地下氣化

煤炭地下氣化是對地下煤層就地氣化生產煤氣的一種氣化方法。在某些場合，如煤層埋藏很深，甲烷含量很高，或煤層較薄，灰分含量高，頂板狀況險惡，進行開採既不經濟又不安全時，如能採用地下氣化方法則可以解決這些問題。故地下氣化不僅是一種造氣的工藝，而且也是一種有效利用煤炭的方法，實際上提高了煤炭的可采儲量。此外，地下氣 化可從根本上消除煤炭開採的地下作業，將煤層所含的能量以清結的方式輸出地面，而殘渣和廢液則留在地下，從而大大減輕採煤和制氣對環境造成的污染。

由於地下煤層的構成及其走向變化多端，至今尚未形成一種工藝成熟、技術可靠、經濟合理的地下氣化方法。

煤的地下氣化技術從設想到實踐約有100年的歷史，1868年西門子(Siemens)曾提出氣化煤屑和廢煤的可能性。1888年俄國門捷列耶夫提出煤地下氣化的設想。1912年英國拉姆齊(W.Ramsey)提出地下氣化方案。1930年蘇聯開始進行煤地下氣化的工業試驗，之後波、匈、美、德、英、比利時、加拿大等國也進行試驗研究，中國曾於1958～1962年在鶴崗、大同等礦區進行了工業試驗。1980年蘇聯用地下氣化法生產的燃氣約15億立方米。1990年美國的地下煤氣站處理原煤達1.5億噸。

前蘇聯科學院動力研究所於1939年提出用滲透法對褐煤層進行地下氣化，生產電站用 的燃料氣，試驗進行很順利。

1973年美國礦務局對次煙煤煤層進行地下氣化試驗。試驗區面積1620m，煤層埋深122m，厚度9m。從地面往煤層共鑽孔16個，採用水力壓裂法貫通。煤層點火后，送入空氣。投產後日產氣70000m，煤氣熱值為5217～5589kJ/m。煤層氣化效率約為75%。

煤炭地下氣化原理與一般氣化原理相同，即將煤與氣化劑作用轉化為可燃氣體。

其基本過程如上圖6-30所示，從地表沿煤層開掘兩個鑽孔1和2。

兩鑽孔底有一水平通道3相連結，圖中1、2、3所 包圍的整體煤堆4，即為進行氣化的盤區。在水平通道的一端 (如靠近1處) 點火，並由鑽孔1鼓入空氣，此時即在氣化通道的一端形成一燃燒區，其燃燒面稱為火焰工作面。生成的高溫氣體氣化通道向前滲透，同時把其攜帶的熱量傳給周圍的煤層，在氣化通道中形成由燃燒區 (Ⅰ)、還原區 (Ⅱ)、乾餾區(Ⅲ)、乾燥區(Ⅳ)組成的氣化反應帶。

隨著煤層的燃燒，火焰工作面不斷地向前向上推進，火焰工作面下方的析空區不斷被燒剩的灰渣和頂板垮落 的岩石所充填，同時煤塊也可能落到析空區，形成一反應性高的塊煤區。隨著系統的擴大，氣化區逐漸擴及整個氣化盤區的範圍，並以很寬的氣化前沿向出口推進。

由鑽孔2到達地面的是焦油和煤氣，煤氣熱值約為4000kJ/m左右。煤氣組成大致為：CO9～11%;CO 15～19%;H14～17%;O0.2～0.3%;CH1.4～1.5%;N53～55%。具體的組成因煤種、煤層狀況及送風狀況等不同，差異極大。

煤炭地下氣化通常分為有井式氣化法（又稱巷道式地下氣化爐技術）、無井式氣化法（又稱鑽井式地下氣化爐技術）兩類。有井式氣化需進行豎井和平巷工程。無井式氣化通過鑽孔和貫通完成氣化爐的建築。

有井氣化需要預先開掘井筒和平巷等，其典型示意圖如圖1所示，即首先從地表沿煤層開掘兩條傾斜的巷道1和2，然後在煤層中靠下部用一條水平巷道將兩條傾斜巷道連接起來，被巷道所包圍的整個煤體，就是將要氣化的區域，稱為氣化盤區，亦稱地下發生爐。

無井式氣化法是用鑽孔代替坑道，以構成氣流通道，避免了井下作業。無井式氣化法的準備工作包括兩部分：即從地面向煤層打鑽孔和在煤層中溝通出氣化通道。進、排氣孔的貫通（即氣化爐的建爐）是無井式氣化工藝的關鍵技術。

根據氣化通道的注氣方式，無井式地下氣化技術可分為2類：滲透式氣化和定向孔氣化。氣化通道的貫通方法也有滲透法和定向鑽孔法。

地下氣化爐是地下煤炭進行熱化學反應的場所，構成U型地下氣化爐的三要素是進氣孔、排氣孔和氣化通道。氣化通道是在煤層中連接進、排氣孔的通道，是生產煤氣的空間。在地下對煤層進行氣化時，為了使煤層破碎疏鬆，增大裂縫和氣孔，使其具有地上發生爐中氣化煤層相同的條件，那就必須在氣化前對地下煤層加工，這種在氣化前對煤層進行加工準備氣化條件的工作，按其準備工作的方法不同，分為有井式地下氣化、無井式地下氣化和混合式地下氣化，所建立的地下氣化爐分別稱為有井式地下氣化爐、無井式地下氣化爐和混合式地下氣化爐。

煤的地下氣化是非常複雜的物理和化學過程，影響煤氣質量的因素很多，既有地下氣化所採用的工藝措施，又有煤層自身的特性及煤層頂底板的賦存狀態。影響煤炭地下氣化過程的主要因素，可從煤層賦存條件、氣化爐結構、工藝條件、氣化爐運行狀況進行分析。

煤種、灰分、煤層厚度、煤層傾角等天然賦存條件都會對煤炭地下氣化產生不同程度的影響。煤炭地下氣化模型試驗表明，從低變質程度的褐煤、中變質程度的煙煤，到高變質程度的無煙煤都可以進行地下氣化，但氣化反應過程與煤的性質和組成有著密切的關係，地下氣化建爐時，應考慮煤層疏鬆方案，而褐煤最適於地下氣化方法，由於褐煤的結構方向性弱，孔隙率和比表面積大，水分大，透氣性高，較易開拓氣化通道，並容易實現火力貫通，故有利於地下氣化。

溫度場對煤氣熱值的影響是顯著的。維持一個高溫溫度場和相對較長的氣化通道有利於煤氣熱值的穩定和提高。

氣化劑的類型和氣化劑的濃度也是影響氣化過程的重要因素。氣化劑類型比如：空氣、富氧、富氧+水蒸氣分別作為氣化劑時，氣化結果有明顯不同。此外，氣化劑（富氧）的濃度和混合氣化劑的配比也對氣化的最終效果有著不可忽視的影響。

煤炭地下氣化爐內溫度場的一個重要影響因素就是煤層的含水量。在乾燥煤層中實施煤炭地下氣化時，需要注入水蒸氣調整煤氣中氫氣的含量。在含水比較小的煤層中進行地下氣化時，煤層的水有助於氫氣的生成；當煤層含水量比較大時，水的相變和分解會消耗大量的熱能，導致爐內溫度下降，進而使得煤氣組分變差，就需要採取有效措施(如增加氣化劑的鼓風量)降低煤層含水的影響。