第32卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol. 32 No.12009年1月COAL CONVERSIONJan, 2009褐煤地下氣化特性的實驗研究李文軍”劉麗麗2)梁新星3)梁杰”王偉5)摘要分別以富氧和富氧-水蒸氣為氣化介質(zhì)，進(jìn)行了大雁褐煤的地下氣化模型實驗.研究了鼓風(fēng)量和汽氧比對煤氣組成、氣化穩(wěn)定性以及煤層氣化速率的影響，并進(jìn)行了富氧-水蒸氣地下氣化過程的物料衡算.實驗結(jié)果表明,通過采取合適的氣化參數(shù),大雁褐煤的地下氣化過程可以穩(wěn)定進(jìn)行.關(guān)鍵詞褐煤,地下氣化,汽氧比， 氣化迷率中圖分類號TD841模型實驗,揭示了褐煤地下氣化的基本特征和溫度0引言場發(fā)展規(guī)律,獲得了大雁褐煤地下氣化工藝參數(shù).褐煤地下氣化具有較高的可控性和穩(wěn)定性,是最適宜我國褐煤資源儲量豐富,僅內(nèi)蒙古東部的褐煤地下氣化開采的煤種.儲量就達(dá)1000多億t,但由于褐煤灰分和水分高、1大雁褐煤煤質(zhì)特征和理想氣化參數(shù)發(fā)熱量低.易風(fēng)化和自燃、難于洗選和儲存以及同時的計算伴生著軟巖頂板等特點，褐煤的開采和利用受到了很大的限制.煤炭地下氣化是從根本上解決傳統(tǒng)煤.1.1大雁褐煤煤質(zhì)特 征炭開采和使用方式存在的一系列技術(shù)、安全和環(huán)境問題的重要途徑.川將褐煤直接在地下氣化成可以將大雁送來的煤樣送國家煤炭質(zhì)量檢驗中心進(jìn)綜合利用的煤氣,煤氣用于民用、發(fā)電、提取純氫或行全面分析化驗,化驗項目有:工業(yè)分析、元素分析、作為合成甲醇、二甲醚、柴油、汽油等原料氣,將會開全水分、發(fā)熱量、全硫及硫形態(tài)分布、灰熔融性、灰成創(chuàng)一個褐煤利用的新前景.前蘇聯(lián).美國對褐煤地下分分析、結(jié)渣性、CO2反應(yīng)性、黏結(jié)性、抗碎強(qiáng)度和氣化進(jìn)行了大量的實驗研究.兇我國對褐煤地下氣熱穩(wěn)定性等.表1和表2為實驗煤樣煤質(zhì)工業(yè)分析、化研究較少,為此對內(nèi)蒙古大雁褐煤地下氣化進(jìn)行元素分析和灰成分結(jié)果.表1大雁褐煤的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Dayan ligniteProximage analysis/%"Ulimate analysi/%"Qra/.CarHarOalNa .SudM MuAu VaCRC/1-8(M].kg-).88.31.0.06 0.00 0.4231.6 23. 114.27* Percent of weight.表2大膗煤灰成分(%* )低;焦渣特征指數(shù)顯示煤樣受熱時無黏結(jié)和膨脹,實Table 2 Residue compositions of Dayan lignite(%* )驗結(jié)果也證明了這一點;含硫中等,硫形態(tài)主要是有SiO2 Al2O Fe2O% CaO MgO TiO2 SO, KzO機(jī)硫;灰組成中對煤的氣化反應(yīng)有催化作用的68.37 16.43 1. 851.79 0.40 1.66 2.25 3.89K2O,Na2O,CaO含量較高,灰熔融性溫度中等,因灰分高,故煤樣具有較強(qiáng)的結(jié)渣性;CO2反應(yīng)活性大雁煤基本煤質(zhì)特征是:全水分含量較高,內(nèi)在較高.抗碎強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性化驗結(jié)果均高于褐煤的水分含量中等,揮發(fā)分高,灰分高,燃點低,發(fā)熱量較一般指標(biāo)范圍,而發(fā)熱量化驗結(jié)果要低于褐煤的一-●國家自然科學(xué)基金資助項日(<50574096).1)博士生:2)碩士生,中國ot業(yè)大學(xué).100083北京:3) 工程師，新奧氣化采煤有限公司,065001河北廊坊14) 教授.博士生導(dǎo)師,新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,271233山東秦安;5) 工程師,中石化勝利油田東辛采油廠,257049 山東東營收福H期:2008-09-23;您回日期:2008-10-28第1期李文軍等褐煤地 下氣化特性的實驗研究21般指標(biāo)范圍.從分析結(jié)果可知,大雁煤屬高煤化程度氣化爐體;模型氣化爐內(nèi)膛尺寸長4.45 m,寬褐煤,是較好的地下氣化用煤.1.17 m,高1.57 m.外設(shè)耐層、保溫層、鋼板密封層1.2理想氣化 參數(shù)計算和鋼筋混凝土承壓層.爐體上設(shè)4個進(jìn)(出)氣孔.19氣化過程的物料衡算，主要用來預(yù)測出口煤氣個溫度測量孔、4個燃空區(qū)、燃燒狀態(tài)觀測孔和6個的組分及熱值.從理論上講,應(yīng)對參加反應(yīng)的每個元壓力測點.它具有三方面功能:1)可以模擬不同煤素進(jìn)行平衡,而這樣會使計算非常復(fù)雜.因此,本計質(zhì)、煤層傾角、煤層厚度和煤層深度的地下氣化過算主要對幾個重要的元素進(jìn)行平衡,采用半理論計程;2)可以進(jìn)行不同氣化工藝如:正反向鼓風(fēng)、輔助算法.計算以實驗氣化用煤量及煤質(zhì)分析指標(biāo)為依孔供風(fēng)、壓抽相結(jié)合等氣化工藝的實驗;3)可進(jìn)行不同氣化爐結(jié)構(gòu)參數(shù)的實驗.模擬煤層和氣化爐結(jié)構(gòu)據(jù),具體步驟如下:1)綜合計算法求得氣化煤量中干餾煤氣的數(shù)量.示意圖見圖1,氣化盤區(qū)(煤層)尺寸為4 mX1.1 mX0.5 m,傾角17° ,共裝煤2448. 76 kg.2)氣化過程物料平衡方程:碳平衡方程n(CO) +n(CO2)=n(C)氫平衡方程n(H2)+n(H2O)=n(W).: ./..: :.......氧平衡方程2n(CO2)+n(CO)=2n(O2)+n(H2)..● .........平衡常數(shù)方程Kp=。 n(CO)n(H2O)n(CO2 )n(H2)式中:n(CO) ,n(CO2),n(H2),m(H2O)分別為氣化圖1 模擬煤層和氣化爐結(jié)構(gòu)煤氣中一氧化碳、二氧化碳、氫氣和水蒸氣的量，F(xiàn)ig. 1 Simulated coal seam and gasification structurekmol;n(W)為進(jìn)入氣化區(qū)的水蒸氣量, kmol;n(O2)1一Inlet hole;2.3-. Assistant hole;4-- -Outlet hole;為進(jìn)入氣化區(qū)的氧氣量, kmol;n(C)為氣化區(qū)的碳5- -Gaging temperature;6-- Gasification量,kmol;K,為經(jīng)驗常數(shù),對已有煤炭地下氣化組channel;7- Flow channel分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,表明K。為2.10~2. 26,本次計算氣化劑供給系統(tǒng):包括供風(fēng)、供氧和水蒸氣發(fā)生取2.25.系統(tǒng).供風(fēng)采用空氣壓縮機(jī),氧氣由氧氣瓶提供,水將上述方程聯(lián)解即得氣化煤氣的數(shù)量,將干餾蒸氣制備采用ZFQ- B型醫(yī)用水蒸氣發(fā)生器.煤氣量和氣化煤氣量加和，則可得到煤氣的組分和檢測系統(tǒng):流量測量采用渦輪流量計測量;進(jìn)出熱值.計算中假定在確定的范圍內(nèi)干餾煤氣貯量的口及爐體采用PT200壓力變送器顯示;煤層溫度測20%進(jìn)人氣化通道.根據(jù)上述物料平衡項目,編程計量采用鎳鉻鎳硅熱電偶、datataker溫度采集器及算,可得模型實驗的計算結(jié)果(見表3).由表3可以detranfer ver2. 0采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,共布置85表3理論計算結(jié)果(%')個溫度測點;煤氣組分采用北京分析儀器廠GC-Table 3 Result of theoretical calculation and the3420型氣相色譜儀分析,通過色譜工作站進(jìn)人上位oxygen/steam model test (%*)機(jī).所有參數(shù)采用計算機(jī)在線采集、貯存、顯示、打印.Gas compositionH2CO CH4 CO2N和分析.Theoretical43.92 27.20 2.71 22.13 0. 47Model test39.55 22,74 3. 8532. 421.712.2實驗方法。Percent of weight.在氣化通道進(jìn)氣側(cè)用電阻絲點火,鼓人空氣或看出,物料衡算結(jié)果基本可以用來預(yù)測煤氣組分,但少量氧氣預(yù)熱氣化爐,之后鼓入富氧使氣化爐升溫.所得結(jié)果中H2與CO量較實驗值偏高,這主要是待氣化爐形成高溫溫度場后,先進(jìn)行富氧連續(xù)氣化因為經(jīng)驗常數(shù)K。的選取與實際值存在一定的偏過程實驗,在不同供氧速率條件下,研究出口煤氣組差,同時在物料平衡時考慮了其中的重要元素,而忽分的變化規(guī)律;然后進(jìn)行富氧~水蒸氣連續(xù)氣化實略了其他元素.驗,按不同比例同時鼓入氧氣和水蒸氣,研究其各種2實驗部分工藝參數(shù)的變化規(guī)律.在不同氣化工藝條件下的不同氣化時刻，記錄氣化煤層溫度場、煤氣組分及操作2.1實驗 系統(tǒng)參數(shù),并根據(jù)煤氣組分及溫度場的變化,及時調(diào)整氣2煤炭轉(zhuǎn)化2009年化工藝,以獲得合格煤氣.3富氧連續(xù)氣化褐煤含水較高,首先進(jìn)行富氧氣化實驗,研究最佳鼓氧量和穩(wěn)定氣化工藝參數(shù).Time/h圖3富氧連續(xù)氣化過程煤氣有效組分的變化3.1供O,量的影響Fig.3 Change of gas composition in continuous富氧氣化階段的鼓氧量直接影響煤氣的組分，oxygen gasification process因此，在富氧氣化階段應(yīng)該根據(jù)煤種的不同調(diào)整鼓◆-H;■- -CO,▲- CH氧量,以達(dá)到產(chǎn)生合格煤氣的目的.CO,H2和CO2:對于保持地下氣化的煤氣的熱值是非常有意義的，隨著鼓氧量變化的含量見圖2.由圖2可以看出，但隨著氣化過程的進(jìn)行,煤層中水分的蒸發(fā),H2含量呈下降趨勢;CO含量相對較低,反之CO2的含量比較高,這主要是由于褐煤含氧量高,且大部分是以含氧官能團(tuán)的形式存在的55，這些含氧官能團(tuán)以酚羥基(- -OH) 為主,其次是羧基(-COOH)、羰基10(一CO)及甲氧基(- -OCH2).因此,在反應(yīng)的開始0蓄熱階段鼓人了大量的氧氣,溫度迅速升高(達(dá)到Velocity of 021 (m'h)1 600 "C),煤氣組分中CO2的含量較大,煤氣熱值圖2煤氣組分隨著鼓氧量的變化趨勢因此受到了影響.富氧氣化階段,氣化爐屬于蓄熱階Fig.2 Change gas composition with velocity of O2段,同時也是煤的熱解氣化階段，由于褐煤的揮發(fā)分◆一Hz;■C0r▲一-CH.1X- -CO2含量高0,因此在這一階段CH,的含量很大,但隨H2的含量隨著鼓氧量的增加呈現(xiàn)增長的趨勢,但是著反應(yīng)的進(jìn)行,揮發(fā)分含量減少,CH,在煤氣中的當(dāng)氧氣量增加到8 m'/h時,H2含量趨于穩(wěn)定;CO組分呈下降的趨勢.的含量開始時也是隨著鼓氧量的增加而增加，到鼓氧量達(dá)到7.5 m*/b~8 m*/h時,CO的含量達(dá)到最4富氧-水蒸氣連續(xù)氣化大值，隨后隨著鼓氧量的增加，反而呈現(xiàn)下降的趨勢;而CO2含量的變化趨勢卻和CO恰好相反.也當(dāng)煤氣中H2含量下降時，則向爐內(nèi)供人水蒸就是說，鼓氧量的增加雖然有利于溫度的升高和氣氣,進(jìn)行富氧(93%,經(jīng)濟(jì)制氧濃度)-水蒸氣連續(xù)氣化爐的蓄熱,但是當(dāng)氧氣量超過了褐煤的反應(yīng)能力，化實驗,研究最佳汽氧比.會使得氣化爐內(nèi)的氣氛以氧化為主,加之褐煤本身4.1 汽氧比的影響的含氧基團(tuán)高，如果氧氣的鼓入量增加到-定程度,使得溫度大大增加,就會使得含氧基團(tuán)主要以CO2汽氧比是氣化過程中水蒸氣和氧氣的耗量比，的形態(tài)脫落[3] ,從而增加了煤氣中CO2的含量,減它是控制氣化溫度的重要操作條件.隨著汽氧比的少了CO的含量,并最終影響了煤氣的熱值.由圖2增加,氣化溫度將降低,水蒸氣分解率下降，水蒸氣可看出,實驗條件下最佳鼓氧量為8 m*/h,折算到氣耗量增加.因此汽氧比直接會影響到煤氣的組成.不化通道里的最佳流速(常溫、常壓下)為0. 22 m/s.同煤種因其反應(yīng)活性不同,要求不同的反應(yīng)溫度,相應(yīng)地選擇不同的汽氧比.口第23頁圖4為煤氣組分3.2富氧連續(xù)氣化實驗隨著汽氧比的變化趨勢圖.由圖4可以看到,隨著汽根據(jù)圖2,選擇鼓氧量在7.5 m*/h~8 m' /h條氧比的增加,水蒸氣的濃度增加,H2的含量呈現(xiàn)增件下進(jìn)行連續(xù)氣化實驗,圖3是褐煤富氧連續(xù)氣化長的趨勢.但是隨著水蒸氣的增加,氣化爐的溫度下26 h的煤氣有效組分變化.由圖3可以看出,由于降,不利于水煤氣的反應(yīng)和CO2的還原反應(yīng),因此褐煤的水分含量一般為20%~50%[4J,因此反應(yīng)一煤氣中CO的含量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢,而CO2開始,H2的含量就比較高,最高點達(dá)到了38%,這的含量卻呈現(xiàn)出先減后增的趨勢.但是不同的煤種第1期李文軍等褐煤地下氣化特 性的實驗研究235氣化速率在煤炭地下氣化過程中，了解地下煤氣發(fā)生爐12.03.0中煤的燃燒氣化狀態(tài),尤其是火焰工作面移動位置Stean/oxygen ratio/ (m'm")是至關(guān)重要的. [0]} 而煤的氣化速率是正確估計火焰圖4煤氣組分隨汽氧比的變化工作面移動位置的重要依據(jù).氣化速率包括火焰工Fig. 4 Change of gas composition with the作面沿著氣化通道向前移動的速率和煤層的橫向燃H2O(g)/O2 ratio燒速率.◆Hz;0- -C0;▲- CH,:X一- CO2;■ H2 +CO1)水平氣化速率:火焰工作面向前移動的速對應(yīng)的合適的汽氧比不同,因此,根據(jù)不同的煤種選率,可以根據(jù)在不同時刻氣化爐內(nèi)最高溫度點所處;擇合適的汽氧比對于煤氣的組成和熱值有重要的意的位置來確定,即把兩個不同時刻最高溫度點的間義.但是在氣化的第二階段(水蒸氣氣化)CO的含距除以這一段時間內(nèi)的凈鼓風(fēng)時間，就可以算出其量明顯上升,CO2的含量明顯降低,兩者的含量在平均移動速率.圖5給出了火焰工作面沿氣化通道兩種情況下恰好相反,這說明大部分CO2和水蒸氣方向移動速率的變化情況.發(fā)生了還原反應(yīng)，而轉(zhuǎn)化成為CO,從而證明了地下0.06氣化爐在蓄熱方面是非常有效的.; 0.04-4.2煤氣產(chǎn)率和氣化效率及比消耗量煤氣產(chǎn)率是指1 kg原料煤氣化后制得的煤氣量[),干煤氣產(chǎn)率可按下式計算:0.5101520253.03.54.04.5Distance Io the inle/ mv=V圖5水平氣化速率變化曲線式中:V。為干煤氣產(chǎn)率，m'/kg;V,為干煤氣總產(chǎn)Fig.5 Change of gasification velocity in horizontal2)橫向氣化速率:在不同時刻煤層燃燒范圍邊量,m2 ;G。為氣化煤消耗量,kg.在地下氣化模型實驗中,根據(jù)實際的煤氣產(chǎn)量界的擴(kuò)展速率,就相當(dāng)于煤層的橫向燃燒速率.假定及氣化爐解剖后得到的實際氣化煤量，可以求得地以采集到的800 C以上的煤層溫度為基準(zhǔn),則根據(jù)下氣化的干煤氣產(chǎn)率，由此可進(jìn)一步求得氣化效率，熱電偶測出的不同時刻的溫度場分布情況,可定出即單位重量氣化原料的化學(xué)熱轉(zhuǎn)化為所產(chǎn)生的煤氣每一時刻煤層的燃燒范圍.假設(shè)在燃燒區(qū)邊界處,兩個熱電偶間的溫度分布為線性的.如果燃燒區(qū)域內(nèi)化學(xué)熱的比例.的測點溫度為T(>800"C),區(qū)域外的測點溫度為，=&_V.XHT,(<800 C), 則溫度等于800 C的位置可以用線式中:Q。為氣化煤產(chǎn)生的化學(xué)熱，MJ/kg;V。為干性插值法確定根據(jù)實驗時所測試的溫度數(shù)據(jù),可以煤氣產(chǎn)率,m2/kg;H。為干煤氣的熱值, MJ/m';η計算出在不同時刻,不同位置煤層的燃燒高度800 C為氣化效率,%.等溫線.由此可計算出橫向燃燒速率,即通道擴(kuò)展速大雁褐煤富氧-水蒸氣氣化條件下的煤氣產(chǎn)率、率(見圖6).氣化效率及比消耗量見表4.模型實驗時煤層氣化0.100.08率可達(dá)到81. 98%.裹4大雁煤地下氣化的煤氣產(chǎn)率和氣化效率及比消耗量0.04Table 4 Cas rate,gasification eficiency and ratio0.02 Iconsumption of UCG for Dayan coal0.000.51.01520253.03.54.04.5Gas produeGasificationSpeeific consume amounl/Distance to the inlet/mtion rate/efficieney/(m2.m~")(m'●kg-')902H2O圖6橫向氣化速 率變化曲線1. 3681.980.260.43Fig.6 Change of gasification velocity in extending24煤炭轉(zhuǎn)化2009年計算結(jié)果表明,平均水平及橫向氣化速率分別為1)由于褐煤的特性，將其暴露在空氣中,很容0.404 m/h和0.069 m/h,最大值分別為0.9 m/h和易產(chǎn)生龜裂、自燃且難于儲存,同時長距離運輸高水0.18 m/h.在供風(fēng)點附近,縱向和橫向燃燒速率均分,低熱值的褐煤在經(jīng)濟(jì)上也是不合算的.煤炭地下達(dá)到最大值,這是因為在供風(fēng)點附近,氣流的壓力氣化作為-種潔凈煤技術(shù)對褐煤進(jìn)行就地氣化在經(jīng)大,O2與煤壁的接觸狀態(tài)好,燃燒反應(yīng)劇烈,氣化速濟(jì)及環(huán)境上都是非常有意義的. [10]率最快.在距供風(fēng)點稍遠(yuǎn)處,即氣化煤層的中部,氣2)大雁褐煤富氧(富氧)-水蒸氣地下氣化可以化速率最低.這期間,溫度場相對穩(wěn)定,爐內(nèi)靜壓變獲得合格的化工合成原料氣,H2與CO含量之和穩(wěn)化平緩,氣化反應(yīng)過程趨于均衡,這是爐內(nèi)穩(wěn)定產(chǎn)氣定在56%~65%之間,H2與CO比例在1.5~2. 0階段.隨著氣化過程的進(jìn)行，燃空區(qū)逐漸增大,進(jìn)、出范圍內(nèi),煤氣熱值為8. 3 MJ/m* ~9.5 M]/m'.氣口被燃空區(qū)中空隙或煤灰灰渣層裂隙連通,導(dǎo)致3)大雁褐煤富氧-水蒸氣地下氣化可以連續(xù)穩(wěn)氣流短路,引起還原氣體燃燒,于是提高了出氣口的定進(jìn)行，模型實驗時煤層氣化率可達(dá)到81.98%.溫度,致使煤層燃燒,形成高溫帶.在進(jìn)行反向供風(fēng)4)在氣化過程中,須根據(jù)煤氣組成變化,調(diào)節(jié)實驗后,該段又成為距進(jìn)風(fēng)孔最近的燃燒區(qū),O2充氣化劑中水蒸氣用量或氧氣與水蒸氣比例，使煤氣足,因此這部分煤層燃燒速率增大，導(dǎo)致燃燒速率曲組成中H2與CO比例符合化工原料氣的要求.實線上二度出現(xiàn)峰值.驗結(jié)果表明,水蒸氣與氧氣比例在2:1至1.5: 1范圍內(nèi)調(diào)整為宜.6結(jié)論參考文獻(xiàn)[1]劉淑琴,陳 思,李金剛等, 髹部煤層地下氣化及其運用前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2007 ,30(3)+79-81.[2] 梁杰,劉淑琴,余 力等.煤炭地下氣化過程穩(wěn)定控制方法的研究[].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002 ,31(5) :358-361.[3]朱廷鈺，黃戒介,王 洋等. 煤濫和氣化研究及運用[].煤炭轉(zhuǎn)化1998.21(1);7-14.[4]鄔樹才. 年輕煤固體熱載體低溫f館[].煤炭轉(zhuǎn)化,1998,21(3);51-54.[5]金會心,王 華, 褐煤熱解煤氣的性質(zhì)[J].金屬學(xué)報，2000 .64)4-444.46]楊景標(biāo),蔡寧生,張彥文.催化劑添加量對褐煤焦水熟氣氣化反應(yīng)性的影響[J].燃料化學(xué)學(xué)報.2008 ,36(1);15-22.7] 戢緒國,步學(xué)朋,鄧一英等.煤常壓富氧及純氧固定床氣化的研究[].煤氣與熱力,2005,25(4);9-12.8] 梁杰煤炭地下氣化過程穩(wěn)定性及控制技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002,7.[9]楊蘭和. 急傾斜煤層移動點兩階段地下氣化模型試驗[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2001.,1(5);72-75.10] 李耀娟,田玉璋,于在平.煤炭地下氣化[M].沈陽:東北工學(xué)院出版社,1981-10.EXPERIMENTAL STUDY ON THE CHARACTERISTICS FORUNDERGROUND GASIFICATIONG OF LIGNITELi Wenjun Liu Lili Liang Xinxing”Liang Jie°" and Wang Wei'""(China University of Mining and Technology Beijing ,100083 Beijing; * Xiniao CGM InvestmentCom pany Limited ,065001 Langfang,Hebei; #米Xinwen Coal Mining GroupCor poration Limited ,271233 Taian,Shandong;* * * InformationCenter , Dongrin Oil Recovery Plant ,SINOPEC ShengliOil Field Com pany ,257049 Dongying , Shandong)ABSTRACT With oxygen and oxygen-steam as gasification medium, the model test of un-derground gasification of Dayan lignite were conducted. The studies were focused on the influenceof oxygen blast and steam/ oxygen ratio on the gas composition, gasification stability and rate. Inthe same time, the mass balance of oxygen-steam gasification process was conducted. The resultsshow that the underground gasification of Dayan lignite has high stability form to use suitable pa-rameters.KEY WORDS lignite, underground gasification, steam/ oxygen ratio, gasification rate