1.8　煤炭地下氣化制氫

煤炭地下氣化技術(shù)近幾年在中國也得到開發(fā)和利用。從制氫角度講，顯然煤氣中的有效成分（H2+CO）含量越高越好，因此下面的論述主要就對于化工合成方面的煤氣化技術(shù)進行分析。

1.8.1　煤炭地下氣化研究綜述

煤炭地下氣化（underground coal gasification，UCG）就是將處于地下的煤炭直接進行有控制地燃燒，通過對煤的熱作用及化學作用而產(chǎn)生可燃氣體的過程。該過程集建井、采煤、地面氣化三大工藝為一體，變傳統(tǒng)的物理采煤為化學采煤，省去了龐大的煤炭開采、運輸、洗選、氣化等工藝的設(shè)備，因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)點，深受世界各國的重視，被譽為第二代采煤方法。

在技術(shù)研究上可分為三個方向：

①地下氣化方法類型。蘇聯(lián)早期使用“有井式”，后逐漸過渡至“無井式”。“有井式”氣化利用老的豎井和巷道，減少建氣化爐的投資，可回采舊礦井殘留在地下的煤柱（廢物利用），氣化通道大，容易形成規(guī)模生產(chǎn)，氣化成本低。但其缺點是：老巷道氣體易泄漏，影響氣壓氣量以及安全生產(chǎn)，避免不了井下作業(yè)，勞動量大，不夠安全。而“無井式”氣化，建爐工藝簡單，建設(shè)周期短（一般1～2年），可用于深部及水下煤層氣化，但由于氣化通道窄小（因鉆孔直徑一般為200～300mm，鉆孔間距一般為15～50m，最大為150m），影響出氣量，鉆探成本高，煤氣生產(chǎn)成本高。

②氣化劑的選擇。氣化劑的選擇取決于煤氣的用途和煤氣的技術(shù)經(jīng)濟指標，從技術(shù)上，煤炭地面氣化所用的氣化劑（空氣、氧氣與蒸汽、富氧與蒸汽等）都可以用于煤炭地下氣化。

③地下氣化的控制方法。影響地下氣化工藝的因素很多（包括煤層的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖變化、氣化范圍位置不斷變化等），因而要采取一定的控制措施。簡單的做法是在每個進風管和出氣管上都安裝壓力表、溫度計、流量計。根據(jù)上述測量參數(shù)綜合分析地下氣化爐狀況，用閥門來控制壓風量、煤氣產(chǎn)量，以達到控制氣化爐溫度和煤氣熱值的目的。

1.8.2　國外煤炭地下氣化

近幾年，國外對UCG興趣大增，許多文獻介紹了他們的研究、開發(fā)成果［28～37］。

美國Yang等［38］研究了地下煤氣化的熱力學模型。

蘇聯(lián)是世界上進行地下氣化現(xiàn)場試驗最早的國家，也是地下氣化工業(yè)應(yīng)用成功的唯一國家。1932年在頓巴斯建立了世界上第一座有井式氣化站，為探討氣化方法，1932年到1961年間相繼建設(shè)了5座地下氣化站，到20世紀60年代末已建站27座。統(tǒng)計到1965年，共燒掉1500萬噸煤，生產(chǎn)300億立方米低熱值煤氣，所生產(chǎn)的煤氣用于發(fā)電或工業(yè)鍋爐燃燒。

美國地下氣化試驗始于1946年，首先在亞拉巴馬州的淺部煤層進行試驗，煤氣熱值達到0.9～5.4MJ/m3。20世紀70年代因能源危機，美國組織了29所大學和研究機構(gòu)，在懷俄明州進行大規(guī)模有計劃的試驗，進行了以富氧水蒸氣為氣化劑的試驗，獲得了管道煤氣和天然氣代用品，并用于發(fā)電和制氨。1987～1988年的洛基出-1號試驗，獲得了加大爐型、提高生產(chǎn)能力、降低成本、提高煤氣熱值等方面的成果，為煤炭地下氣化技術(shù)走向工業(yè)化道路創(chuàng)造了條件。美國加強了檢控方法的研究，例如采用熱電偶測量地下溫度，利用高頻電磁波等測量方法來確定氣化區(qū)的位置和燃空氣區(qū)的輪廓等。為了了解氣化過程中地表下沉等情況，利用伸長儀、傾斜儀、電阻儀、地角儀等儀表在氣化區(qū)地表進行觀測。由于美國在過去20年內(nèi)投入巨額資金，進行了大量試驗，因此，獲得了豐富的經(jīng)驗，使煤炭地下氣化技術(shù)日臻完善。政府資助項目集中于兩種工藝類型，控制后退供風點法（CRIP）及急傾斜煤層法（SDB）。

英國、日本、波蘭、荷蘭、德國、加拿大、比利時、法國等國家也先后結(jié)合本國煤層儲存條件的特點，對UCG技術(shù)進行了試驗研究，取得了豐富的成果，完成了U形爐火力、電力和定向鉆進等貫通試驗，進行了單爐、盲孔爐等試驗，建立了一系列基于質(zhì)量、動量、能量守恒和化學形態(tài)轉(zhuǎn)化的物理和數(shù)學模型，并開展了廣泛的國際合作交流。

西歐國家淺煤層大部分已開采完了，在1000m以下還有大量資源，這一深度通常被認為是傳統(tǒng)井工采煤的分界點。UCG在廢舊礦區(qū)和深于2000m不能用當前技術(shù)開發(fā)的煤層都可能應(yīng)用。鑒于此，1988年6個歐洲共同體成員國組成了一個歐洲UCG工作小組，提出了一新的發(fā)展計劃建議書，項目實施從1991年10月至1998年12月。該計劃的長遠目標是通過現(xiàn)場試驗和半商業(yè)計劃論證在典型歐洲煤層進行UCG商業(yè)應(yīng)用的可行性。在歐洲共同體合作框架上，在西班牙的Alcon sa進行了現(xiàn)場聯(lián)合試驗。試驗采用了定向鉆孔以及后退進氣系統(tǒng)，總共氣化了301h。從UCG試驗得到的煤氣純熱值與地面氣化相似，該氣化過程具有一定的穩(wěn)定性和高度的靈活性，啟動很快也很穩(wěn)定。試驗結(jié)果證明在中等深度（500～700m）歐洲煤層進行UCG是可行的。

2009年上半年起，美國Linc能源公司地下煤氣化（UCG）制油（GTL）驗證裝置在澳大利亞昆士蘭的Chinchilla投產(chǎn)，自5月起成功運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)出高質(zhì)量的合成烴類產(chǎn)品。“Green Car Congress”（2009-06-29）項目從1999年就開始了［39］。

英國利茲大學土木工程學院（University of Leeds）楊冬民等［40］評述了包括中國在內(nèi)的當前各國地下煤氣化的情況，有興趣的讀者可以閱讀。

Yang等［41］描繪了一份地下煤氣化項目的世界分布圖，主要分布在阿拉斯加（美國）、加拿大、美國、波蘭、匈牙利、英國、保加利亞、南非、烏茲別克斯坦、澳大利亞、巴基斯坦、印度、烏克蘭、俄羅斯、中國。分布圖參見文獻。

更多的一些國際地下煤氣化項目介紹如下（出自當前世界主要地下煤氣化項目，文獻［42］）。

1.8.3　我國的地下煤氣化試驗

1958～1962年，我國先后在鶴崗、大同、皖南、沈北等許多礦區(qū)進行過自然條件下煤炭地下氣化的試驗，取得了一定的成就。鶴崗地下氣化試驗是在1960年進行的，首先是用電貫通方法建立一個10m的通道，然后通過火力滲透，建立一個20m的通道（包括電貫通的10m），并連續(xù)采用此通道氣化20余天，生產(chǎn)出可燃煤氣。1985年，中國礦業(yè)大學煤炭工業(yè)地下氣工程研究中心針對我國報廢礦井中煤炭資源多的特點，1987年完成了徐州馬莊煤礦現(xiàn)場試驗，本次試驗進行了3個月，產(chǎn)氣16萬立方米，煤氣熱值平均為4.2MJ/m3。

結(jié)合我國礦井報廢煤炭資源多的特點，在總結(jié)國內(nèi)外煤炭地下氣化工藝的基礎(chǔ)上，中國礦業(yè)大學煤炭工業(yè)地下氣工程研究中心提出了“長通道、大斷面、兩階段”煤炭地下氣化新工藝，并進行了多次急傾斜煤層地下氣化模型試驗，在此基礎(chǔ)上完成了國家“八五”重點科技攻關(guān)項目——徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業(yè)性試驗和河北省重點科技攻關(guān)項目——唐山市劉莊煤礦煤炭地下氣化工業(yè)性試驗。到目前為止，已建成的地下氣化爐13座：徐州馬莊礦2座，河北唐山劉莊礦2座，山東孫村礦3座，協(xié)莊礦2座，鄂莊礦1座，肥城曹莊礦1座，山西昔陽2座。正在籌建的地下氣化爐19座。已建成地下氣化爐的煤氣組分見表1-10。

2002年1月啟動國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題“煤炭地下氣化穩(wěn)定控制技術(shù)的研究”［43］，建立了具有國際先進水平的煤炭地下氣化模型試驗臺，并對褐煤、煙煤煤、焦煙煤、無煙地下氣化過程進行了試驗研究。試驗獲得含H2量在40%以上的煤氣。2005年，山東里能集團承擔國家示范工程“煤炭地下氣化發(fā)電示范工程”，預計日產(chǎn)120萬立方米、熱值在8.36MJ/m3左右的煤氣，目前沒有后續(xù)報道。

2011年12月19日，山西省陽泉市首個煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)項目在平定縣張莊鎮(zhèn)工業(yè)循環(huán)園區(qū)奠基。該項目將依靠中國礦業(yè)大學的技術(shù)支撐，開發(fā)建設(shè)國內(nèi)首個礦區(qū)煤炭地下導控氣化清潔能源循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)示范園區(qū)。園區(qū)一期投資105億元，規(guī)劃建設(shè)規(guī)模為年氣化地下原煤250萬噸的生產(chǎn)設(shè)施。

2011年中國節(jié)能環(huán)保集團公司和英國公司簽訂15億美元合同。

2012年10月19日，澳大利亞低碳能源（Carbon Energy）公司宣布，將向中國煤炭巨頭晉煤集團轉(zhuǎn)讓地下煤氣化技術(shù)，據(jù)中化新網(wǎng)報道，這項技術(shù)轉(zhuǎn)讓費用為1000萬美元。第一階段將使0.5PJ（P=1015）合成氣供應(yīng)給當?shù)亻L治鄉(xiāng)；第二階段為大型商業(yè)項目開發(fā)，預計每年最低將生產(chǎn)合成氣30PJ［44］。

1.8.4　地下煤氣化制氫前景

煤炭地下氣化技術(shù)可以利用各種煤礦，例如回收礦井遺棄煤炭資源，開采井工難以開采、開采經(jīng)濟性、安全性較差的薄煤層和深部煤層。煤炭地下氣化技術(shù)大大減少了煤炭開采和使用過程中對環(huán)境的破壞，因為地下氣化燃燒后的灰渣留在地下，減少了地表下沉，無固體物質(zhì)排放，煤氣可以集中凈化。地下氣化煤氣可作為燃氣直接民用和發(fā)電，也還可用于提取純氫或作為合成油、二甲醚、氨、甲醇的原料氣。因此，煤炭地下氣化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，應(yīng)該予以重視。

地下情況不明給地下煤氣化工程帶來很大的難度，特別是建成的示范工程能否長期、可靠、穩(wěn)定地供氣是不容忽視的問題。