2013年第1期煤炭工程研究探討華亭煤地下氣化與固定床氣化指標(biāo)對比研究王作棠123,王建華12,張朋2,黃溫鋼2,辛林12,段天宏2(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州221008;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州22116;3.中國礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院,江蘇徐州221008)摘要:對比分析了空氣蒸汽連續(xù)法氣化工藝條件下華亭煤現(xiàn)場實測所得的地下氣化指標(biāo)與采用綜合計算法模擬得到的固定床氣化指標(biāo)。結(jié)果表明,固定床氣化所得到的高熱值氣體量(如CH4、CO)大于地下氣化所得量,固定床氣化碳進入煤氣的轉(zhuǎn)化效率要高于地下氣碳轉(zhuǎn)化效率。推測地下氣化過程中,地下水參與了氣化的反應(yīng),并導(dǎo)致地下氣化所得的氫氣量大于固定床氣化所得量關(guān)鍵詞:華亭煤;地下氣化;固定床氣化;氣化指標(biāo);綜合計算法中圖分類號:TD841文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-0959(2013)01009904Study on Index Comparison between Underground CoalGasification in Huating Mine and Fixed Bed Coal GasificationWANG Zuo-tang23,WANG Jian-hua'2, ZHANG Peng., HUANg Wen-gang, XIN Lin, DUAN Tian-hor(1. National Key Lab of Coal Resources and Safety Mining, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221008,China2. School of Mining Engineering, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221116, China;3. Research Institute of Low Carbon Energy, China University of Miming and Technology, Xuzhou 221008, China)Abstract: A comparison analysis was conducted on the underground coal gasification index obtained from the site ofHuatong Mine under the air and steam continued method gasification technique and the fixed bed gasification obtained fromthe simulation with the comprehensive calculation method, the results showed that the high calorific value(such as CH4and co)obtained from the fixed bed gasification was higher than the value from underground gasification and the gasconversion rate of the fixed bed gasified carbon was higher than the carbon conversion rate of the underground gasificationBy inferenced the reaction of the gasificationand cased the hydrogen content obtained from the underground gasification was higher than the content from the fixed bedKeywords: Huating Mine; underground coal gasification; fixed bed coal gasification; index of gasification;煤炭氣化是指以煤為原料,以氧氣(空氣、富氧或純由經(jīng)驗得到。研究表明,綜合計算法所得結(jié)果與實際結(jié)果氧)、水蒸氣等作氣化劑,在一定溫度和壓力下通過物理和基本吻合?；谶@一結(jié)論,本文利用綜合計算法所得氣化化學(xué)反應(yīng)將固體煤中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體可燃物的化學(xué)指標(biāo)模擬華亭煤的固定床氣化指標(biāo),通過對比空氣蒸汽連過程續(xù)法氣化工藝條件下華亭煤的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與固定床氣化本文固定床氣化指標(biāo)由綜合計算法計算得來,綜合計指標(biāo)來研究煤炭地下氣化與固定床氣化的差異。算法或稱HH.杜勃羅霍托夫(H.H.o6 PoXoToB)法,該法將移動床氣化過程分為兩個階段,即氣化爐上部料層的煤質(zhì)分析干餾過程和下部料層的氣化過程,生成的煤氣則是干餾氣根據(jù)煤質(zhì)化驗分析資料和分類方案,華亭煤為不粘煤,和氣化氣的總和。干餾過程計算中,主要根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)具有低灰、低硫、高活性、高揮發(fā)性的特點。華亭煤的工來確定各干餾產(chǎn)物的數(shù)量。氣化階段計算的有關(guān)數(shù)據(jù)也可業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1。收稿日期:2012-08-08HH中國煤化工基金項目:教育部科學(xué)技術(shù)研究重點項目(02019);中國礦業(yè)大學(xué)煤炭CNMHG驗室資助項目SKLCRSM1OX04)作者簡介:王作棠(1958-),男,福建尤溪人,中國礦業(yè)大學(xué)教授、博導(dǎo),現(xiàn)主要研究煤炭地下氣化開采。研究探討煤炭工程2013年第1期表1華亭煤的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果(空氣干燥基)分析/%元素分析/%高位發(fā)熱量灰熔點容重/煤種NSM/(M…kg-1)/℃(kg:m3)不粘煤8.56.633.779.04.515.30.80.41972氣化指標(biāo)及其對比現(xiàn)場進行了空氣連續(xù)法、空氣蒸汽連續(xù)法、富氧蒸汽連續(xù)法、純氧蒸汽連續(xù)法以及空氣一蒸汽兩階段等氣化工藝試2.1地下氣化產(chǎn)氣指標(biāo)驗”。本文選取空氣蒸汽連續(xù)法氣化工藝的相關(guān)指標(biāo)進行華亭煤炭地下氣化項目于2010年5月至11月期間在對比研究,其氣化指標(biāo)見表2。表2華亭煤空氣蒸汽連續(xù)法氣化實驗實測氣化指標(biāo)煤氣組分/%消耗指標(biāo)煤氣產(chǎn)率蒸汽分H2 C0 CH, CO2 N2 C2H4空氣消耗/蒸氣消耗(Nm3·kg1)解率/%193.931.9815.5348.690.310.123.3174.712.2固定床氣化產(chǎn)氣指標(biāo)H2已分解水蒸氣提供的氧量,kmol通過綜合計算法所得數(shù)據(jù)模擬固定床氣化產(chǎn)氣指標(biāo)。2.2.1干餾階段經(jīng)驗參數(shù)4)空氣中的氮量與被氣化的碳量存在下述關(guān)系。在干餾階段計算中對應(yīng)不同的煤種有不完全相同的經(jīng)O 2驗參數(shù),下面前8條為對應(yīng)華亭煤選取的經(jīng)驗參數(shù),第9條為實際測定值。式中,η只是反應(yīng)碳和氮的比關(guān)系,無實際意義。1)干餾階段,煤中50%的氧與相當(dāng)量氫生成熱解水。5)平衡常數(shù)方程:2)煤中30%的氧轉(zhuǎn)化為CO2。CO×C2=K3)煤中所含氫的35%轉(zhuǎn)化為甲烷。4)轉(zhuǎn)人焦油中的碳元素的質(zhì)量等于煤中氫的。式中K—平衡系數(shù)。5)煤中氮除了轉(zhuǎn)入焦油中的氮外,其余均以N2析出。注:干餾階段及氣化階段參數(shù)均從參考文獻(xiàn)[3]中根6)煤中80%的硫轉(zhuǎn)化為硫化氫進入煤氣據(jù)條件選擇7)煤中的氫,除了生成H2O(熱解)、CH4、C2H2、由干餾階段和氣化階段計算結(jié)果可整合,綜合計算結(jié)H2S、焦油以外,均以H2析出。果列表見表3。8)進入的總氧量,除生成H2O(熱解)、CO2和焦油表3綜合計算結(jié)果列表外,均轉(zhuǎn)化為CO。干餾氣組分氣化氣組分總和9)根據(jù)實際情況,灰渣中含碳10%。2.2.2氣化階段計算0.1231.063在氣化階段,碳與氣化劑反應(yīng)生成CO、H2、CO2,還0.1543.5有未分解的水蒸氣及N2,一起進入氣化煤氣。列方程、解H40.33425煤氣組分CH40.07750.04775方程:以下方程中的分子式均代表物質(zhì)的摩爾數(shù)。0.4781.44l.9181)生成的CO和CO2量等于進入氣化段的碳量。H2s0.008CO +CO2 =CN27.5222)H2與未分解的水蒸氣之和等于氣化劑中所含水量。H,00.880.76H2+ H20=W干煤氣/kmol14.607式中H2O—未分解的蒸汽量,kmol煤氣產(chǎn)率/(Nm3·kg-1)3.272W—氣化劑帶入的蒸汽量,kmol3)氣化劑中空氣和水蒸氣帶入的氧量等于氣化煤氣中由表3可得固定床氣化氣化指標(biāo),見表4。CO和CO2所含的氧量。23氣化指山中國煤化工CO2+C0=N2+方H2由華亭煤某CNMHG煤氣化氣組分可得氣化指標(biāo)體積比對比,如圖1所示。氣化100kg煤地下式中yN2一空氣帶入的氧量,kmd氣化與地面固定床氣化煤氣組分質(zhì)量對比,如圖2所示。2013年第1期煤炭工程研究探討表4固定床氣化氣化指標(biāo)煤氣組分/%消耗指標(biāo)煤氣產(chǎn)率蒸汽分空氣消耗蒸氣消耗煤耗/H2CH4 CO, N2 C2H4(Nm3·Nm3)(kg·Nm-3)(kg·Nm-3)(Nm3·kg-1)解率/%13.1325.422.297.2851.500.336得到的H2量要小于地下氣化得到的量。地下氣化50一固定爐氣化在C2H4的對比中可以看到,地下氣化與固定床氣化中C2H4的產(chǎn)量是比較接近的。3.2碳轉(zhuǎn)化率對比由實測氣化指標(biāo)可以算出,氣化100kg煤,煤氣中含有的碳元素為而地面固定床氣化100kg煤,可得到的煤氣中含有的碳元素為5.13kmol。即地下氣化的碳元素轉(zhuǎn)化率小于固定床氣化的碳元素轉(zhuǎn)化率。COCHA CO2 N2 C2H424氣化指標(biāo)差異分析產(chǎn)氣指標(biāo)從上述對比中得知,地下氣化與地面氣化產(chǎn)氣指標(biāo)中圖1氣化指標(biāo)體積比對比圖差異最大的是H2、CO、CO2,從H2的對比中可以推測在地下氣化過程中,地下水參與了地下氣化的反應(yīng),導(dǎo)致地下氣化地下氣化H2含量大于地面氣化固定床氣化指標(biāo)?？蓮牡叵職饣跏杖肱c支出證實。氧收入:根據(jù)地下氣化實測數(shù)據(jù)易得,100kg煤氣化能得到207kmol一氧化碳與231kmol二氧化碳,而同時生成這么多的一氧化碳與二氧化碳需要3345kmol氧氣。氧支出:煤中含有氧0.41kmol(由于地下氣化生成焦油中所含氧太低,可以忽略其消耗的氧),氣化劑中含氧H2 C0 CH4 CO2 N2 C2H4191kmo,水蒸氣分解得到的氧為0.83kmol?？傃趿繛楫a(chǎn)氣指標(biāo)3. 15kmol圖2氣化指標(biāo)質(zhì)量對比圖可以看出,氧元素收支不平衡,支出項比收入項多從圖1與圖2中可以直觀地看到,無論是體積比還是0.195kmol氧,地下氣化是在密閉的空間中進行的,所以這質(zhì)量比(N2不參與對比),固定床氣化爐氣化指標(biāo)中的Co部分氧很可能是通過地下水的分解來補充的比例都遠(yuǎn)大于地下氣化,而地下氣化的CO2產(chǎn)出量要遠(yuǎn)大氣化過程中地下水不斷流入氣化爐內(nèi),吸熱變成水蒸氣,將影響爐內(nèi)的溫度場。地下氣化爐中反應(yīng)的穩(wěn)定性與于固定床氣化爐。圖1中固定床氣化指標(biāo)中H2的體積比要大于在地下氣化指標(biāo)中的體積比,圖2中這種關(guān)系不太明理想的溫度場密切相關(guān)。兩階段煤炭地下氣化工藝:第顯,需要進一步的計算。由于甲烷和乙烯在煤氣中的含量階段煤層發(fā)生燃燒,放出大量的熱,并積蓄在煤層中,爐較少,圖1、圖2中的差異也并不明顯,同樣需要通過計算內(nèi)溫度逐步上升,產(chǎn)生理想的溫度場。第二階段將主要發(fā)生還原反應(yīng),只有第一階段產(chǎn)生足夠量的熱能以后,第進一步對比二階段才能順利進行,地下水對溫度場的改變將導(dǎo)致在第2.3.1氫氣、甲烷、乙烯質(zhì)量對比通過計算可得出,氣化100kg煤地下氣化與地面氣化二階段過程中碳向二氧化碳、一氧化碳向二氧化碳的轉(zhuǎn)變占優(yōu)勢,而二氧化碳向一氧化碳的轉(zhuǎn)變占劣勢。這也解釋煤氣中H2、CH4、C2H質(zhì)量對比,見表5。了為什么地下氣化產(chǎn)出的CO2量遠(yuǎn)大于固定床氣化產(chǎn)出量。表5H2、CH4、C2H質(zhì)量對比CHCH43結(jié)論地下氣化5.821.291)等量的煤進行氣化,地面固定床氣化所得H2、CO2固定床氣化3.78量要小于地中國煤化工固定床氣化所得CO、CH4的CNMHG量,氣化指標(biāo)體從表5可得出,氣化相同質(zhì)量的煤,固定床氣化所得積比對比中呈現(xiàn)相同趨勢。高熱值氣體CH4的量大于地下氣化所得量,而固定床氣化(下轉(zhuǎn)第104頁)研究探討煤炭工程2013年第1期結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。度以及測試結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)。6)把氧氣袋中甲烷濃度配置為025%,重復(fù)步驟五的7)對以上得到的數(shù)據(jù)進行處理。對相同濃度得到的不實驗操作,實驗條件和操作過程與上步相同,記錄爐膛溫同結(jié)果取其平均數(shù)。表3測試數(shù)據(jù)3采樣編號5爐膛溫度/℃測試結(jié)果甲烷濃度/%0.250.250.20.250.2500.140.073測試數(shù)據(jù)分析在750℃左右時即開始被氧化,甲烷濃度逐漸降低,且在800℃左右時能被完全氧化。極低濃度甲烷在高溫的條件下能夠被逐漸氧化,其濃度3)進氣口甲烷的濃度對甲烷的氧化率有一定影響,隨逐漸降低。且極低濃度甲烷被氧化的溫度,與其濃度有關(guān),著甲烷濃度的降低,甲烷的轉(zhuǎn)化率逐漸降低,甲烷濃度越低,甲烷氧化所需的溫度越高。在溫度一定時,該實驗的成功可以為以后乏風(fēng)的利用提供依據(jù),根據(jù)人口甲烷濃度對甲烷轉(zhuǎn)化有一定的影響,隨著甲烷濃度的降乏風(fēng)中甲烷濃度的高低來設(shè)置爐膛溫度,既可以滿足甲烷低,甲烷轉(zhuǎn)化率逐漸降低。提高溫度可以解決這一問題,因燃燒的條件,又可以減少能源的損耗。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)此該氧化方法可以適用于甲烷濃度波動較大的礦井通風(fēng)瓦斯口處氣體的流速對甲烷的氧化率有很大的影響,對此將等超低熱值燃料。測試數(shù)據(jù)折線圖如圖2所示需進行深入的分析研究。該實驗的進行為以后研究氣一固混合兩相燃燒提供了依據(jù),為以后乏風(fēng)的合理應(yīng)用提供了濃濃濃基礎(chǔ)和方向。影04參考文獻(xiàn):[]王鑫陽,杜金.濃度低于1%的礦井瓦斯氧化技術(shù)現(xiàn)狀及0600700720740760780前景[J].煤炭技術(shù),2008,(9):1-2.溫度/t[2]王鑫陽,礦井乏風(fēng)回收利用技術(shù)研究[D].阜新:遼寧工圖2測試數(shù)據(jù)折線圖程技術(shù)大學(xué),2008,(06)[3]馬熹焱,齊慶杰.燃用超低濃度瓦斯燃?xì)廨啓C的特性研究從圖2中可以看出:①隨著溫度的升高,氣體的燃燒[打].能源與環(huán)境,2009,(2):27~28速度明顯的加快,燃燒速度與溫度成指數(shù)關(guān)系;②當(dāng)燃燒[4]張新華.對我國煤礦瓦斯利用技術(shù)研究及探討[冂.科技爐膛的溫度維持在800℃以上時,礦井通風(fēng)瓦斯可以近乎完信息,2008,(23):309全的被氧化;③當(dāng)溫度低于740℃時,無論通入的甲烷濃度5]陳宜亮,馬曉鐘,魏化興煤礦通風(fēng)瓦斯氧化技術(shù)及氧化熱多高,都不發(fā)生氧化,這與甲烷的自身化學(xué)性質(zhì)相符。利用方式[門].中國煤層氣,2007,(4):27~30.[6]劉文革,韓甲業(yè),趙國泉.我國礦井通風(fēng)瓦斯利用潛力及經(jīng)4結(jié)論濟型分析[門].中國煤層氣,2009,(3):3~81)極低濃度甲烷在一定溫度下能夠被逐漸氧化。氧化7崔榮國國內(nèi)外媒層氣開發(fā)利用現(xiàn)狀[口J,國土資源情報2005,(11):22~26所需的溫度與其濃度有關(guān),一般條件下,甲烷濃度越高則氧[8]張昌建,耿林,袁常升,等.淺談?chuàng)綗簩託?瓦斯)燃化所需的溫度越低;甲烷濃度越低,氧化所需的溫度越高。煤鍋爐的改造設(shè)計[J].煤炭工程,2011,(1):17-12)根據(jù)實驗研究得出極低濃度甲烷在鍋爐爐膛中應(yīng)該(責(zé)任編輯趙巧芝)(上接第101頁2)地面固定床氣化碳進入煤氣的轉(zhuǎn)化率要高于地下氣[3]寇公.煤炭氣化工程(第一版)[M].北京:機械工業(yè)出化碳的轉(zhuǎn)化率。版社,1992.3)推測地下氣化過程中,地下水參與了反應(yīng),使反應(yīng)4]黃溫鋼,王作棠,段天宏,等華亭煤空氣、富氧及純氧地過程中碳向二氧化碳的轉(zhuǎn)變占優(yōu)勢,從而比固定床氣化產(chǎn)下氣化特性研究[J].潔凈煤技術(shù),2011,(3):71-78生更多的CO2。[5] WANG Zuo-tang, HUANG Wen-gang, ZHANG Pengetal. A contrast study on different agents of underground coal參考文獻(xiàn):[1]郭冠龍,滑懷田.淺析煤炭氣化技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].陜SCIENCE中國煤化工 RNAL OF COAL181-186西煤炭,2011,(4):115-116CNMHG炭地下氣化工藝的[2]陳菊枝,洪獻(xiàn)春.煤炭氣化技術(shù)[J].化學(xué)工程與裝備,實驗研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1996,(2):17-192011,(4):110-11l(責(zé)任編輯郭繼圣)