英镑，试验在中等深度（500m～700m）煤层中进行。
该试验成功地采用了钻孔后退式供风调控方案，气化总时间达301h。
该试验解决了许多技术问题，同时证实了欧洲中等深度煤层实施地下气化技术的可行性。
1.2我国煤炭地下气化开采发展史煤炭地下气化在我国的试验始于1958年。
当时，研究人员以空气为气化剂，在山西大同胡家湾等地获得了热值为833～1322 kcal／m3的地下煤气。
直至1984年，中国矿业大学又重新开始研究，并于同年在徐州马庄矿完成了煤炭地下气化现场试验。
1990年，煤炭地下气化半工业性试验被列入国家“八五”科技攻关项目。
1990年年底，著名科学家钱学森在《人民日报》上发表文章指出：“苏联在50年代做了很多煤炭地下气化的工作。
我们要研究这个技术。
这个技术一旦做了，就会使我们整个生产技术大为改观。
”1992年，原国家科委颁布我国科学技术中长期发展钢要白皮书，其中明确规划：到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化试验研究并建立商业性煤炭地下气化站。
1994年在徐州新河二号井完成了半工业性试验；1996年在唐山刘庄煤矿完成了工业性试验，采用了有我国特色的“长通道、大断面、两阶段煤炭地下气化新工艺”，大大提高了煤气的热值，所建的地下煤气站已连续工作2年多，所产煤气用于烧锅炉和供煤气公司使用。
数十年来，在有关部门的大力支持下，我国工作人员在徐州、唐山、新汶等10多个矿区进行了煤炭地下气化试验。
煤炭地下气化技术研究及项目建设也被列入了国家“十五”及“十一五”规划。
目前，我国已初步实现了地下气化从试验到应用的突破。
煤炭地下气化炉已在我国不同煤层地质条件下完成了工业性试验及初步的商业化推广应用，所生产的低热值、中热值的煤气以及水煤气已服务于民用、工业锅炉及内燃机组发电。
今年7月，国家发改委、科技部、工信部第6部委联合发布的《中国资源综合利用技术政策大钢》也明确提出，“十二五”期间，国家将推进煤炭地下气化技术的产业化。
2 煤炭地下气化开采的原理煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，集建井、采煤、气化工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术，其实质是只提取煤中含能成分，变物理采煤为化学采煤，被誉为第二代采煤法。
与一般煤炭气化一样，是把煤炭的固体有机物通过热力和化学作用变为可燃气体，其区别在于这种变化过程是在地下进行，而不需把煤炭开采出来。
煤炭不加氧进行加热，只能使煤炭有机物在高温下强烈地分解出挥发物——煤气和焦油蒸气。
这种部分气化法，仅能获取很少量的煤炭热能。
剩余留下的碳和灰这两种主要成分组成的焦碴，在高温下采用氧或水蒸汽对其进行化学处理，能使可燃固体变成可燃气体。
其化学反应过程是：送氧时碳进行氧化，其化学反应式为：C + O 2 → CO 2 + Q(热能)在高温下二氧化碳与碳发生还原反应，产生可燃气体一氧化碳，其化学反应式是：C + C02 → 2CO - Q在高温下加入水蒸汽时，则可产生氢气，其化学反应式为：C + 2H 20 → 2H 2 + C02 - Q据此原理，地下气化炉工作面必须完成煤炭的氧化和还原的化学反应，才能生成可燃气体一氧化碳；在高温条件下加水蒸汽，才能生成氢气。
所以气化工作面(气化通道)应由氧化带、还原带、干馏干燥带三部分构成。
地下煤气发生系统原理如图1所示，从地面向煤层打钻孔1和2，设法将两孔连通，在连通的空腔中将煤点燃，形成气化通道，空气从孔1压入，生成的煤气从孔2排出。
整个气化通道沿长度分成3个区：氧化区（Ⅰ）：这是气化通道初始一段长度，煤中的碳和氢与空气中的氧燃烧生成二氧化碳和水蒸气，产生大量的热，温度可达2000℃，使煤层炽热与蓄热。
还原区（Ⅱ）：气流继续向前流动，二氧化碳与水蒸气在灼热的煤层表面分别还原成一氧化碳和氢。
其反应速度取决于还原区的温度，还原区的温度大约为1200℃。
干馏干燥区（Ⅲ）：当无氧的高温气流进入干馏干燥区时，热作用使煤中的挥发物析出，形成焦炉煤气。
干馏干燥区的温度大约为800℃。
经过上述3个反应区后，就生成了主要组分是CO、H2、CH4的可燃气体，其温度为300～500℃。
从排气孔输出的气体，经地表冷却、洗涤和脱硫等，变成可燃的气体直接经管道供煤气用户使用；所得动力气体可供涡轮机发电用；所得合成气体经化工厂再处理获得氢、甲醇、硫代硫酸钠等化工原料。
地下气化的物质基础是地下气化炉，组成地下气化炉的四个要素是：进气孔、排气孔、气化通道和气化煤层。
地下气化炉按施工方法不同分为有井式和无井式。
有井式是指气化炉的施工都在地下进行，进、排气孔是井筒，气化通道是人工掘进的煤巷。
无井式则是所有建炉工作都在地面进行，进、排气孔由地面打钻施工。
通过对煤炭地下气化方面的资料分析表明，影响煤炭地下气化工艺的主观因素有：煤层开拓方式、进气孔和排气孔的分布密度、地下气化炉的布置方式和规模、鼓风方式、气化剂的成分等。
影响煤炭地下气化工艺的客观因素有：煤岩组成、煤的牌号和煤质、围岩的矿物组成及其物理力学性质、煤层赋存条件、瓦斯含量及水文地质条件等。
3 煤炭地下气化开采的现状3.1国外煤炭地下气化开采的现状近年来，各国在煤炭地下气化技术研究方面都进行了大量投入。
美国、德国等主要产煤国取得了大量的科研成果。
据不完全统计，从上世纪70年代至今，美国政府投入地下气化的资金超过数十亿美元。
美国的煤炭地下气化技术也因此全球领先。
其他发达国家也不甘落后。
今年2月，加拿大阿尔伯塔省政府宣布，今年将继续投资2.85亿加元，建设一个煤炭地下气化项目。
同时，加拿大天鹅山合成燃料公司在建的地下气化项目，这是世界上目前最深的煤炭地下气化工程，总投资为15亿加元。
该国政府用于煤炭地下气化的资金也累计达到数十亿加元。
国外对于UCG发展的现状及观点主要如下：（l） UCG不能替代常规采煤方法。
国外普遍地认为UCG不能替代常规采煤方法，应主要用于常规方法不可采或开采不经济的煤层，包括大深度煤层、高灰高硫劣质煤、急倾斜煤层和薄煤层。
（2） UCG是一项涉及多种学科的高技术。
在过去20年里，多项高技术的应用是欧美国家UCG研究试验取得重大进展的关键。
这些技术包括：应用声学、地质学、地震学、化学、热力学和电子技术研究地下气化机理；应用计算机模型、模拟气化过程、测算煤气产量和质量、生产成本；待气化煤层的精细勘探、三维勘测技术；气化过程自动监测和控制技术；耐高温、抗腐蚀特种合金钢管和特种泥浆；适于UCG的先进燃气—蒸汽联合循环发电技术；UCG环境监测和防治技术。
（3）UCG技术尚不完全成熟。
UCG虽已证实技术和工程可行性，但技术尚不成熟，仍存在一系列有待解决的问题。
主要是：气化过程很难控制，冒顶可能严重干扰气化过程，地下水进入气化带；烟煤加热膨胀产生的塑性变形阻塞气化通道；煤气中的固体颗粒和焦炭堵塞和腐蚀管道。
解决这些技术问题目前还存在很大难度。
（4）新的研究开发计划尚未提出。
定向钻孔和CRIP气化工艺是UCG技术的重大突破。
目前，美国的UCG技术居世界领先地位，欧盟也取得了很大进展。
国外近年UC 技术的研究开发活动，主要致力于改进现有工艺和设备，解决气化和环保等方面的技术问题，尚未提出发展新一代UCG技术的研究计划。
（5）UCG经济上尚无竞争力。
经济性是UCG 技术发展缓慢的关键因素。
美国能源部认为，若能进行长期大规模试验，UCG可在l0年内商业化。