1.8　煤炭地下氣化制氫

煤炭地下氣化技術近幾年在中國也得到開發和利用。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、氣化等工藝的設備，因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優點，深受世界各國的重視，被譽為第二代采煤方法。

在技術研究上可分為三個方向：

①地下氣化方法類型。蘇聯早期使用“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，容易形成規模生產，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，避免不了井下作業，勞動量大，不夠安全。而“無井式”氣化，建爐工藝簡單，建設周期短（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經濟指標，從技術上，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（包括煤層的地質構造、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。根據上述測量參數綜合分析地下氣化爐狀況，用閥門來控制壓風量、煤氣產量，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。

蘇聯是世界上進行地下氣化現場試驗最早的國家，也是地下氣化工業應用成功的唯一國家。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年間相繼建設了5座地下氣化站，到20世紀60年代末已建站27座。統計到1965年，共燒掉1500萬噸煤，生產300億立方米低熱值煤氣，所生產的煤氣用于發電或工業鍋爐燃燒。

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，在懷俄明州進行大規模有計劃的試驗，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走向工業化道路創造了條件。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的位置和燃空氣區的輪廓等。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地表進行觀測。由于美國在過去20年內投入巨額資金，進行了大量試驗，因此，獲得了豐富的經驗，使煤炭地下氣化技術日臻完善。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合本國煤層儲存條件的特點，對UCG技術進行了試驗研究，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量、動量、能量守恒和化學形態轉化的物理和數學模型，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井工采煤的分界點。UCG在廢舊礦區和深于2000m不能用當前技術開發的煤層都可能應用。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場試驗和半商業計劃論證在典型歐洲煤層進行UCG商業應用的可行性。在歐洲共同體合作框架上，在西班牙的Alcon sa進行了現場聯合試驗。試驗采用了定向鉆孔以及后退進氣系統，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定性和高度的靈活性，啟動很快也很穩定。試驗結果證明在中等深度（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，自5月起成功運轉，生產出高質量的合成烴類產品。“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），并連續采用此通道氣化20余天，生產出可燃煤氣。1985年，中國礦業大學煤炭工業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場試驗，本次試驗進行了3個月，產氣16萬立方米，煤氣熱值平均為4.2MJ/m3。

結合我國礦井報廢煤炭資源多的特點，在總結國內外煤炭地下氣化工藝的基礎上，中國礦業大學煤炭工業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，在此基礎上完成了國家“八五”重點科技攻關項目——徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業性試驗和河北省重點科技攻關項目——唐山市劉莊煤礦煤炭地下氣化工業性試驗。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月啟動國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題“煤炭地下氣化穩定控制技術的研究”［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“煤炭地下氣化發電示范工程”，預計日產120萬立方米、熱值在8.36MJ/m3左右的煤氣，目前沒有后續報道。

2011年12月19日，山西省陽泉市首個煤炭地下氣化產業項目在平定縣張莊鎮工業循環園區奠基。該項目將依靠中國礦業大學的技術支撐，開發建設國內首個礦區煤炭地下導控氣化清潔能源循環經濟產業示范園區。園區一期投資105億元，規劃建設規模為年氣化地下原煤250萬噸的生產設施。

2011年中國節能環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讓地下煤氣化技術，據中化新網報道，這項技術轉讓費用為1000萬美元。第一階段將使0.5PJ（P=1015）合成氣供應給當地長治鄉；第二階段為大型商業項目開發，預計每年最低將生產合成氣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、開采經濟性、安全性較差的薄煤層和深部煤層。煤炭地下氣化技術大大減少了煤炭開采和使用過程中對環境的破壞，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，煤炭地下氣化技術具有較好的經濟效益和環境效益，應該予以重視。

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、穩定地供氣是不容忽視的問題。