一种煤炭地下气化工艺 【技术领域】
本发明涉及一种煤炭地下气化工艺。
背景技术
煤炭气化技术主要是指煤或焦炭、半焦等固体燃料，在高温常压或加压条件下，与气化剂反应，转化为气体产物和少量残渣的过程。气化剂主要是水蒸气、空气(或氧气)或它们的混合气。煤气化过程可用于生产燃料煤气，作为工业窑炉用气和城市煤气，也用于制造合成气，作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料，煤炭气化技术是煤化工的重要技术之一。
现有技术中煤炭气化方法可分为地面气化法和地下气化法。
煤炭地面气化法是在地面通过气化炉实现的。按煤在气化炉内的运动方式，气化方法可划分为三类，即固定床(移动床)气化法、流动床(沸腾床)气化法和气流床气化法。
煤炭地下气化是通过巷道掘进或钻孔掘进的方式，在自然煤层内布置进出气孔、气流通道、气化区、隔离区和泄水通道等，并最终形成地下气化炉(参见公开号为CN 1854459A的中国专利文献)，然后将气化剂通入煤层内，然后点燃煤层并控制煤层内煤与气化剂反应过程的气化方式。
与地面气化相比，地下气化方法将采煤、巷道掘进、煤炭的地下提升和地面储存、洗选、运输等多项环节集为一体，在将煤炭开采和清洁利用有效结合的同时，具有高效、环保、安全的特点，因此是一种具有广泛前景的煤炭气化技术。
煤炭地下气化和地面气化的基本化学反应相同，其过程简单而言，是将氧气等气化剂与气化炉(地面或地下)中的煤先后或同时发生氧化燃烧、还原、转化、甲烷化等反应。基本反应方程式为：
C+O2→CO2(1)
CO2+C→2CO (2)
H2O+C→H2+CO (3)
C+2H2→CH4 (4)
CO+H2O→CO2+H2 (5)
2C+O2→2CO (6)
2CO+O2→2CO2 (7)
C+2H2O(g)→CO2+2H2 (8)
2H2+O2＝2H2O+484 (9)
2C+2H2O＝CH4+CO2 (10)
CO+3H2→CH4+H2O+206.4 (11)
2CO+2H2→CH4+CO2+247.4 (12)
CO2+4H2→CH4+2H2O+165.4 (13)
其中(2)、(3)、(8)为吸热反应，其余均为放热反应。(1)-(9)为主要反应，(10)-(13)为辅助反应。煤炭气化生成的产品气的组分为CO、H2、CH4和其他组分包括CO2等气体，该产品气可应用于城市煤气供应和煤化工合成。
从上述煤气化过程中的化学反应可以看出，在煤的气化产物中含有大量的CO2，而且随着煤炭气化技术的广泛应用，产生的CO2将越来越多，CO2作为一种众所周知的温室气体，如果将煤炭地下气化过程中产生的CO2全部排放到大气中，将进一步加剧地球温室效应。因此，在进行煤炭地下气化过程中如何有效的利用和回收CO2、减少其排放量成为人们研究的一个重要课题。
【发明内容】
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种新的煤炭地下气化工艺，该工艺通过使CO2参与煤炭的地下气化反应、置换煤炭地下气化燃空区中气化残留物(包括残煤、半焦和气化残渣)所吸附的O2、CO、H2和CH4气体、并有效地回收燃空区内的残煤、半焦中的碳资源和热量，并在燃空区进行沉降，实现了煤炭地下气化过程中CO2的减排甚至零排放。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
(1)间隔设置若干个由地面钻至地下煤层的竖井，在地下煤层中挖掘依次连通各竖井的连接通道；
(2)首先，将位于连接通道一端的竖井作为第一进气井，选择其他任一竖井作为出气井，封闭其余竖井；然后，向第一进气井输入氧气或空气，点燃第一进气井下的煤层，使得氧气与地下燃烧区中的碳发生反应：
C+O2→CO2+393kj/mol
2C+O2→2CO+231.4kj/mol
直至地下煤层燃烧区的温度上升至600℃以上，形成从第一出气井处燃起，沿连接通道向出气井方向燃进的地下气化炉；
(3)从出气井回收地下气化炉产生的CO2，将其与氧气混合，控制混合气中CO2的体积比为0-60％，并将混合气作为气化剂通过第一进气井输入到地下气化炉，通过调节气化剂中O2的比例将燃烧区的温度控制在600℃-1300℃范围内，在燃烧区中，CO2与碳发生还原反应：
CO2+C→2CO
(4)在地下气化炉持续燃烧一段时间并出现燃空区后，随着燃空区的逐步扩大，逐步提高输入到第一进气井的混合气中CO2的浓度，利用混合气中的CO2置换出燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，同时利用燃空区的余热使CO2与燃空区内的残余碳进行还原反应：
CO2+C→2CO
(5)待第一进气井和与其相邻的第二号竖井之间的煤层完全形成燃空区后，打开第二号竖井，将其作为第二进气井向地下气化炉输入混合气化剂，并同样选择位于气化炉另一侧的其他任一竖井作为出气井、封闭该侧的其余竖井，同时将输入第一进气井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，并利用CO2比重较大的特点，在燃空区内沉降CO2；
(6)待第二进气井和与其相邻的第三号竖井之间的煤层完全形成新的燃空区后，封闭第一进气井，与此同时，打开第三号竖井，将其作为第三进气井向地下气化炉输入混合气化剂，同样选择位于气化炉另一侧的其他任一竖井作为出气井、封闭该侧的其余竖井，并且将输入第二进气井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出新燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，并在新的燃空区内沉降CO2；如此循环，直至地下气化炉燃进到连接通道另一端，并气化完毕。
实现本发明目的的另一个技术方案是：
(1)间隔设置若干个由地面钻至地下煤层的竖井，在地下煤层中挖掘依次连通各竖井的连接通道；
(2)首先，将位于连接通道中部的任一竖井作为第一进气井，选择第一进气井两侧的任意两个竖井作为出气井，封闭其余竖井；然后，向第一进气井输入氧气或空气，点燃第一进气井下的煤层，使得氧气与地下燃烧区中的碳发生反应：
C+O2→CO2+393kj/mol
2C+O2→2CO+231.4kj/mol
直至地下煤层燃烧区的温度上升至600℃以上，形成从第一出气井处燃起，沿连接通道分别向两侧出气井方向燃进的两个地下气化炉；
(3)从出气井回收地下气化炉产生的CO2，将其与氧气混合，控制混合气中CO2的体积比为0-60％，并将混合气作为气化剂通过第一进气井输入到地下气化炉，通过调节气化剂中O2的比例将燃烧区的温度控制在600℃-1300℃范围内，在燃烧区中，CO2与碳发生还原反应：
CO2+C→2CO
(4)在两地下气化炉持续燃烧一段时间并出现两燃空区后，随着燃空区的逐步扩大，逐步提高输入到第一进气井的混合气中CO2的浓度，利用混合气中的CO2置换出两燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，同时利用两燃空区的余热使CO2与燃空区内的残余碳进行还原反应：
CO2+C→2CO
(5)待两地下气化炉燃进到第一进气井两侧相邻的两个竖井处并在各自后方完全形成燃空区后，打开第一进气井两侧相邻的两个竖井，将该两竖井作为第二进气井向两地下气化炉输入混合气化剂，并选择每个气化炉另一侧的其他任一竖井作为出气井、封闭该侧的其余竖井，同时将输入第一进气井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，并利用CO2比重较大的特点，在燃空区内沉降CO2；
(6)待两地下气化炉燃进到两个新的竖井处并在各自后方再次形成两个新的燃空区后，打开该两个新的竖井，将其作为两第三进气井向两地下气化炉输入混合气化剂，封闭第一进气井，并同样选择位于量气化炉另一侧的其他任一竖井作为出气井、且封闭该侧的其余竖井，并且将输入第二进气井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出新燃空区气化残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，并在新的燃空区内沉降CO2；如此循环，直至两地下气化炉分别燃进到连接通道两端，并气化完毕。
进一步，上述两技术方案步骤(3)中所述气化剂中O2所占的体积比均为40-80％。
在本发明煤炭地下气化工艺中，首先利用煤炭燃烧后的余热使CO2与燃空区的煤炭残渣和半焦进行还原反应，然后利用燃空区对CO2的吸附性强于其他气体的特性，对气化产生的CO2进行吸附，并同时置换出原来吸附的O2、CO、H2和CH4等气体，最后，利用CO2比重较大的特点，在燃空区中对CO2进行沉降储存，因此，本发明气化工艺不但能够大大地减少CO2的排放量，甚至实现零排放，而且减少了能源消耗，提高了资源利用率。
【附图说明】
附图为本发明工艺流程示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如附图所示，实施本发明煤炭地下气化工艺时，首先根据要气化的煤层的范围，间隔设置9个由地面钻至地下煤层的竖井，并在地下煤层中挖掘依次连通各竖井的连接通道；然后将位于连接通道两端的1号竖井作为进气井、9号竖井作为出气井，封闭2-8号竖井，点燃1号竖井下的煤层，并向进气井输入氧气或空气，使得氧气与地下燃烧区中的碳发生反应：
C+O2→CO2+393kj/mol
2C+O2→2CO+231.4kj/mol
直至地下煤层燃烧区的温度上升至600℃以上，并形成地下气化炉。
随后从出气井回收地下气化炉产生的混合气，从中分离出CO2气体并将其与O2混合，控制混合气中CO2的体积比为0-60％，将CO2与O2混合后的气体作为气化剂通过1号井输入到地下气化炉，调节气化剂中O2的比例将燃烧区的温度控制在600℃-1300℃范围内，在燃烧区中，CO2与碳发生还原反应：CO2+C→2CO。其中，与CO2进行混合的气体可以是纯氧，也可以是空气，或其他含有氧气的混合气体。
在地下气化炉持续工作一段时间，1号井与2号井之间出现燃空区后，随着燃空区的逐步扩大，逐步提高输入到1号井的气化剂中CO2的浓度，利用气化剂中的CO2置换出燃空区残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，同时利用燃空区的余热使CO2与燃空区内未燃烬的煤炭残渣和半焦进行还原反应：CO2+C→2CO。
待1号井与2号井之间的煤层完全形成燃空区后，打开2号井，通过2向地下气化炉输入气化剂，同时将输入1号井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出燃空区残留物所吸附的O2、CO、H2和CH4，并利用CO2比重较大的特点，在燃空区内沉降储存CO2。
待2号气井与3号井之间的煤层完全形成新的燃空区后，封闭1号井，打开3号井，通过3号井向地下气化炉输入气化剂，同时将输入2号井的混合气中的CO2的比例提高至100％，继续利用CO2置换出新燃空区所吸附的O2、CO、H2和CH4，并在新的燃空区内沉降储存CO2。如此循环，直至地下气化炉推进到出气井，并气化完毕。为了避免从2号井输入的气体反冲向1号井，影响CO2的沉降储存，在打开3号井并将其作为进气井后，可逐步减少向1号井输入的CO2的量，直至关闭1号井。
由于地下气化炉经过的燃空区中存在有未燃尽的残煤、半焦，并且残煤、半焦、气化残渣等残留物仍处于较高的温度状态，这样利用气化剂中的CO2与这些残煤和半焦进行反应，既使这部分未燃尽的残余碳得到气化，又充分利用了燃空区的余热。因燃空区未燃尽的残煤、半焦和气化残渣属于多孔结构，其中吸附有O2、CO、H2和CH4，这些成分对地下气化来说都属于有效组分，而多孔结构对CO2的吸附能力高于对O2、CO、H2和CH4的吸附能力，向燃空区输入CO2可以把这些有效组分置换出来。另外CO2比重比较大，在利用CO2进行还原反应和置换其他气体的同时，还可将CO2沉降储存在燃空区中。经过上述处理后，随着CO2被吸附、参与还原反应以及沉降，可大大减少其排放量，甚至实现不排放。
在煤炭气化过程中，使地下气化炉保持足够高的温度是必要的，但是如果温度过高会导致灰分融化，而融化后的灰分又会将未反应的煤包围起来，阻止深层煤的顺利气化，造成煤炭资源的浪费和转化率的降低。通过调整气化剂中O2的比例，将地下气化炉的反应温度控制在600℃-1300℃的范围内，可避免灰渣的熔融，保证煤炭地下气化的顺利进行。
实验证明，在煤炭地下气化过程中，当气化剂中氧气所占的体积比为40-80％时，所生产出的产品效果最佳，当氧气的有效体积比在80-100％之间变化时，氧气含量的增加对最终气化产品有效组分增加的影响速率降低，因此将气化剂中的氧气含量控制在40-80％，可实现煤炭地下气化过程最佳的费效比。
在上述实施例中，是以位于一端的9号竖井作为出气井的方式进行地下煤炭气化的，除此之外，在从1号竖井作为起点进行地下煤炭气化作业时，也可选择位于地下气化炉燃进方向一侧的任一竖井作为出气井，如1号竖井作为进气井时，可选择2号竖井作为出气井，待气化炉燃进到2号竖井后，再打开3号竖井作为出气井，以此类推，直至气化炉燃进到9号竖井，并气化完毕，并且在上述气化过程中，保持其他的工序不变。
为了提高生产率，还可选择中间2-8号竖井之一作为起点进行地下煤炭的气化作业。如选择4号竖井作为第一进行井，选择1-3号竖井之一作为一侧出气井，再选择5-9号竖井之一作为另一侧出气井，封闭其他竖井，向进气井内输入氧气或空气，点燃4号竖井下的煤层，使4号竖井下形成两个分别向两侧的1号竖井和9号竖井燃进的地下煤炭气化炉，后续工序则与第一实施例相同。另外，在选择4号竖井作为煤炭气化起点后，还可选择1号竖井和9号竖井作为两个固定的出气井，进行煤炭的地下气化作业。等等。