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第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY site selection; geological factor 煤炭地下气化Underground Coal Gasification， 简称 UCG的概念首先由德国科学家威廉西蒙斯于 1868 年提出[1]。煤炭地下气化是将高分子煤在地下 原位用气化剂使煤部分燃烧转变为煤气[2]，并且通 过管道输送到地面的化学采煤方法，煤气可用于工 业加热、发电或制造氢、合成天然气或柴油[3]。这 种工艺将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，被 誉为第二代采煤方法[4]。从现有技术来看，煤炭地 下气化技术是解决城市、工业、交通压力，开发高 瓦斯、高突出、高含硫及深部煤层，实现煤炭绿色 开采[5]的有效可行办法。 前苏联数个 UCG 工厂长期 生产其中库兹涅茨克工厂持续了 26 a，莫斯科工 厂持续了 15 a， 乌兹别克斯坦工厂从 1965 年至今仍 在运行[6]。英国、美国、德国、法国等许多国家相 继投入了大量的人力和物力进行研究和试验，取得 丰硕成果[7]。我国首个煤炭地下气化炉在江苏徐州 ChaoXing 第 2 期 韩磊等 煤炭地下气化炉选址的地质影响因素 45 马庄煤矿投入生产，此后在河北、黑龙江、河南、 山东、山西、重庆、内蒙古和贵州等省、直辖市都 开展过现场半工业性工业性试验[8-9]。但是试验过 程中存在诸多问题，如泰安孙村矿点火后一个月才 逐渐产气；贵州气化炉在点火成功之后，地下水通 过断层涌入其中。上述问题多因为气化炉选址时地 质因素认识不清所致。气化炉选址是煤炭地下气化 能否成功的先决条件，决定着气化炉型和气化工艺 的选择、气化过程的安全性以及气化效益，因此， 分析影响煤炭地下气化的地质因素对煤炭地下成功 气化具有重要意义。 1 煤炭地下气化原理 煤炭地下气化与地面气化处于不同环境条件， 运用不同气化工艺和相同原理产出煤气[4]。如图 1 所示，煤炭地下气化范围包括进气孔和出气孔之间 的煤层，将气化通道进气孔一端煤层点燃，从进气 孔送入气化剂，在出气孔可以获得 H2、CO2、CO、 N2、 CH4、 焦油化合物以及颗粒煤尘、 灰和炭等[10]。 按气化温度和化学反应条件不同，将气化通道分成 3 带，即氧化带、还原带、干馏干燥带[11]。 图 1 煤炭地下气化原理图[4] Fig.1 Principle of underground coal gasification 在氧化带，煤与气化剂发生氧化反应产生大量 的热，并通过热辐射等方式将热量传递给还原带和 干燥干馏带。O2在气化通道中与煤发生剧烈反应， 迅速消耗氧气，所以氧化带长度一般比较短[12]。在 氧化区发生如下反应 C＋O2 CO2 ΔH＋393 1 2C＋O2 2CO ΔH＋231.4 2 式中 ΔH 为产生的热量，kJ/mol，正号“”表示放 热，产生热量。 在还原带，CO2和炽热的煤相遇，在高温作 用下发生反应产生 CO， 同时煤与水蒸汽相遇生成 CO 和 H2，并在煤中无机质催化和高压作用下产 生甲烷[13]，此过程为吸热反应。随着反应的进行还 原带温度迅速降低，当温度降低到不能再进行还原 反应时则结束[14]。还原带发生的热化学反应如下 C＋CO2 2CO ΔH－162.4 kJ/mol 3 H2O＋C H2CO ΔH－131.5 kJ/mol 4 C＋2H2 CH4 ΔH－74.81 kJ/mol 5 式中 负号“–”表示吸热，热量减少。 在干燥干馏带，经过还原带的吸热作用之后， 残余的气化剂和煤气进入到干燥干馏带，其携带的 热量使煤被加热并发生一系列变化，煤中的挥发分 析出，主要成分是甲烷。 2 地质影响因素 2.1 煤 级 不同煤级煤的地下气化效果不一。褐煤被认为 最适合气化，煤层内部较发育的孔裂隙有利于高温 气流通过，且水分较高，水在高温下分解产生 H2 增加热值并且提高反应活性。褐煤在地下气化过程 中，通过注入地下气化废水，可以不同程度地提高 煤气产率和炭转化率[15]。 褐煤采用 O2/CO2气化工艺 时能够抑制地下气化过程中 CO2的生成[16]，增加有 用组分，且有利于温度场向垂直方向推进[17]，从而 提高煤层气化率和煤气产量。 对于烟煤，尤其是黏结性强的烟煤，在地下气 化过程中会分泌胶质物质使得煤粒黏结，不利于气 化。在这种情况下，可以使用低温氧化破黏方法， 析出的 CO 含量随着破黏时间的增加而增加[18]。不 同变质程度的烟煤需要采用不同的气化剂焦煤的 富氧水蒸汽地下气化时，氧气的最佳体积分数是 60，此时气化效率可达 80左右，但是气化通道 煤壁上附着的胶质和煤灰会阻碍气化区域向垂直气 化通道方向扩展[19]；气煤选用富氧水蒸汽地下气化 时， 水蒸汽与氧气比为 1.52 时可以获得合格的合成 氨原料气[20]；瘦煤采用富氧地下气化，当氧气体积 分数大于 80时，流态产物中 CO 和 H2体积分数为 5665， 生产的煤气是合格的化工合成原料气[21]； 气肥煤采用盲孔地下气化，在富氧条件下可以显著 提高气化煤层的温度， 但出口煤气的质量并没有得到 显著提升[22]。鄂庄气肥煤矿采用多孔炉增产工艺， 最高日产煤气量达 2 万 m3， 平均日产煤气量 1 万 m3， 平均热值达 6.68 MJ/m3[23]。 相对褐煤和烟煤，无烟煤具有更高的固定碳含 量，其反应活性较低、机械强度大、渗透性差，导 致无烟煤地下气化难度相对较大。尽管如此，对于 煤矿井下难以开采或开采经济性、安全性较差的薄 煤层、高硫煤及深部无烟煤，都可以采用地下气化 技术进行开采[24]。采用富氧水蒸汽气化工艺，当水 ChaoXing 46 煤田地质与勘探 第 47 卷 蒸汽和氧气体积比控制在 0.5∶1 左右时，可维持无 烟煤气化区具有合适的反应温度，并获得较好的煤 气组分[23]。采用富氧地下气化工艺时，当氧气体积 分数在 80左右时，H2、CH4、CO 体积分数总和大 于 60； 当氧气体积分数大于 80时， 氧气会和 CO 发生反应影响气化效率[25]。 同时，当煤中含有 Fe2O3等矿物质时，对气化过 程具有强烈的催化作用，有利于气化效益的增加[26]。 煤在气化时产生的灰分会附着在煤层表面，阻碍煤 与气化剂的接触而降低气化反应速率，灰分产率为 1025煤层有利于地下气化持续进行[27]。 2.2 煤层赋存条件 ① 煤层厚度 煤层厚度对于温度场的建立影响较大。煤炭地 下气化热影响范围约 35 m[28]。在 1001 000℃内， 随温度升高岩体粉砂岩、泥岩、细砂岩、粗砂岩、 砂质泥岩比热容及导热系数呈现下降趋势[29]，但当 煤层太薄时热量将会被围岩吸收， 使气化盘区温度上 升缓慢。泰安孙村矿煤炭地下气化炉中煤厚 1.8 m， 在气化炉点火后 1 个月时间内，温度场建立缓慢，平 均升温速率为 6.2℃/d[30]； 唐山刘庄煤炭地下气化炉中 煤厚 2.5 m 左右，从点火到产气时间约为 81 h[31]。 一般而言，地下气化的褐煤厚度需要大于 2 m、 烟煤及无烟煤至少大于 0.8 m[32]。除了煤层总厚度 要达到一定要求外，夹矸层厚度不能超过煤厚的 50，矸石单层厚度应在 0.5 m 之内[33]。厚煤层本 身不仅可以减少热量的散失，在气化过程中产生的 灰渣层也起到了隔热的作用，大大降低了高温向底 板方向的传热[34]。厚煤层生成的煤气热值高，但是 丢煤却较多，导致煤的气化率降低[35]。 ② 煤层倾角 煤层按倾角分类，可分为缓倾斜煤层825、 中倾斜煤层2545和急倾斜煤层45。实践表 明，煤层产状对地下气化过程及煤气质量具有重要 影响[36]。相对于急倾斜煤层而言，倾斜煤层提供的 渗流燃烧气化条件较差，而且其氧化区和还原区长 度都比急倾斜煤层小，影响煤气质量。对于气肥煤 层，设定倾角为 45，采用脉动气化、水蒸汽气化、 富氧水蒸汽气化、返流气化时，平均热值分别为 3.97、12.15、9.5、4.8 MJ/m3[37]。缓倾斜煤层与倾斜 煤层一样，煤层难以垮落，难以形成良好的渗流燃 烧环境，CO2在一个反应工作面无法被完全还原， 水蒸汽难以被完全分解。泰安孙村矿煤层倾角为 25，采用空气连续气化产生的煤气热值在 4 MJ/m3 以上，脉动两阶段气化可以获得热值在 9.6 MJ/m3 以上的煤气[30]。 与倾斜、缓倾斜或近水平煤层相比，急倾斜煤 层的特点是煤层厚度相较于煤层斜高和走向长度要 小，气化过程中在干馏煤气突出压力、膨胀应力和 重力的作用下，新鲜煤发生破裂并落入气化区，形 成具有大孔隙率的渗流通道[38]；且急倾斜煤层燃烧 后形成的灰渣在自重作用下，自动掉落气化底面， 为地下气化的深入进行创造了有利条件[39]。但是当 倾角过大，采用常规手段难以达到有效气化，煤层 倾角小于 70有利于气化效益的增加[40]。 ③ 煤层埋深 随煤层埋深的增加，地层压力增大，导致围 岩孔裂隙和渗透性降低，增加了煤炭地下气化炉 的密封性，可有效减少气化剂和煤气的漏失[35]。 深部煤炭地下气化可以采用较高的气化压力，气 化区高压有利于炭的直接氢化，促使煤气组分中 甲烷含量增加，煤气热值提高，同时不易污染地 下水且有利于工艺控制[41]。但是，随着煤层埋深 的增加，煤炭地下气化对技术设备和地质勘探等 要求也大大增高。 目前，我国煤炭地下气化技术主要在浅部煤层 中开展，深度多为 200300 m[41]。欧洲国家，如英 国、德国、法国、比利时、荷兰、西班牙等，深度 1 000 m 以下和北海海底煤炭储量很大， 地下气化试 验以中–深部煤层为主[42]。 综合分析可知， 煤炭地下 气化理想的煤层深度为 3002 000 m[40]。 2.3 地下水 地下水污染被认为是煤炭地下气化最为严重的 潜在环境风险[43]。在气化过程中，一些气体产物顺 着围岩裂缝渗透到周围地层；气化结束之后，由于 导水破裂带贯通或者顶板冒落导致地下水涌入气化 区，残留的灰分被浸出，导致地下水 pH 值和许多 无机物质浓度增加[44]。 煤炭地下气化造成的污染物可以分成 2 类一 类是铝、砷、硼、铁、锌、硒、氢氧化物和一些放 射性物质的无机污染物；另一类是苯、萘、酚、多 环芳烃等有机污染物[45]。煤种、温度、气化剂、压 力、浸出时间、pH 值等因素会改变污染物的含量及 其种类[43,45-46]。 地下水污染风险在很大程度上取决于煤层顶底 板岩层的封闭性及稳定性，煤层的低渗透性和围岩 的吸附性会阻止或降低污染物向周围扩散[47]。 另外， 可以通过科学选址、气化钻孔封闭、气化过程中控 制污染物逃逸、气化燃空区污染物处理等措施，降 低地下水污染的风险或避免污染[45]。 ChaoXing 第 2 期 韩磊等 煤炭地下气化炉选址的地质影响因素 47 2.4 围 岩 在煤炭地下气化过程中，气化工作面一直在向 前推移，气化过程难以控制，导致地下气化温度场 处于动态变化过程。岩石的力学性质强度、弹性模 量、泊松比等在高温下发生复杂变化，是温度的变 函数[48]。就弹性模量而言，砂岩、泥岩和石灰岩在 升温过程中会发生相似变化，在 400℃左右存在一 个临界温度点超过这一临界点，岩石的弹性模量 发生剧烈改变[49-51]。岩石力学参数的改变使地下气 化炉围岩更加容易被破坏。砂岩在超过临界温度 400℃ 之后，发生破裂所需要的应变量随着温度的增加逐 渐减小。当这些裂隙扩展形成有效裂隙，围岩渗透 率会随之增加， 燃空区覆岩将形成垮落带与断裂带。 当垮落带和断裂带导通含水层时，地下水会贯入气 化区，浇灭气化炉，同时煤气也可能沿着破裂带漏 失甚至溢出地表污染环境[52]。燃空区覆岩的垮落还 会造成地表沉降，危害地表建筑物，如华亭马蹄沟 煤矿地下气化采区[35]。 2.5 地质构造 煤炭地下气化炉选址需要避开断层多、结构复 杂的煤层，在连续煤层内可以允许存在断层[20]，但 断层规模不能太大，否则气化过程中导水裂隙带可 能连通断层，导致地下水涌入气化区而中断气化进 程；断层太大同样容易造成煤气泄漏，使得气化效 率降低，减小煤气热值；位于燃空区上方的断层， 可能随着工作面的推移以及燃空区的扩大造成顶板 坍塌。气化范围内煤层的褶皱起伏不宜超过煤层厚 度的一半[32]，过大的起伏不利于气化剂的流通和燃 空区的稳定性， 对煤炭地下气化过程产生不利影响。 岩浆的侵入影响煤层稳定性。侵入煤层的岩浆 将煤层切割、穿插、蚕食或吞蚀，改变了煤层的原 貌， 降低了煤层质量和煤层稳定性[34]。 由于岩浆热、 挥发性气体和压力的影响，煤会发生岩浆热变质作 用[53]。受到变质作用的影响，煤的灰分含量会有所 增加，挥发分产率降低，甚至在某些部位形成天然 焦，使可气化煤层有效厚度减小。所以在进行气化 炉选址时应避免受岩浆侵入影响严重的煤层。 2.6 地下微生物 岩性变化使地层中微生物的分布发生变化[54]。 微生物是地下水生态系统生命的主要组成部分，地 下水中污染物为微生物生存提供营养物质，微生物 新陈代谢活动可促使污染物转化为对环境无害的有 机物[55]。但是，微生物对于生存环境要求严格。仅 就温度来说，大部分微生物适宜生存于 20℃左右 的环境[56]，一旦超过临界温度，微生物的原生质胶 体、蛋白质和酶会发生变化，微生物将停止繁衍甚 至死亡[57]。所以，地下气化炉选址应与含水层保持 合适的距离，避免气化炉高温对地层微生物产生影 响，以保护地下生态系统。 3 结 语 煤炭地下气化炉选址时需要考虑的主要地质因 素有煤质、煤级、煤层赋存条件、地下水、围岩、 地质构造和微生物环境。褐煤、弱黏结性且灰分适 中的烟煤适合气化；厚度大于 2 m、倾角小于 70、 埋深在 3002 000 m 的煤层适合进行地下气化。地 下气化炉选址应避开构造复杂区域。气化过程中可 能会造成地下水污染以及围岩破裂引起生产事故和 地表沉陷。地下气化高温会使含水层中的微生物失 去活性，破坏地下水生态平衡。 参考文献 [1] 谢明忠. 冀北榆树沟煤矿区褐煤地下气化地质条件分析[J]. 中国煤炭地质，2008，2029–11. 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