煤炭地下气化工艺

本发明涉及矿物的气化，更具体地说是短通道，小断面的煤炭地下气化工艺。

所说的煤炭地下气化是将高分子煤在地下的原地进行不充分燃烧转变成低分子的氢气、一氧化碳和甲烷等可燃气体，再输送到地面上来的化学采煤法，其化学反应与地面水煤气和半水煤气工厂进行的化学过程相近。利用这种工艺方法可用来开采地下深部的煤炭，尤其是适用于废的煤矿井中用巷井法不能开采的薄煤层的开采。

我国的能源结构是以煤炭为主，约占70％左右，我国煤炭开采的方法是以回采率较低的井巷法。用井巷法进行开采被遗弃在地下不能被开采的煤炭资源的数量很大，大的惊人，大约有300亿吨以上。目前，我国煤矿的开采深度已达千米以上，开采煤的成本高。而且建国初期所建的煤矿井，都要相继报废。所以煤炭地下气化工艺是开采深部煤炭和报废矿井中不能用井巷法开采的煤层可行而且有效的方法。这样一来，可以使报废矿井的井上和地下的设备得到充分利用。由于避免了煤炭的井工开采与运输，极大地降低了生产成本，消除了煤炭开采的安全事故，因而具有巨大的经济价值与社会效益。

前苏联在十月革命成功后就进行了煤炭地下气化工艺的研究，至今尚有少量地下气化矿在生产，对煤炭地下气化的研究取得了一些进展。但是，距离商业化生产尚有一定的距离1958年我国亦曾做过煤炭地下的的气化尝试，最近几年又在徐州、唐山等地开展了工业性试验，取得了若干阶段性成果。

有的文献(L.Dockter Underground Coal gasification in TheUnited States-an overview，the 12 th Annual UCG Symposium，1986)报导了“高压富氧鼓风气化工艺”，该工艺是采用单个气化炉运行，鼓入的空气中含有30-50％的氧(氧气由空气分离装置获得)，鼓风机的鼓风压力为15-18公斤/平方厘米，生产出的煤气热值为2.6千大卡/立方米。该工艺的主要缺点是制氧的设备复杂，投资大，产品成本高。另外，由于高压鼓风，泄漏严重，对煤层地质条件要求高，防漏、密闭的工程量大。

中国专利文献CN1121138A介绍了一种矿井长通道大断面的煤炭地下气化工艺，它是在矿井报废煤层中建立长通道、大断面地下气化炉，将矿井遗弃的煤炭直接气化，气化炉进、排气孔位于煤层底部或打倾斜孔沿煤层钻进，其通道长度大于150米，一般为200米，其断面在2.5平方米～4.0平方米之间，一般为4平方米。在气化通道中约相隔10～20米设置一个煤堆，煤堆的断面积占气化通道的1/3～1/2，并设有辅助通道。

这种长通道、大断面煤炭气化工艺采用双炉运行的两阶段气化工艺，两个气化炉交替地分别通入空气产生空气煤气和通入水蒸汽产生水煤气，空气煤气用来烧锅炉产生水蒸气，水煤气就是生产的产品，水煤气的热值为1.0～3.2千大卡/立方米。这种工艺的缺点是水煤气的热值与流量不稳定，不能实现长期稳定的生产。实验结果表明，从空气煤气转换成水煤气后产生的热值由1千大卡/立方米，上升到2.6千大卡/立方米需1.5小时，而转换周期为6～8小时，水煤气转换为空气煤气时，由于气化通道充满水蒸汽，产品的热值骤降至800大卡/立方米，波动很大，严重影响煤气的使用。由于长通道，其辅助设备多，工程量较大，投资大。

长通道、大断面煤炭气化工艺的另一个不足之处还在于通风的风压小，即通风的风速低，低于0.1米/秒时火焰不能前进，有时还后退，形成在一个点上燃烧，而形成空洞引起塌陷，燃烧后的断面只决定于冒落的状态与煤层地质条件有关与原巷道断面无关，而且长通道无法形成分层燃烧的状态，煤层的利用率仅在50％以下。

本发明的目的就在于研究出一种煤炭地下气化的新工艺，克服已有技术中存在的一些缺点，使得易于控制煤层逐层气化，可长期、稳定地产生中等热值的煤气，可以充分利用煤炭资源，减少气化煤层的浪费，降低煤气生产的成本，提高经济效益。

本发明的煤炭地下气化工艺是复合式半水煤气煤炭地下气化工艺，其气化通道的长度为中短气化通道，其截面属于小断面，不用两阶段气化，而采用单一煤层复合燃烧方式，采用含有最佳比例的水蒸汽的空气，使地下气化反应成为空气煤气反应与水煤气反应同时进行的复合过程。

本发明的一种煤炭地下气化工艺，首先将待进行气化的煤层(一般为废弃的煤层)用隔离层将其隔离(一般利用原有的巷道建立)在煤层底部建立一个断面小、长度短的气化通道，在气化通道的一端设有进气管，在气化通道的另一端设有出气管，进气管、出气管与气化通道相通，在气化通道中预留导向煤堆，在接近进气管进入气化通道的入口处依次设置点火器，气化通道的断面为0.21平方米～1.23平方米，气化通道的长为20-56米，这就形成了所说的气化炉，点燃点火器，鼓入适量的空气，使煤层形成燃烧面，当进气管井下进口的温度为900-1200℃时，逐渐通入含有水蒸气的空气，逐步加大空气中水蒸汽的含量直至空气中水蒸汽的含量为5～38％为止，体积百分数，控制风量、风压，获得稳定的半水煤气。当出气管井下出口的温度为800～900℃时，将出气管改作进气管鼓入水蒸汽的含量为5～38％的空气，体积百分数，控制风量、风压；至进气管井下进口的温度为800-900℃时，再从进气管鼓入水蒸汽的含量为5～38％的空气，体积百分数，控制风量、风压，如此反覆进行，实现逐层煤体的气化。

本发明的煤炭地下气化工艺所用的气化通道的施工通常是利用矿井常用的煤巷掘进技术，支护取决于煤层松散程度和地压情况可采用锚杆、砼棚、钢支架支护或混合支护。但是一般均利用报废的矿井现有的设备和支护装置。

利用废弃的煤矿已有的巷道，在煤层(一般为废弃的煤层)用粉煤灰加水泥作为封闭材料形成隔离层13(见图1)，将待进行气化的煤层隔离封闭起来，使可燃的有毒气体不漏出。在煤层底部建立一个小断面，长度短的气化通道4，气化通道4的断面一般为0.21平方米～1.23平方米，又以0.41平方米～0.81平方米为佳。气化通道的长为20～56米，又以长25～55米为好，再以长30～40米长为更佳。在气化通道4的一端设有进气管3，气化通道4的另一端设有出气管6。所说的进气管3、出气管6均是首先钻孔(钻孔的直径为200～300厘米)，再下钢管，形成进气管和出气管，并使进气管、出气管与气化通道相通。

在气化通道中预留导向煤堆5，相邻的两个导向煤堆5之间的距离为4～6米，导向煤堆5的断面是气化通道4断面的0.25～0.3倍。在进气管的地上的进气口和进气管的井下的进气口处设有测量温度的传感器；在出气管的地上出口及出气管的井下出口处也设有测量温度的传感器，用上述的温度传感器测量上述各处的温度，用来控制煤层的气化过程。

在接近进气管3的进入气化通道4的入口处依次设置1～3个点火器，例如设置2-3个点火器，两个相邻的点火器之间的距离为3-4米。所说的点火器是电阻丝或电打火器，电阻丝或电打火器接有电导线，将电导线引到井上。在点火器周围放有易燃物例如易燃的纸、木头、易燃煤及精选的块煤等。所待气化的煤层以倾斜的煤层为好，也就是待气化的煤层与水平面之间的夹角α为10-50°为佳。从进气管3鼓入空气，测量出气管6的井上出气口排出的气体的瓦斯浓度在爆炸极限以下，点燃点火器，使点火器附近的导向煤堆点燃，通入适量的空气，使煤层形成燃烧面(初期的燃烧状态)。当进气管3的井下进口的温度为900～1200℃时，逐渐通入含有水蒸汽的空气，随着燃烧面向前推进将预留的导向煤堆点燃，使气化炉达到工作规模，逐步加大空气中水蒸汽的含量，直到空气中含有水蒸汽的含量为5～38％为止，体积百分数。用低压鼓风机鼓风控制风压、风量，所控制的风压为0.08～0.5公斤/平方厘米，又以0.3～0.5公斤/平方厘米为宜，控制的风量为3000-4000立方米/小时。

在生产过程中，气化通道由于冒落堵塞时，可以开动高压风机，用火力贯通的方法打通堵塞，恢复生产。开动高压风机控制风压2～3公斤/平方厘米，风量2000立方米/小时以下，又以500～1500立方米/小时为宜。当出气管6井下出口的温度为800-900℃时，将出气管6改作进气管鼓入水蒸汽的含量为5-38％的空气，体积百分数，控制风量、风压，所控制的风压为0.08～0.5公斤/平方厘米，又以0.3～0.5公斤/平方厘米为宜，风量为3000-4000立方米/小时，至进气管3井下进口的温度为800～900℃时，再从进气管3鼓入水蒸汽含量为5-38％的空气，体积百分数，控制上述的风量、风压如此反覆进行，实现逐层煤体的气化。在生产出的水煤气的热值不高时，可以通过进气的气流注入适宜量的稀土氧化物粉作为催化剂促进水煤气反应的进行，但是若井下的支护为铁架时，其铁架就可以作为催化剂。

从图1可以看出1为高压鼓风机、低压鼓风机室，由控制室2进行控制，将含有水蒸汽的空气通过进气管3进入气化通道4将煤堆5点燃，对煤层12进行气化。11为表土，13为隔离层。气化生成的水煤气通过出气管6排出半水煤气，半水煤气经过一次净化8，二次净化9进行净化。因为城市用的煤气对杂质硫和灰分有一定的要求，所以要进行一次净化、二次净化。所说的一次净化是利用一个净化塔或二个净化塔，用水进行喷淋和洗涤，水往下淋，煤气往上行，使部分的杂质硫和大部分灰被洗掉除去，而达到工业用煤气的需要。但城市民用煤气尚需要二次净化。所说的二次净化是通过脱硫箱进行脱硫，脱硫是利用陶瓷毛细管的脱硫装置。通过二次净化就可达到市民用的煤气标准。

若生产出来的水煤气在80℃以下就可以不用进行冷却。若生产出来的水煤气在200-300℃时，有余热可以利用。可以通过冷却池7进行冷却。所说的冷却池就是利用一排水管通过循环水将半水煤气的余热吸收，将加热的循环水可以注入到锅炉10中或作他用。生产出的水煤气的一小部分可以加热锅炉10中的水生产水蒸汽与空气混合生成含水蒸汽5-38％(体积百分数)的空气，进入汽化通道4中进行煤层气化。

本发明的复合式半水煤气的煤炭地下气化工艺的优点就在于：1.本发明的复合式半水煤气煤炭地下气化工艺由于采用了小断面、短通道的单一煤层复合燃烧的方式，易于实现有控制地燃烧，可形成煤层的分层燃烧，达到了稳定生产，提高了煤层中煤的利用率，充分利用了煤炭资源，大大地减少了气化煤层的浪费，设备简单，不需要辅助通道，降低了煤气的成本。

2.本发明的煤炭地下气化工艺采用了含有适宜比例的水蒸汽的空气，使地下气化反应成为空气煤气反应与水煤气反应同时进行的复合过程。

3.本发明可采用多个气化炉并行方式，同时在多个气化炉中产生半水煤气，相互调剂、补充，保证总产值的热值、流量长期稳定。

图1本发明的煤炭地下气化工艺系统示意图。

用以下非限定实施例对本发明的工艺作进一步的说明，将有助于对本发明及其优点的进一步的理解，而不作为对本发明的限定，本发明的保护范围由权利要求书来决定。

实施例1首先将待进行气化的煤层(废弃的煤层)用粉煤灰和水泥作为封闭材料形成隔离层13，在煤层底部建立一个断面为0.67平方米，长29米的气化通道4，在气化通道的一端设有进气管3，在气化通道4的另一端设有出气管6，进气管3、出气管6与气化通道4相通。在气化通道中预留导向煤堆5，两个导向煤堆之间的距离为5米，煤堆的断面是气化通道4断面的0.3倍。在接近进气管进入气化通道4的入口处，依次设置2个点火器，两个点火器之间的距离为3.5米。点火器由电阻丝构成，有电导线引到井上，在点火器周围放有易燃物纸张、木头、易燃煤等。这就形成了所说的气化炉。从进气管3鼓入空气，测量从出气管6井上出口排出的气体的瓦斯浓度在爆炸极限之下(若没有瓦斯则这一程序可以略去)，点燃点火器使点火器附近的导向煤堆点燃，通入适量的空气，使煤层形成燃烧面。当进气管3井下进口温度为950℃时，逐渐通入含有水蒸汽的空气，逐步加大空气中水蒸汽的含量，直到空气中含有水蒸汽的含量为26％(体积百分数)，控制风压为0.2公斤/平方厘米，风量3000立方米/小时，当出气管6井下出口的温度为850℃时，将出气管6作为进气管，鼓入水蒸汽的含量为26％(体积百分数)的空气，至进气管3井下进口的温度为850℃，再从进气管3鼓入含水蒸汽含量为26％的空气，如此反覆，实现逐层煤体的气化，产生的半水煤气热值在1.8-2.2千大卡/立方米之间，24小时的实验结果见表1。

表1时间与半水煤气热值的关系时间(小时)         0    1    2    3    4    5    6    7    8热值(千大卡/立方米)1.9  1.9  1.8  1.9  1.8  2.0  2.0  2.1  1.9时间(小时)         9    10   11   12   13   14   15   16   17热值(千大卡/立方米)2.0  1.9  1.9  2.0  2.1  2.0  2.1  2.2  2.1时间(小时)         18   19   20   21   22   23   24热值(千大卡/立方米)2.1  2.0  2.1  2.0  2.1  1.9  1.9实施例2其操作方法基本同实施例1，唯不同的是在煤层底部建立一个断面为0.67平方米，长38米的气化通道4，鼓入水蒸汽含量为16％(体积百分数)的空气，控制风压0.32公斤/平方厘米，控制风量3800立方米/小时。本实施例中待气化的煤层与水平面的夹角为15°，产生的半水煤气热值在1.8～2.2千大卡/立方米之间，煤的利用率可达90％。24小时实验结果见表2。

表2时间与半水煤气热值的关系时间(小时)         0    1    2    3    4    5    6    7    8热值(千大卡/立方米)1.9  1.8  1.8  1.9  2.0  2.2  2.1  2.0  1.9时间(小时)         9    10   11   12   13   14   15   16   17热值(千大卡/立方米)1.9  1.8  1.9  2.0  2.1  2.0  2.1  2.2  2.1时间(小时)         18   19   20   21   22   23   24热值(千大卡/立方米)2.1  2.2  2.1  2.0  2.1  2.0  2.0

实施例3其操作方法基本同实施例1，唯不同的是在煤层底部建立一个断面为0.67平方米，长38米的气化通道4，鼓入水蒸汽含量为31％(体积百分数)的空气，控制风压0.41公斤/平方厘米，控制风量3500立方米/小时。本实施例中待气化的煤层与水平面的夹角为31°，产生的半水煤气热值在1.8～2.2千大卡/立方米之间，24小时实验结果见表3。

表3时间与半水煤气热值的关系时间(小时)         0    1    2    3    4    5    6    7    8热值(千大卡/立方米)1.9  1.8  1.9  1.9  2.1  2.2  2.1  2.0  1.9时间(小时)         9    10   11   12   13   14   15   16   17热值(千大卡/立方米)1.9  2.0  2.0  2.0  2.1  2.0  2.1  2.2  2.1时间(小时)         18   19   20   21   22   23   24热值(千大卡/立方米)2.1  2.2  2.1  1.9  2.1  2.0  2.0实施例4其操作方法基本同实施例1，唯不同的是在煤层底部建立一个断面为0.87平方米，长51米的气化通道4，鼓入水蒸汽含量为16％(体积百分数)的空气，控制风压0.38公斤/平方厘米，控制风量3900立方米/小时。本实施例中待气化的煤层与水平面的夹角为40°，产生的半水煤气热值在1.8～2.2千大卡/立方米之间，24小时实验结果见表4。

表4时间与半水煤气热值的关系时间(小时)         0    1    2    3    4    5    6    7    8热值(千大卡/立方米)1.8  1.8  1.8  1.9  2.0  2.1  2.1  2.0  1.9时间(小时)         9    10   11   12   13   14   15   16   17热值(千大卡/立方米)1.9  1.8  1.9  2.0  2.1  2.0  2.1  2.1  2.1时间(小时)         18   19   20   21   22   23   24热值(千大卡/立方米)2.1  2.2  2.1  2.0  2.1  2.1  2.2