煤炭地下气化技术

介绍了煤炭地下气化的基本原理、应用地质条件、国内外发展概况以及与传统的井工开采煤炭相比的优越性。分析了实施煤炭地下气化所需解决的地下气化炉结构和报化工艺参数的选择、高温条件下煤和岩石物理化学性质的测试、物探测试和监控、大口径定向钻进等关键技术问题,提出了我国发展煤炭地下气化技术的对策。     

无井式煤炭地下气化技术大有作为——访问乌兹别克斯坦安格连煤炭地下气化站体会

无井式煤炭地下气化是一种新的采煤技术，对我国具有重要意义。介绍了乌兹别克斯坦安格连煤炭地下气化站的开采技术。     

国内外煤炭地下气化技术现状及新奥攻关进展

介绍了国内外煤层地下气化的发展状况及最新进展,阐明了煤炭地下气化的优越性及技术发展过程中的坎坷历程,指出煤炭地下气化（UCG）是解决传统煤炭开采方法存在的一系列技术和环境问题的重要途径。介绍了新奥无井式煤炭地下气化技术攻关成果,展望了地下气化采煤的前景。     

煤炭地下气化钻孔施工实践与工艺探讨

结合为某煤矿施工煤炭地下气化钻孔工程实践，对煤炭地下气化钻孔的施工方法与程序进行了探讨。     

地球物理CT技术在煤炭地下气化中的应用

地球物理ＣＴ技术在煤炭地下气化中的应用孙洪星中国矿业大学，徐州，２２１００８关键词：地球物理，计算机断层扫描，煤炭地下气化，ＡＲＴ方法，江苏ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅ...     

国外煤炭地下气化研究现状

借助Web of Science期刊全文数据库,系统地检索了近五年关于煤炭地下气化的外文文献,共计150余篇。基于这150余篇论文的研究内容及分布特征,归纳了近期国外关于煤炭地下气化的发展现状及研究内容,探讨了煤炭地下气化的不足及理论研究内容。研究结果表明：(1)国外煤炭地下气化论文数量近五年呈现下降趋势,说明煤炭地下气化技术大规模商业化发展仍需要一定时间。其中印度和波兰两个国家的论文数量远超过其他国家,说明这两个国家对煤炭地下气化技术比较关注。(2)近五年国外研究主要倾向于建立气化模型、样品实验研究、气化污染处理、气化工艺改进及地质风险评价等方面。关于实地开展气化项目研究内容较少。(3)煤炭地下气化技术是一种包含物理和化学变化的复杂工艺,现阶段均为单一模块研究,之后随着技术创新并将地面、地下及控制等方面结合,会将煤炭地下气化向商业化发展推进。煤炭地下气化制氢及深部煤层煤炭地下气化是未来的重要发展方向。     

煤炭地下气化中的地质问题

煤炭地下气化(UCG)产业化有助于煤炭能源结构转型发展,提高煤炭资源的低碳化利用水平,是一项符合可持续发展战略的环境友好型能源开发技术。20世纪80—90年代的国际能源危机,促使美国大力发展UCG技术,先后开展了6大系列UCG先导试验,极大推进了UCG技术进步,为全球现代UCG技术的形成提供了关键基础。系统收集整理美国40余年的UCG先导试验成果,梳理关键技术发展路径,目的是为我国正在推进的UCG技术产业化进程提供启示和借鉴。研究表明,美国通过UCG先导试验和技术探索,确定了适宜于UCG技术的煤层和煤质条件,创新发展了钻井式UCG方法和工艺,尤其是发明了可控后退式注入点(CRIP)和双水平井(P-CRIP)技术,提供了气化通道建造、气化过程控制、合成气质量提高三方面技术难题的解决方案;提出了相邻孔腔相互融合的技术思路,为从单炉开始扩大UCG气化规模奠定了可行基础。在政府层面上组织实施系统的协同科技研发计划,是美国UCG技术创新能力持续释放的关键。同时,美国UCG系列试验尚有诸多技术难题有待进一步解决,如UCG炉地质密封性及其动态监测评价、气化通道动态监控与稳定性、煤层充分气化保障技术、炉宽安全有效扩展技术、UCG炉环境监测与控制、与碳减排密切结合的UCG技术等,为我国UCG技术发展提供了需要关注的重点方向。

     

煤炭地下气化技术及其应用前景

煤炭地下气化是一种煤炭原位开采技术。文中介绍了煤炭地下气化的工艺过程、技术特征、技术发展历程及其应用前景,特别强调煤炭地下气化应用过程的科学选址及地下水污染防控问题。煤炭地下气化的析气过程是基于煤岩混杂的渗滤通道反应,包含沿径向及沿轴向的煤气化反应过程。随气化通道扩展形成单个稳定气化周期。基于长距离定向钻井及连续油管的移动注气点后退气化工艺,奠定了煤炭地下气化商业化应用的技术基础。地下气化煤气可用于燃气蒸汽联合循环发电,并逐步用作化工原料气。通过科学选址并采取地下水污染防控措施,可以使煤炭地下气化成为新一代的绿色化学采煤技术,具有广阔的应用前景。     

欧洲煤炭地下气化的开发及前景

煤炭地下气化(UCG)是我国煤炭能源结构转型的重要路径。欧盟国家在UCG领域开展了80余年探索,丰富的经验可为推进我国UCG产业化提供借鉴。英国是世界上最先筹备UCG先导试验的国家。在1944—2014年,欧盟国家先后借鉴前苏联及美国经验,分3阶段至少实施了12个UCG先导试验项目,为UCG技术进步做出了重要贡献。发明了盲孔法及V型炉体结构,率先将浅部UCG先导试验成功延伸到深度500~1000 m,系统环境监测结果为消减UCG环境安全担忧提供了实际依据。同时,欧盟国家成功与失败案例均给将来的UCG技术发展带来珍贵启示。UCG炉密封性地质条件研究及针对性的工程技术措施极其重要。提高气化效率及产品气质量,是实现UCG项目商业竞争力的关键。依靠自修复功能可以在短时间内使UCG炉附近地下水环境风险自行解除,但环境动态监控需要加强。

     

张家口市万全煤田煤层地下气化开发条件研究

根据万全煤田地质构造、水文地质、地层岩性、煤类与煤质、煤层(组)厚度与夹矸的具体分布特点，对万全煤田煤层地下气化开发条件及其前景进行了较为全面的分析和研究，对今后本区煤炭资源开发利用具有一定的指导意义。     

Insights into ground response during underground coal gasification through thermo-mechanical modeling

This paper presents a coupled thermo-mechanical model to investigate the ground response during underground coal gasification (UCG). The model incorporated the temporal and spatial development of temperature, the gradual growth of the cavity, and temperature-dependent material properties. Model verification was made against two benchmarks to acquire the confidence for the predictive purpose. The first exercise demonstrated the correctness of the model implemented in COMPASS. The second exercise showed that using the ash-filled cavity to represent null or empty zones is a good option in the numerical modeling and provided highly comparable results to other models. Based on the Hanna UCG trial, different cases were simulated to investigate the effects of the cavity size in the coal seam and the thermal expansion coefficient of the caprock and base rock on key features that take place during the process of UCG. A maximum temperature in the range of 1200–1500 ℃ was induced by the gasification of coal, and a cavity with a maximum length of 13.5 m was formed after 30 days of simulation. Meanwhile, small vertical displacement in the range of -5–12 mm took place near the cavity because of the thermal expansion of the geologic materials and the reduction of the overall weight with the creation of the cavity. In addition, it was found the thermal expansion coefficients can influence the thermo-mechanical response of geologic materials, but the effects were insignificant when its order of magnitude was smaller than 10^-6 K^-1.     

煤炭地下气化炉选址的地质影响因素

煤炭地下气化是对传统采煤技术的变革,气化炉选址是煤炭地下气化能否成功的先决条件。基于煤炭地下气化的研究进展和存在的问题,分析煤炭地下气化原理和气化炉选址的地质影响因素,重点分析煤级、煤层、地下水、围岩、构造等地质条件。结果表明：褐煤最适合地下气化;地下气化煤厚度应大于2 m、煤层倾角小于70°、埋深300~2 000 m适宜。同时,煤炭地下气化过程可能会对地下水造成污染,地下水涌入气化盘区也会导致气化失败;煤炭地下气化容易引起围岩破裂,造成地下水贯入气化区以及地表沉降;煤炭地下气化炉选址应避开构造复杂区域;地下气化可能会影响附近含水层微生物的活性,破坏地下生态环境系统。     

天津静海含煤区无井式煤炭地下气化选址地质评价模型

地质条件对煤炭地下气化选址起着重要作用。运用二级模糊综合评判法,从勘探情况、煤层特征、煤质特征、水文条件4个影响因素入手,构建了天津静海含煤区无井式煤炭地下气化地质评价模型,并通过质量守恒物料衡算与室内模拟实验结果对比验证了模型的适用性。研究认为：影响无井式煤炭地下气化的地质条件所占权重依次为勘探情况 > 煤层特征 > 水文条件 > 煤质特征,综合得分高于70的区域为无井式煤炭地下气化适合区,60~70分为比较适合区,低于60分为不适合区。天津静海含煤区5号煤层综合评分为78.89分,为无井式煤炭地下气化适合区,扣分项主要来自于埋深、CO₂反应活性（900℃）和黏结性。物料衡算所得煤气组分与室内模拟实验所得煤气组分相对误差均在允许误差15%范围内,有用组分（H₂+CO+CH₄）相对误差为2.63%,证明了所建模型的适用性,对后期生产规模设计和现场生产具有一定的指导意义。     

煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义

在实现碳达峰碳中和(“双碳”)目标和保障国家能源安全的双重需求驱动下,我国煤炭地下气化(UCG)迎来了新的历史发展机遇期。为科学制定技术攻关路线、加快产业化发展,按时间顺序梳理了煤炭地下气化试验历程,将其分为矿井式气化、直井/定向井气化、水平井气化3个发展阶段,探究了不同阶段推动气化技术革新的底层逻辑,从技术和非技术2个方面分析了未能产业化的原因并提出产业化发展建议。研究表明：(1) 水平井+可控注入点后退气化工艺不仅能够有效规避浅层气化在地表沉降、淡水污染方面的风险,而且在扩大煤炭纵向开发范围、提高单井控煤量、提升粗煤气品质、保障连续气化方面具有优势,是当前和今后一个时期的主流技术路线。(2) 我国是现场试验时间最长的国家,长期处于矿井式气化阶段,虽然我国中深层煤炭地下气化攻关试验刚起步,但是由于该技术攻关难度大、技术成熟度低,主要富煤国家在技术研发上基本属于同一起跑线,有希望成为我国钻井式气化技术弯道超车的新赛道。(3) 技术适用性不强是造成矿井式、直井式气化产业化困难的主要技术原因,技术成熟度较低是制约水平井气化产业化的主要技术原因,长期稳产高产问题尚未得到彻底解决。(4) 常规天然气低成本开发和页岩气革命的冲击,民众对浅层气化诱发环境污染的担忧,政府对煤炭地下气化的政策转向,是导致国外试验终止的主要非技术原因;发展规划长期空白、科研试验主体相对单一、科研投入不足、产业扶持政策未出台、联合创新机制未建立是阻碍我国气化产业化的非技术原因。提出我国UCG产业化建议：新时期要充分认识煤炭地下气化技术的复杂性和挑战性,按照“干成”“干好”两个维度,破解“长期稳产”和“高产优产”两个核心问题,通过同步推进科研攻关和现场试验不断提高技术成熟度,在生产端采用“先物理采气后化学气化”的梯级开发方式避免与煤层气开发竞争,在利用端积极探索与油气、新能源、煤化工融合发展模式以提高经济效益。作为一种“人造气藏”的颠覆性开发方式,煤炭地下气化攻关成功后能为其他矿产资源的流态化开发提供技术借鉴,助推我国化石能源非常规开发技术实现新跨越。

     

A preliminary study on the enrichment mechanism and occurrence of hazardous trace elements in the Tertiary lignite from the Shenbei coalfield, China

The Cr and Ni contents are high in the Eocene lignite of the Shenbei coalfield, which is a small intracontinental basin located in Liaoning Province, China. In this paper, we studied the distribution, origin and occurrence of Cr, Ni and other hazardous trace elements in the Shenbei lignite on the basis of coal petrology, and geochemistry of the lignite and combustion products. The following conclusions on the Shenbei lignite can be drawn: (1) The dominant maceral group in the Shenbei coal is huminite (humodetrinite), accounting for 96%–99% of the total maceral. Inertinite content is less than 1%. Liptinite content (sporinite and cutinite) is 0.2–1.6%. Common minerals in the Shenbei lignite include clay minerals (kaolinite), pyrite and quartz, and calcite and siderite. Chromite is not present in the lignite. (2) Potentially hazardous trace elements such as Co (22 μg/g), Cr (79 μg/g), Cu (63 μg/g), Zn (93 μg/g), V (88 μg/g) and Ni (75 μg/g) are strongly enriched in the Shenbei lignite compared with average concentration of trace elements in the Chinese coal and worldwide lignite. These elements are mainly associated with fulvic acid (FA) and/or coal organic macromolecular compounds in most of the studied lignite samples, indicating an organic association and enrichment of these elements in the Shenbei lignite. (3) Unusually high trace elements contents in the Shenbei lignite are derived mainly from the olivine basalt (country rock of coal basin) that consists of 52.7% plagioclase, 17.8% pyroxene, 14% olivine and 15.5% Ti–Fe oxide minerals. These olivine basalts have higher Cr, Ni, Pb and Zn contents than other types of rock and worldwide basalts do. (4) Fly ash of the Shenbei lignite, with 90% 1–50 μm amorphous particles and 8% 1–10 μm cenosphere, has high contents of Zn (23,707 μg/g), Be (12 μg/g), Sr (1574 μg/g), Pb (486 μg/g) and Cr (349 μg/g). In particular, the ferruginous micro-cenoshperes contain 1–12.79% Zn. Fine bottom ash (<0.031mm) of the Shenbei lignite has higher contents for most of the elements with the exception of Mo, Sn and Zn. Therefore, the potentially environmental and health impact of the fly ash and fine bottom ash should constitute a major concern.     

煤矿地下水库岩体碎胀特性试验研究

鉴于岩石碎胀特性对于煤矿地下水库储水能力及地表沉陷的重要影响,选取神东矿区某矿22615面为工程背景,利用相似材料模型试验探究采空区垮落岩体应力及碎胀系数分布规律,明确垮落岩体应力-碎胀系数关系,并通过岩石压实试验进行验证,揭示饱水岩石压实特性。研究结果表明：沿采空区走向,边界附近老顶悬臂梁结构限制覆岩下沉,垮落岩体应力最低仅为0.32 MPa,碎胀系数最大达1.48;中间区域老顶结构失稳覆岩完全下沉,垮落岩体应力趋于1.5 MPa,碎胀系数降至1.09。沿采空区垂向,垮落岩体应力随高度负相关改变,而碎胀系数成正相关变化。无论沿采空区走向或垂向,垮落岩体碎胀系数与应力均满足负对数关系。与自然岩石相比,受载饱水岩石碎胀系数减幅更为明显,两者相差8.514%,为煤矿地下水库储水量和地表沉降量预测提供了基础理论依据。     

张家口市万全煤田煤层地下气化开发条件研究

根据万全煤田地质构造、水文地质、地层岩性、煤类与煤质、煤层(组)厚度与夹矸的具体分布特点,对万全煤田煤层地下气化开发条件及其前景进行了较为全面的分析和研究.结果表明该区地质构造简单,水文地质条件单一,煤层顶底板主要为泥岩、碳质泥岩和粉砂岩,而煤层为褐煤,均为煤层进行地下气化的良好条件;唯有煤层夹矸层多是不利于地下气化的因素.