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1、 内蒙古大雁煤业有限责任公司 大雁褐煤地下气化生产5万t/a甲醇、11万t/a甲醛、2万t/a聚甲醛 项目建议书 中国矿业大学(北京校区) 内蒙古大雁煤业有限责任公司 二○○二年八月 内蒙古大雁煤业有限责任公司 大雁褐煤地下气化生产5万t/a甲醇、 11万t/a甲醛、2万t/a聚甲醛 项目建议书 项目名称：大雁褐煤地下气化生产5万t/a甲醇、11万t/a甲醛、 2万t/a聚甲醛 项目单位：内蒙古大雁煤业有限责任公司 项目法人：国汉斌 项目性质：新建 主管部门：内蒙古自治区人民政府
2、 目 录 一、 项目概况 二、 项目的目的意义和必要性 三、 项目的技术基础(技术来源、技术水平、技术特点等) 四、 产业化示范内容、规模、地点、期限 五、 工艺技术方案 六、 项目承担单位和项目负责人的基本情况、项目法人所有制性质 及项目组织方式 七、 投资估算、资金筹措经济效益初步分析 八、 大雁煤业有限公司建设煤炭地下气化煤化工项目的有利 条件 九、 技术提供单位条件 十、 结论 一、项目概况 内蒙古自治区地域辽阔，煤炭资源极为丰富，据第三次全国煤田预测资料，全区含煤面积为11.81万平方公里。截至1996年末，全区累计探明储量22
3、59亿吨，保有储量2247.5亿吨，其中褐煤1018.17亿吨，占全区保有储量的45.3%。褐煤大部分在内蒙古东部，按目前井工和露天开采水平，这些资源总储量最多只有50%左右得到利用，大量的煤炭资源将被遗弃在井下。另外，由于褐煤灰分、水分高，发热量低，其市场受到了限制，经济效益不高，给企业后续发展，特别是内蒙古自治区煤炭工业的发展带来较大的影响。采用煤炭地下气化技术可以使被遗弃的煤炭资源得到部分利用，大大提高了煤炭资源的利用率，同时可发展高附加值的化工产品，提高企业经济效益，为内蒙古自治区煤炭工业发展开辟一个新的道路。 大雁煤业公司开发的大雁煤田位于内蒙古自治区呼伦贝尔市境内，东部区探明储量
4、18.3亿吨，全部为褐煤。煤质在本地区位居中等偏下，在目前的市场中缺乏竞争力，销售状况日渐紧缩，公司后续发展困难。作为多年从事煤炭生产的企业，寻找优质煤田进行开发，采用高新技术开发高附加值产品是走出困境再造辉煌的最佳途径。 大雁褐煤由于灰分高热值低，约有半数以上不宜用常规方法开采。经考察论证，大雁煤业公司决定开发煤炭地下气化项目，预计将有近10亿吨煤量只能用地下气化方式开采，目前已具备有井式地下气化条件的储量即达 7264.8 万吨，选择首先在大雁三矿西二采区进行。本采区位于三矿井田西部,面积为1.4km2，开采17、18号煤层。这两个煤层全区发育，为局部不可采煤层，厚度变化较大，总体变化规
5、律为东部厚西部薄，浅部厚深部薄, 平均厚度为3.13米，在23勘探线以西+500水平以上两层合并。含有夹矸0～4层，夹矸最大厚度为1.64米。煤层颜色一般为黑褐色，结构为似条带状，偶尔可见带状或木质结构，具块状或层状结构。裂隙发育，硬度在1～3之间，韧性较强，比重为1.60，容重为1.26，属暗淡型或半暗型煤。灰份(Ag)为17.74～46.36％，属中高灰份煤层。顶底板岩性多为粉砂岩、泥岩细砂岩次之，泥岩少见。煤层倾角的变化规律为东部缓而西部徒，倾角最大为24°，最小为12°，平均倾角为18°。煤层裂隙含水层在450水平以上较为发育，向深部裂隙逐渐减少。含水层为静水量，随采掘疏干而减少。两层
6、煤的A＋B级储量为1032.5万吨，总储量为2008.8万吨。褐煤尽管发热量低，水分高、灰分高，但其反应活性高、透气性好，很适合地下气化。 项目总体建设目标是: 生产5万t/a甲醇、11万t/a甲醛、2万t/a聚甲醛。总投资约88768.83万元，年均销售收入约34899.29万元，年均利润13667.53万元，7.38年(所得税后)可收回投资，内部收益率17.62%，盈亏平衡点在46.70%左右。建成后，是国内、外第一个采用煤炭地下气化高新技术建设的煤化工综合利用项目，改变了传统的煤炭生产和消费方式，利用劣质褐煤资源，生产廉价的合成原料气。最终产品填补了内蒙古自治区煤化工产品的空白，大大提
7、高了企业的市场竞争力和经济效益，加快了企业的优化升级和科技进步，有利于区域经济的发展，有利于当地生态环境的保护。 二、 项目的目的意义和必要性 ⒈产品的市场分析 煤炭地下气化可生产洁净的燃料气，用于民用、工业锅炉燃烧和发电，更可生产廉价的化工原料气，用于合成氨、甲醇、汽油等。煤炭地下气化煤气的生产成本低于地面煤气化的生产成本，其比较如表2.1所示。 项 目 地面气化 地下气化 基建投资（元/m3） 350～450 120～150 成本（元/m3） 0.4～0.6 0.15～0.25 生产工艺 备煤、选煤
8、建地下气化炉 环境保护 有灰碴排放 无灰碴、污染物少 表2.1 地下气化和地面气化比较 企业能否在目前形势下生存和发展，关键在于生产成本是否具有竞争力，特别是面临中国加入WTO，在国内产品与国外产品面对面地竞争形势下，企业的产品必须具有与国外产品相抗衡的能力。煤炭地下气化技术拥 有我国独立的知识产权，以地下气化煤气为龙头的合成装置和设备，基本上能够在中国制造。技术自主和设备的国产化，大大降低了建设投资，缩短了建设周期，原料气成本低，从而大大降低了合成甲醇、聚甲醛的生产成本，极具市场竞争能力。 ⑴甲醇市场分析 甲醇是一种应用广泛的基础化工原料，它的用途几乎没有一种有机化
9、工原料能与之相比。在化工、医药、轻纺、工程塑料、染料等领域有着广泛的用途。在化工生产中，甲醇用于生产甲醛、醋酸、甲烷氯化物、甲胺、甲基叔丁基醚（MTBE）、硫酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯、二甲醚、丙烯酸甲酯、甲基丙希酸甲酯等。 近年来我国甲醇生产发展迅速。20世纪90年代初，我国甲醇年生产能力尚不足100万吨，目前我国共有生产企业200多家，总年产能力达328万吨。以煤为原料的甲醇装置，最大的是上海太平洋化工集团公司的20万吨/年生产装置，其次是哈尔滨煤气厂14万吨/年和义马煤气厂8万吨/年。近年来，国内外市场竞争日趋激烈，国内甲醇生产装置多数规模较小，技术落后质量差，将不断被淘汰，国外产品质
10、优价廉挤了进来。未来市场需求增加旺盛，建设能生产质优价廉产品的先进大型装置，前景看好。 ⑵甲醛市场分析 甲醛是一种重要的基本有机化工原料，由于其化学性质十分活泼，可以同多种有机物发生化学反应，生成新的基本化工原料和化工产品，据统计甲醛下游产品可达百余种，其用途具有面广量大的特点。因此近年来甲醛深加工形成了独立的发展门类，即所谓的“甲醛化学”。随着“甲醛化学”和甲醛下游产品新技术与催化剂的开发，甲醛的消耗量正在不断扩大，其市场潜力不可低估。 甲醛可以用来生产酚醛树脂、脲醛树脂、聚甲醛树脂、三聚氰胺树脂、多元醇如季戊四醇、三羟甲基丙烷等。甲醛属大宗化工产品，用途广泛，生产工艺简单，原料供应
11、充足。由于甲醛是低浓度液体产品，含水量较多，运输费用大，不便于长途运输，只能地产地销，因此供应格局较为稳定。也因此其进出口贸易量较小，国内市场基本不受国际甲醛市场的影响。因而本项目研究甲醛市场主要着眼于东北区域。 我国甲醛今年价格虽然有所下降，但还比较平稳，预计今后将稳中趋升。大雁处于我国东北地区，结合国内化工市场行情，本项目确定甲醛价格为1400元/吨。 ⑶聚甲醛市场分析 聚甲醛（POM）又称聚氧化甲烯，是透明或不透明固体，具有优良的综合性能，较高的弹性模数、硬度、刚性和机械强度。可在104oC下长期使用，脆化温度为- 40 oC ，吸水性极小。突出的特点是磨擦系数低，动磨擦系数与
12、静磨擦系数相同，自润滑耐磨损性优异，是与金属最相似的一种塑料，被誉为“超钢”。在机械工业中应用，不管多么复杂的零件均可用聚甲醛作原料高精确地一次浇铸成型。它与金属切削成型相比，可节省大量原料和时间。性能比聚碳酸酯，尼龙，环氧树脂，酚醛和PVC树脂都好。因此，广泛地用于代替金属、钢、铜、铝和锌等有色金属材料。用聚甲醛制成的齿轮、按钮、水表、阀门、泵和叶轮、喷灌器部件、拉链等制品，广泛地用于汽车工业、电子电器、工业器械、农业生产和生活消费品等各领域。 我国聚甲醛树脂的开发研制工作始于1959年，国内仅有上海溶剂厂的2000t/a和吉林石井沟联合化工厂的1000t/a两套装置，因技术落后，质次价高
13、现已停产。云南天然气化工总厂引进波兰技术，已建成投产1万t/a聚甲醛装置，计划2～3年内扩建到3万t/a能力。 我国1992年聚甲醛表观消费量1.55万吨，1998年表观消费量达5.6万吨，年均增长率23.8%。2000年全国需求量约为5.8万t，预计2005年，需求量在8.5～8.7万t，主要靠进口满足需要，见表2.2。 表2.2 聚甲醛净进口统计 年份 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 净进口量(t) 15479 19164 19408 25602 34338 48965 55949 目前国内总生产能
14、力仅有1万t / a，与需求5.8万t/a相比差距甚大。因此，在第十个五年计划中，有条件的企业应建设聚甲醛装置，其产品市场前景很好。 1998年全世界聚甲醛的生产能力总计65万t / a，美国 , 西欧和日本是世界聚甲醛主要生产和消费地区，世界聚甲醛的年消费增长速度4～5 %。而亚洲地区年均增长速度约10%，增长较快的是中国、马来西亚和新加坡。预计2000年世界聚甲醛需求量约55万t/a，2005年总需求量将达67～69万t，年均增长4～4.5%，国际市场前景也很好。 ⒉价格预测 目前，聚甲醛在国内的售价在14000元/吨左右，国际上售价在16000元/吨左右。由于国际市场供需矛盾较大，
15、故价格比国内市场要高。随着聚甲醛应用领域的拓展，供需矛盾还将加剧，预计短期内聚甲醛价格还不会有下降的趋势。甲醇售价按1500元/吨考虑，甲醛价格1400元/吨考虑。 ⒊产业带动关联性分析 煤炭工业是我国的支柱产业，但随着煤炭开采强度的不断增大，使煤炭开采成本越来越高，由于井工开采回采率低，报废矿井时尚有50%的不可再生的煤炭资源被遗弃在地下，使资源造成不应有的大量浪费，同时也带来了就业等许多社会问题。煤炭地下气化是煤炭开采和利用技术中成本最低的一项技术，使吨煤产值大幅度增加，实现了采面无人、无设备的生产技术体系。地下气化技术不仅可以回收矿井报废资源，而且可以开采井工难以开采或开采经济效益低
16、环境效益差、安全性不好的高硫、高灰、高瓦斯煤层及薄煤层、深部煤层和“三下”煤层，大大提高了煤炭资源利用率。因此，本项目的实施，为目前关停并转的煤矿、为煤炭行业振兴开辟了一条新路。煤炭地下气化具有投资少、工期短、见效快、效率高、利润大、效益好等诸多优点。其成本低于天然气，在供应民用与工业用燃气的同时，还可直接为化工行业提供原料气，制造甲醇、二甲醚、甲醛、聚甲醛等高价值的化工产品，减少许多中间环节的投资，赢得更大的利润。因此煤炭地下气化技术的推广应用，将提高煤矿经济效益，形成新的经济增长点，煤炭工业结构调整和产业升级。 世界煤炭储量远远大于石油、天然气等，从世界现在的能源结构分析来看，石油、天
17、然气必将先于煤炭而枯竭。据世界银行统计，中国原油储量占世界总量的2.43%，天然气储量占世界总量的1.02%，今后中国将会出现石油、天然气供给危机。中国是以煤为主要能源的国家，资源条件决定了在今后相当长的时间内，煤炭在中国资源结构中占据不可替代的重要地位。煤炭地下气化可获得廉价的H2和CO，用于合成甲醇、聚甲醛、二甲醚、汽油、柴油等多种产品，还可提取纯氢。因此煤炭地下气化对我国碳一化学和煤化工的发展具有十分重要的推动作用。煤炭地下气化煤气综合利用途径见图2.1。 煤矿企业 煤炭地下气化 粗煤气 煤 炭 焦 油 酸产品 净 化 苯 等 硫产品
18、 净煤气 甲烷化 提取纯氢 工业燃气 化工原料 发 电 城市煤气 燃料电池 合成氨 甲 醇 精细化工产品 还原气 聚甲酯等 图2.1 地下气化煤气综合利用示意图 煤炭地下气化的突出特点是成本低。美国专家指出，相同规模的煤炭地下气化与地面气化相比，生产相同下游产品的成本可下降:(1) 合成气为43%、(2) 天然气代用品为10～18%、(3) 发电为27%。 4.项目意义 实施大雁褐煤地下气化煤化工工程的意义可体现在以下几个方面: (1) 充分开发利用煤炭资源 据调查，大雁矿区许多呆滞、遗留的各
19、种煤柱，不宜、或不能、或不经济使用传统的物理采煤法进行开采，但可用地下气化方式加以回收，因此可大大提高煤炭资源的利用率，延长矿井服务年限。 (2) 盘活煤矿企业固定资产存量，开拓新的就业渠道 现有矿井经过多年的生产，积累了大量的固定资产，形成了庞大的职工队伍，但随着褐煤市场疲软、产量下降，使矿井固定资产闲置，人员下岗。煤炭地下气化可充分利用矿井现有的技术和物质条件建设地下气化炉 和气化站。如矿井的供电、供水、道路、房屋等公共设施，矿井的开拓系统、设备等都可利用。矿井经过多年的开采，地质资料清楚，地下水业已疏干，这些都为地下气化创造了有利的条件。煤炭地下气化可大力发展煤化工产业，创造更多的就
20、业渠道。 (3) 提高煤矿企业经济效益，形成新的经济增长点 煤炭地下气化减少了许多中间环节的投资，生产成本又低于天然气和地面造气，可赢得更大的利润。因此煤炭地下气化技术的推广应用，将提高煤矿经济效益，形成新的经济增长点，促进煤炭工业结构调整和产业升级换代。 (4) 保护生态环境 内蒙古自治区有辽阔、美丽的大草原，国家西部大开发首先以不破坏环境为前提。但传统的井工采煤会造成地面塌陷、矸石外排、地表沙化、大气和尘土污染等一系列问题。煤矸石自燃排出大量烟尘及SO2、CO、H2S等有害气体，严重污染大气环境。煤炭的洗选、运输、贮存和加工利用也给环境造成较大的污染，如污水、煤尘及有害气体的排
21、放。而煤炭地下气化燃烧的灰渣存在井下，大大减小地表塌陷量，无固体物质排放，因此煤炭地下气化减少了对地表环境的破坏。地下气化产出的煤气可以集中净化，脱除其中焦油、硫和粉尘等有害物质，并且采用分离或吸收技术将CO2分离出来集中贮存或回填到气化空间里，从而得到洁净煤气。因此煤炭地下气化技术在提高了煤炭资源利用水平的同时，将环境保护的重点放在源头，而非末端治理，是一项符合可持续发展战略的环境友好的绿色技术，有利于草原环境的保护，符合国家西部大开发的战略。 江泽民总书记曾题词：“中国矿业大学煤炭地下气化试验，从煤炭资源的充分利用以及经济效益来讲值得进一步研究”。著名科学家钱学森来信祝贺说：“煤炭地下
22、气化的试验成功，无疑是煤炭工业的巨大革命”。随着煤炭地下气化技术的实施及科研成果的推广应用，一个以煤炭地下气化为“龙头”的大型煤、电、化工联合企业将展现在世人面前。 三、 项目的技术基础(技术来源、技术水平、技术特点等) 煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程。该过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的。 由进气孔鼓入气化剂(有效成分是O2和H2O(g)) ，并在进气侧点燃煤层，气化剂中的O2遇煤燃烧产生CO2，并释放大量的反应热，使还原区煤层处于炽热状态，当气流中O2浓度接近于零时，氧化区结束。在还原区CO2与炽热的C还原成
23、CO，H2O(g)与炽热的C还原成CO、H2等，由于还原反应是吸热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度降低到不能再进行还原反应时，还原区结束。但此时气流温度仍然很高，对下流(干馏干燥区)煤层进行加热，释放出热解煤气。经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分主要是H2、CO、CH4的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见可燃气体的产生主要来源于三个方面：即水蒸汽的分解，CO2的还原和煤的热解，这三个方面作用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气组分和热值，如图3.1所示。 固体的煤及其干馏产物在气化剂（空气、氧气、水蒸汽等）作用下，
24、 进气孔 辅助孔 排气孔 灰渣 气化煤层 气化通道 C+O2 CO2+Q CO2+C 2CO—Q 煤 CH4 气流通道 C+1/2 O2 CO+Q H2O+C H2+CO—Q + H2 CO+1/2 O2 CO2+Q CO+ H2O H2+CO2+Q + H2O
25、 C+2 H2 CH4+Q +…… 还原区 氧化区 干馏干燥区 图3.1 煤炭地下气化原理示意图 转化为煤气的过程是一个复杂的多相反应过程。为了使被气化的燃料的热 能最大限度地转入煤气之中，必须以物理化学的基本原理分析气化过程，选择适宜的条件，促进或抑制某些反应的进行，在各反应步骤中加入或移出热量。在气化过程中进行的主要反应有： 碳的氧化反应：C+O2＝CＯ２＋393.8KJ/mol 二氧化碳还原反应：CO2+C=2CO－162.4KJ/mol 水蒸汽分解反应：C+H2O
26、g）=CO+H2－131.5KJ/mol C+2H2O（g）=CO2+2H2－90.0KJ/mol 加氢反应：C+2H2=CH4+74.9KJ/mol 甲烷化反应：CO+3H2=CH4+H2O+20.6KJ/mol 由于制气方式的不同，煤气中的组分和煤气的热值也不同，根据煤气中组分和热值的不同，其用途主要是作为城市煤气、工业燃料气、化工原料气、还原气等。作为城市煤气，氢气、甲烷气的含量高、热值要求高；用作工业燃气的煤气一般为低热值煤气，其发热量在5.02MJ/m3左右，煤气的有效成分为CH4、CO和H2，其生产工艺主要为
27、鼓风煤气和半水煤气；作为化工原料气，要求煤气中CO和H2含量高，其生产工艺主要采用富氧水蒸气连续气化及两阶段气化工艺。 地下气化的物质基础是地下气化炉，组成地下气化炉的四个要素是进气孔(通道)、排气孔(通道)、气化通道和气流通道。地下气化炉按施工方法分，可分为有井式和无井式。有井式是指气化炉的施工都在地下进行，进、排气孔是井筒，气化通道是人工掘进的煤巷。无井式则是所有建炉工作都在地面进行，进、排气孔由地面打钻施工。 从煤炭地下气化实现过程中可以看出，地下气化过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，抛弃了庞大、笨重的采煤设备和地面气化设备，变传统的物理采煤为化学采煤，因而具有安全性好、
28、投资少、效益高、污染少等优点，深受世界各国的重视，被誉为第二代采煤方法。早在1979年联合国“世界煤炭远景会议”上就明确指出，发展煤炭地下气化是世界煤炭开采的研究方向之一，是从根本上解决传统开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。 鉴于此，世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行试验研究，取得了丰硕的成果。 前苏联是世界上进行地下气化现场试验最早的国家，也是地下气化工业应用成功的唯一国家。1932年在顿巴斯建立了世界上第一座有井式气化站，为探讨气化方法，1932年到1961年间相继建设了五座地下气化站，到60年代未已建站12座。统计到1965年,共烧掉1500万吨煤,生产300亿立
29、方米低热值煤气，所生产的煤气用于发电或工业锅炉燃烧。通过前苏联的工作，有力地证明了煤炭地下气化具有基本建设投资省、建站周期短、生产效率高、煤的回收率高、生产成本低、生产系统简单且安全，没有三废外排、环境效益好等优点。仅“安格林”地下气化站的经济技术指标就足以说明，详见表3.1。 表3.1安格林条件规模基本相同的煤地下气化与地下开采的技术经济指标对比 项目 地下开采 地下气化 增减数 升降(%) 基建总投资 2500万卢布 550万卢布 -1950万卢布 降78 每吨煤投资 71.4卢布 15.7卢布 -55.7卢布 降78 建设时间 2～3年 1～2年
30、缩短一年 生产成本 18～22卢布 7.8～8卢布 -11～14卢布 降61～63 生产效率 40～45吨/月人 180吨/月人 +135吨/月人 升300 资源回收率 70～80% 90%以上 +10%以上 安全 较差 好 系统 复杂 简单 环保 差 好 占地面积 大 小 美国地下气化试验始于1946年，七十年代因能源危机，美国组织了29所大学和研究机构，在怀俄明州进行大规模有计划的试验,进行了以富氧水蒸汽为气化剂的试验，获得了管道煤气和天然气，并用于发电和制氨。1987年到1988年的洛基山—
31、1号试验，获得了加大炉型、提高生产能力、降低成本、提高煤气热值等方面的成果，为煤炭地下气化技术走向工业化道路创造了条件，美国能源部宣称，一旦再发生能源危机，美国将广泛使用该技术生产中热值煤气，以解决国家之急需。 英国在中断30多年后，于1949年恢复试验。曾进行了U型炉火力、电力和定向钻进等贯通试验，还进行了单炉、盲孔炉等试验，积累了丰富的资料。英国在有井式盲孔炉研究上取得了较大的成功，曾用有井式盲孔炉组成的复合炉，一次气化20万吨煤，煤气直接用于一个5000KW的电厂发电。英国计划用地下气化技术开采千米以下的深部煤炭和海下煤炭资源。 日本由于煤炭储量少，而且地层条件又极其恶劣，难以用传统
32、工艺开采，因此对煤炭地下气化也十分重视。1953年先在实验室进行基础研究，1961年又在自然条件下进行现场气化试验。在赤平住友矿进行了二次规模较大的试验。日本进行地下气化试验的目的在于开发恶劣条件下的煤炭资源，以补充能源之不足。因此日本地下气化开发的重点是已报废的矿区，以及遗留的煤柱。整个地下气化发展目标是建立气化、电站联合企业。 西德和比利时于1976年10月，签定了关于共同开发煤炭地下气化技术的协定。他们的主要目标是1000米以下深部煤层气化。西德亚深工业大学和比利时林堡大学，从1979年起在图林进行了现场试验，对约870米深的煤层进行了高压气化，煤气用于发电。 1988年6个欧共体成
33、员国组成了一个欧洲UCG工作小组，提出了一个新的发展计划建议书，1998年12月完成了西班牙的Alcorisa现场联合试验，计划在10-15年内商业发电，并将此技术及相关的仪器设备向中国、印度、东欧等富煤国家出口。 1958年到1962年，我国先后在大同、皖南、沈北等许多矿区进行过自然条件下煤炭地下气化的试验，取得了一定的成就。1985年，马庄矿试验进行了3个月，产气16万m3，煤气平均热值为4.2MJ/m3，试验同时暴露出国外普遍采用的无井式空气连续气化工艺的一些缺点：建炉和运行费用高，生产不稳定，煤气热值低，煤气成本高。 为了克服传统的地下气化工艺所存在的缺点，中国矿业大学煤炭工业地
34、下气化工程研究中心，在总结国内外地下气化工艺，特别是前苏联五十年工业化生产(煤气日产量可达到200万m3以上)经验的基础上，加以改进、完善、提高，结合我们在矿井遗留煤层中气化的特点，形成了长通道、大断面、两阶段煤炭地下气化新工艺。 长通道大断面是针对气化炉结构而言，它是有井式气化炉和无井式气化炉合为一体的混合气化炉形式。 两阶段煤炭地下气化工艺，是一种循环供给空气(或纯氧、富氧空气)和水蒸汽的地下气化方法。每个循环由两个阶段组成，第一阶段为鼓空气(氧气)燃烧蓄热，生产鼓风(鼓氧)煤气的阶段，第二阶段为鼓水蒸汽、生产热解煤气和水煤气的阶段。 第一阶段在生产鼓风煤气的同时，产生了大量的反应热
35、积累在煤层中，第二阶段鼓入蒸汽，水蒸汽经过高温氧化区被分解，到还原区后，剩余的水蒸汽进一步分解，形成水煤气，经过干馏干燥区以后，还将产生热解煤气，从而得到H2和CO含量较高的煤气，高含H2煤气产生的原因主要有以下几个方面： （1）气化剂为水蒸汽，消除了N2对煤气组分的影响，使煤气中有效组分的比例增加。 （2）水蒸汽不仅在氧化区被分解，而且在还原区被进一步分解，水蒸汽分解率提高，H2含量提高。 （3）在整个气化通道上都能产生干馏煤气，煤气中H2含量进一步提高。 由于水蒸汽分解反应的吸热，使炉里温度下降，水蒸汽分解速度减慢，第二阶段结束，又将重新鼓入富氧空气，提高煤层温度，进入一下循环。采
36、用长通道、大断面、两阶段工艺，在多次室内模型试验的基础上，进行了徐州新河二号井和唐山刘庄煤矿现场试验。表3.2是模型试验第二阶段水煤气组分和热值（空气—水蒸汽）。 表3.2 模型试验第二阶段水煤气组分和热值 序 煤气组分% 热值 号 H2 CO CH4 CO2 N2 MJ/m3 1 48.0 24.8 10.6 8.8 7.8 13.5 2 37.7 21.4 13.1 5.9 21.9 12.7 3 40.2 29.8 7.4 4.0 18.6 11.8 4 42.0 10.7 12.7 0.9 33.6 11
37、8 5 45.7 7.0 15.0 1.4 30.9 12.7 国家“八五” 重点科技攻关项目----徐州新河二号井煤炭地下气化半工性试验，气化炉建立在露头煤柱中，气化通道长度为168m。试验于1994年3月点火，先进行空气连续气化试验。鼓风煤气的平均热值为5.02MJ/m3,气体组分为H2：23.58%,CO:7.78%, CH4:2.91%, CO2:13.48%, O2:0%, N2:52.25%，日产煤气量为3.6万m3。煤气供工业锅炉燃烧，效果良好。 1994年11月以后，又进行了多次两阶段气化试验，其试验结果见表3.3（空气—水蒸汽）。 表3.3 新河
38、二号井水煤气组分、热值及产量 序 煤气组分 % 煤气热值 煤气流量 号 H2 CO CH4 CO2 N2 MJ/m3 m3/h 1 58.29 8.59 9.28 19.63 4.21 12.22 1920 2 58.38 10.35 14.32 13.38 3.57 14.45 1400 3 57.10 11.66 14.89 13.85 2.50 14.70 1500 4 62.07 14.43 10.13 11.07 2.30 13.78 1650 5 54.25 15.72 10.65 1
39、5.26 4.12 13.14 1810 6 64.07 11.31 9.94 11.13 3.55 13.57 1900 7 60.42 16.57 9.54 12.52 0.95 13.61 1550 8 64.63 12.47 9.65 11.70 1.55 13.69 1850 本项目通过了原煤炭部技术成果鉴定，鉴定委员会认为该项目完成了国家计委攻关合同中所确定的任务，经科研成果查新表明，其长通道、大断面、两阶段地下气化工艺，构思新颖，属国内外首创，半工业试验达到了国际先进水平。本次试验基本上解决了煤炭地下气化长期因煤气热值低
40、成本高、不稳定、可控性差而停滞不前的难题，找到了适合我国国情发展煤炭地下气化的道路。 徐州新河二号井煤炭地下气化半工性试验被评为国家“八五” 重点科技攻关项目重大科技成果(见附件)。 在新河二号井试验成功的基础上，又进行了河北唐山煤炭地下气化工业性试验。为了保证鼓风煤气和水煤气产量的稳定，采用了双炉交替运行方案。 本次试验于1996年5月开始首先进行了空气连续气化试验，煤气供唐山市卫生陶瓷厂和刘庄煤矿热力锅炉使用，同时也进行了多次两阶段气化试验，试验结果见表3.4和表3.5（空气—水蒸汽）。 刘庄矿煤炭气化生产目前仍在进行。刘庄矿近四年的生产实践表明新工艺能够实现长期连续、稳定生产。
41、 从上述试验结果可以看出，长通道、大断面、两阶段气化工艺辅以双炉交替运行方案，可较稳定的生产含H2量在50%以上的煤气，为了进一步提高煤气中H2含量，降低N2含量，可采用富氧水蒸汽—水蒸汽两阶段工艺。 表3.4 刘庄矿试验鼓风组分、热值和产量 煤气组分% 煤气热值 煤气产量 H2 CO CH4 CO2 N2 MJ/m3 万m3/d 10～20 2～25 2～4 7～20 50～65 4.18～5.02 10～20 表3.5 刘庄矿试验水煤气组分、热值和产量 序 煤气组分% 热值 煤气流量 号 H2 CO CH4 CO2 N2
42、 MJ/m3 m3/h 1 40.66 28.02 7.84 5.51 17.97 11.88 1963 2 48.98 5.02 13.65 22.61 9.74 12.26 2315 3 43.57 15.68 11.02 6.92 22.81 11.89 2287 4 47.14 13.36 12.38 20.48 6.64 12.59 2263 5 47.14 13.36 12.38 20.48 6.64 12.59 2263 6 46.69 14.45 10.27 23.55 5.04 1
43、1.83 2345 7 47.73 9.09 15.73 26.12 1.33 13.45 2233 8 47.94 16.63 12.04 18.17 5.22 12.97 2462 9 53.01 24.77 7.23 10.46 4.53 12.74 2346 10 52.00 11.24 8.65 21.83 6.27 11.45 2430 该煤气在地面可直接提氢、作民用煤气或作CH4裂解处理、CO变换处理后，作为合成二甲醚、氨、甲醇的原料气。刘庄矿生产目前仍在进行。 “唐山市刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验”通过
44、了河北省计委组织的专家鉴定，鉴定委员及与会专家一致认为：唐山刘庄煤矿煤炭地下气化工业性试验连续产气一年零四个多月，稳定供给唐山市卫生瓷厂工业锅炉使用三个多月；日产煤气为10～12万m3，空气煤气热值稳定在4.18MJ/m3以上，水煤气热值达到10.47MJ/m3。该项目在实施“长通道、大断面、两阶段”煤炭地下气化新工艺时，采用了辅助通道、双炉交替运行、正反向燃烧气化，以及压抽相结合、边气化边充填、燃空区探测等保障措施，构成了较完备的生产工艺体系，可保证在多变条件下，稳定生产煤气。上述工艺方法和保障措施达到了世界领先水平。其创新性和带动性如下： (1) 实现无人、无设备、长壁式（>200m）气
45、化工作面，生产地下水煤气。改变了传统的煤炭生产和消费方式。 (2) 因为煤炭气化是化学采煤，新工艺还可以盘活老矿井现有的固定资产存量，因此不仅可节约大量重型设备的投资，如大型采煤设备、地面气化设备等；还可消除采煤工种的劳动伤亡事故等。 (3) 由于新工艺气化通道较长，断面大能使气化炉迅速提高炉温，提高了其蓄热能力，同时又增加煤气中干馏气中CH4的含量，提高了煤气的热值，提高了产气的稳定性。 (4) 通道长、断面大则降低了风阻，减少供风电耗，降低了生产成本。 (5) 气化炉为多孔炉型，可以推进式跟踪供风，减少了氧的无效消耗，提高了供风效率，钻孔具有多功能，彼此可以互换，因此可以根据具体工
46、况的变化而变化。 (6) 压抽结合防止了煤气外泄，提高了生产的安全性。 (7) 正、反向鼓风将整个煤层，从下水平正反向反复气化至上水平。 (8) 边气化边充填的措施，使气化炉上方的地表不被破坏。 (9) 灰渣和顶底板岩石中的金属氧化物如AL2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Fe3O4在长通道的条件中，对水煤气反应，甲烷化反应能起到较好的催化作用。 (10)利用新工艺中，两阶段产气工艺，充分利用煤层中的显热，生产大量的廉价水煤气，其热值大于10.47MJ/m3,H2含量在50%以上,可用于提取纯H2,为H2能的应用，燃料电池及电动车的发展，煤的液化、煤化工、IGCC等提供廉价的原料气
47、降低这些下游工业的生产成本，提高其竞争力。 (11)地下水煤气与天然气相比，其碳氢比中氢的含量高，见表3.6，按热值计价其生产成本低于天然气，可作为天然气的代用品，弥补我国天然气储量少的现状。 表3.6 各种能源燃料中的氢碳（H：C）摩尔比 种类 煤 石油 天然气 徐州水煤气 H：C（摩尔比） 0.86:1 1.76:1 3.71:1 4.76:1 (12)煤炭地下气化技术，将有害物处理在地下源头，所以水煤气的环保效益十分显著，是洁净煤技术中投资最少，效果最理想的技术，将燃煤电厂改烧水煤气，可取消锅炉的装煤系统和排碴系统，无须灰渣的占地，并且不产生灰尘。 20
48、00年4月30日，山东新汶矿业集团孙村煤矿缓倾斜煤层地下气化技术研究与应用试验正式开始，经过近一个多月的调试，目前已进入了试验生产阶段。采用脉动两阶段鼓风方案，煤气组分和热值见表3.7。 表3.7 孙村煤矿试验脉动两阶段试验煤气组分、热值和产量 序号 煤气组分% 热值 煤气流量 H2 CO CH4 CO2 N2 MJ/m3 m3/h 1 29.58 3.20 3.38 14.44 48.55 4.87 1308 2 27.32 3.16 2.95 12.21 53.46 4.45 1319 3 22.29 3.32 2.72
49、13.62 57.32 3.84 1326 4 19.18 3.78 3.12 21.20 51.90 3.72 1297 5 47.40 9.97 8.50 24.4 9.10 10.72 680 6 49.38 9.50 8.71 23.04 8.42 10.67 654 7 53.33 7.71 10.82 23.66 4.48 11.74 1093 8 56.22 9.62 9.65 22.21 2.30 11.90 1130 9 56.06 9.42 9.22 20.49 4.09 1
50、1.69 1143 10 54.79 9.72 8.75 20.75 5.21 11.42 1171 目前成功地为1万户居民和蒸汽锅炉连续提供燃气，并进行了小型内燃机发电试验，实现了地下气化从试验到应用的新突破。2000年8月，通过山东省科技厅的鉴定。 另外，山东肥城曹庄煤矿复式炉地下气化试验工程(缓倾斜、高硫、双层薄煤层)也于2001年9月1日点火成功，9月3日生产出合格的煤气，煤气热值在4.18～5.86MJ/m3之间，单炉日产量约3.5万m3，目前已成功地供居民使用。 山西昔阳无烟煤地下气化年产6万吨合成氨示范工程于10月21日点火（煤层厚度6m，缓倾斜），目
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