毛　飛

四川發(fā)展（控股）有限責(zé)任公司

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煤炭地下氣化是我國化石原料供給側(cè)創(chuàng)新方向

毛飛

四川發(fā)展（控股）有限責(zé)任公司

毛飛. 煤炭地下氣化是我國化石原料供給側(cè)創(chuàng)新方向. 天然氣工業(yè), 2016,36(4):103-111.

摘 要中國能源需求量巨大，在富煤、貧油、少氣、可再生能源總量有限且增速較慢的能源格局下，如何安全、清潔、高效開采和利用煤炭已成為討論的焦點。為此，剖析了當(dāng)前煤化工及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）等煤炭利用方式所面臨的問題，提出煤炭地下氣化技術(shù)是一種符合現(xiàn)實需求的選擇。研究結(jié)果認(rèn)為，煤炭地下氣化技術(shù)在安全與環(huán)境、優(yōu)勢資源綜合利用、經(jīng)濟(jì)可行性等多個方面都具有優(yōu)勢，可作為煤化工和IGCC的前端支撐和保障。在當(dāng)前的發(fā)展形勢下，應(yīng)從以下幾個環(huán)節(jié)入手，推動煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展：①加強(qiáng)技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)，建立可行性研究綜合評價體系，制訂產(chǎn)業(yè)化行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；②給予煤炭地下氣化產(chǎn)品精準(zhǔn)的市場定位，關(guān)注產(chǎn)品全流程綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，先技術(shù)可行，后經(jīng)濟(jì)優(yōu)化；③建立完善的運作及管理模式，嚴(yán)格把控高效、環(huán)保、安全、和諧、簡潔的產(chǎn)業(yè)鏈目標(biāo)。結(jié)論認(rèn)為，實現(xiàn)煤炭地下氣化的規(guī)模化將有力推動我國化石原料供給側(cè)的優(yōu)化創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞中國 煤炭地下氣化 化石原料 供給側(cè)創(chuàng)新 潔凈化石能源 煤化工 IGCC 能源安全

2014年中國能源供應(yīng)量占全球的19％，而消費量則占全球的23％， 天然氣消費量增長率為8.6％，石油消費量增長率為3.3％，進(jìn)口原油3×108t、天然氣583×108m3，油、氣對外依存度分別為61％ 和30％。在全球經(jīng)濟(jì)低迷的情況下，2015年中國天然氣消費量仍繼續(xù)增長，達(dá)到1 800×108m3，占全球消費總量的5％～6％。預(yù)測結(jié)果表明，中國將在2020年代中期超過俄羅斯成為全球第二大天然氣消費國，在2030年前后超過美國成為世界上最大的石油消費國[1]。到2030年中國天然氣總消費量將達(dá)到5 800×108m3，占全球總用量的10％，人均年天然氣用量約450 m3，是當(dāng)前消費量的3倍，雖然基本達(dá)到目前的世界平均水平，但仍不及美國當(dāng)前人均用量的20％。加大天然氣利用的比例已成為國家和全社會的共識，這從中國近年來天然氣消費量、進(jìn)口量及其增速[2]、燃?xì)庀M量及其增速[3]的實際數(shù)據(jù)及國家對天然氣的規(guī)劃和引導(dǎo)報告中都可以得到進(jìn)一步的印證[4]。

相對于中國每年巨大的能源需求量，除了煤炭產(chǎn)量能夠滿足、儲采比也相對較高外，其他常規(guī)化石能源的儲采比則嚴(yán)重不足，其中石油僅為11.9年，天然氣僅為25.7年，且當(dāng)前新增油氣儲量探明率嚴(yán)重低于消費量增長率[1]。預(yù)測到2030年國內(nèi)油氣類清潔化石原料的自給率不足40％，其供需矛盾相當(dāng)突出。這樣龐大的化石原料供應(yīng)缺口，在全世界范圍內(nèi)也是不可忽視的。歷史上日本、歐洲和現(xiàn)在烏克蘭的多次遭遇已經(jīng)證明，能源自給率太低會給發(fā)展帶來極大的掣肘和切膚之痛[5]，如果中國化石能源的供給過多地寄希望于國際供應(yīng)，價格的穩(wěn)定性和供給的可持續(xù)性都將得不到保障，這類不確定性因素甚至?xí){到國家安全。在我國富煤、貧油、少氣、可再生能源總量有限且增速較慢的能源格局下，討論的重點已經(jīng)不再是是否使用煤炭，而更多的則是如何安全、清潔、高效開采和利用煤炭。在當(dāng)前的形勢下，煤炭地下氣化是一種符合現(xiàn)實需求的選擇。

1 煤炭地下氣化及其研究現(xiàn)狀

煤炭地下氣化是煤炭開發(fā)技術(shù)之一，是將處于地下的煤進(jìn)行有控制地燃燒，通過煤的熱及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的過程，變物理采煤為化學(xué)采煤，實現(xiàn)“采煤不見煤”的能源潔凈開采和利用。

1.1 產(chǎn)業(yè)歷程

1.1.1 國外研究進(jìn)展

自1888年門捷列夫提出煤炭地下氣化的設(shè)想以來，多個國家在煤炭地下氣化領(lǐng)域做了大量的研究工作。截至目前，國外實施的地下氣化項目約有33個，主要集中在蘇聯(lián)地區(qū)、美國、澳大利亞、南非、加拿大和歐洲地區(qū)。

美國在20世紀(jì)70～80年代，由當(dāng)時的勞倫斯國家實驗室等科研部門在幾個項目基地進(jìn)行了38次試驗，研究出了“后退式煤炭地下氣化”技術(shù)[5]。美國將該項技術(shù)定位為國家能源安全緊急時期的技術(shù)儲備，在國家能源遇到危機(jī)時啟用，對其技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益方面沒有再展開系列優(yōu)化研究。

蘇聯(lián)地區(qū)：由Skochinsky國家礦業(yè)研究院研發(fā)了地下氣化技術(shù)，已經(jīng)將該項技術(shù)應(yīng)用于蘇聯(lián)范圍內(nèi)的多個礦井中，也被證明了其技術(shù)可行。截至目前，在蘇聯(lián)地區(qū)已經(jīng)實施的地下氣化項目6個[6]，其中烏茲別克斯坦的安格林項目[7]是全世界唯一還在運行的煤炭地下氣化項目。

加拿大公司在與美國公司合作并借鑒后者地下煤炭氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過不斷地自我研發(fā)和現(xiàn)場實驗，研發(fā)出εUCG技術(shù)[8]。該項技術(shù)基本代表了目前西方國家地下氣化技術(shù)的主流，并已直接或間接應(yīng)用到澳大利亞、南非、印度、中國等國家的地下氣化試驗中。加拿大公司自稱已經(jīng)實現(xiàn)了該技術(shù)的工業(yè)化。

澳大利亞煤炭地下氣化工作是在引進(jìn)加拿大技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。截至目前，澳大利亞的煤炭地下氣化工業(yè)性試驗的產(chǎn)業(yè)鏈相對是最全的，代表項目有Linc公司的慶奇拉[9]地下煤氣化制油項目。

南非多年前就開展了煤制油項目，有一定的煤化工基礎(chǔ)，但是煤炭地下氣化項目技術(shù)基本是直接或者間接引進(jìn)加拿大的εUCG技術(shù)。2006—2012年南非在Eskom等地[9]進(jìn)行了相關(guān)的工業(yè)性試驗，并計劃實施更大規(guī)模的工業(yè)性試驗，但是截至目前也沒有展開實質(zhì)性的工作。

目前正在準(zhǔn)備進(jìn)行煤炭地下氣化技術(shù)研究的國家的有英國、巴基斯坦、保加利亞、越南和波蘭等；歐盟、印度等國家和地區(qū)則在關(guān)注這一技術(shù)的發(fā)展。英國自從1912年起率先在全世界開展第一次地下氣化試驗后，最近再次在北海盆地批準(zhǔn)了61 274×104m2的煤炭礦權(quán)供地下氣化研究。波蘭中央礦業(yè)研究所與澳大利亞Linc公司合作承擔(dān)歐盟的HUGE2地下氣化項目，該項目是對歐盟深部煤層氣化HUGE項目的后續(xù)研究。印度政府正在起草煤炭地下氣化政策，巴基斯坦與中國礦業(yè)大學(xué)合作在首都以北360 km的沙漠中進(jìn)行了初步試驗。

從實施效果來看，安格林及慶奇拉項目最能體現(xiàn)行業(yè)的綜合水平。安格林煤炭地下氣化站建于1961年，采用無井式，該氣化站是把地下的褐煤氣化成動力煤氣，供給安格林熱力發(fā)電站與重油摻燒發(fā)電使用，該氣化站的生產(chǎn)能力為100×104m3/d。慶奇拉項目于1999年就開始示范，截至2013年因爭執(zhí)了多年、但無法證明對環(huán)境無影響而全面停止，該項目的技術(shù)特點之一是實現(xiàn)了負(fù)壓氣化且直接將氣化的煤氣制成合成油，是全球第一個形成煤炭氣化—煤氣凈化—合成石油的代表項目。

1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國礦業(yè)大學(xué)的余力[10]、王作棠[11]、梁杰[12]、楊蘭和[13]、劉淑琴[14]，以及國家煤礦安監(jiān)總局的柴兆喜[15]、華北科技學(xué)院李文軍等研究人員及其團(tuán)隊，在引進(jìn)和吸收蘇聯(lián)、美國、澳大利亞等國的技術(shù)后，先后在徐州、唐山、新汶、中梁山、華亭、烏蘭察布等地開展了試驗，基本以有井式氣化為主。最具代表性的是原新汶礦務(wù)局所屬的孫村、協(xié)莊和鄂莊煤礦所承擔(dān)的國家“863計劃”地下氣化項目。

從技術(shù)階段來看，20世紀(jì)80年代以前，中國以吸收消化蘇聯(lián)技術(shù)為主；20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)美國技術(shù)；21世紀(jì)初吸收消化西方和蘇聯(lián)技術(shù)的同時有所創(chuàng)新，逐漸形成了以“長通道、大斷面、兩階段、正反向”（簡稱LLTS-UCGP）和逆向燃燒氣化為代表的理論和技術(shù)。我國在20世紀(jì)50年代就曾先后在鶴崗、撫順、皖南進(jìn)行煤炭地下氣化研究，直至1985年在徐州的馬莊礦和新河礦才有了明顯的技術(shù)突破。中國礦業(yè)大學(xué)在馬莊礦厚度1.15 m、傾角68°的煤層條件下，將埋深80 m的殘留煤柱進(jìn)行了氣化，獲取了日產(chǎn)16×104m3熱值為4 MJ/m3的煤氣；在新河的試驗中，通過對2～4 m厚的急傾斜煤層氣化，獲取了日產(chǎn)20×104m3熱值在3.2～5.6 MJ/m3煤氣的成果。1995年中國礦業(yè)大學(xué)在河北唐山劉莊礦建立了2個氣化爐進(jìn)行工業(yè)性試驗，并獲得高產(chǎn)氣流，但后來因存在裂隙導(dǎo)致氣體漏失嚴(yán)重而不得不降低氣化壓力運行，該項目運行了4年后因煤炭耗盡而停爐。1999年山東新汶礦業(yè)集團(tuán)與中國礦業(yè)大學(xué)合作在三對物理開采礦井利用殘留煤柱進(jìn)行為期13年的氣化試驗，該項目首次嘗試在2.5 m厚的緩傾斜氣肥煤中試驗，通過不斷摸索注入空氣和富氧水蒸氣所產(chǎn)出煤氣的產(chǎn)量、成分、熱值等數(shù)據(jù)，研究不同爐型、不同氣化面長度和寬度，探索煤氣熱值在地面供熱、供氣、發(fā)電等項目上的綜合利用。該項目為中國煤炭地下氣化積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為后續(xù)項目的進(jìn)一步優(yōu)化提供了系統(tǒng)、科學(xué)的依據(jù)。2007年重慶中梁山煤電氣有限公司在3.5 m厚的急傾斜焦煤中試驗，該項目成功點火，但因煤氣中含大量H2S污染環(huán)境而停止。2010年華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司在煤柱中進(jìn)行的試驗取得成功，并進(jìn)一步摸索了富氧水蒸氣氣化后發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性問題。由新奧集團(tuán)、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）等幾家單位聯(lián)合組建的煤炭地下氣化公司，聘請了烏茲別克斯坦煤炭地下氣化項目的總工程師、氣化車間主任作為首席專家，首次在中國進(jìn)行無井式、近水平地下氣化技術(shù)探索，該煤層埋深280 m，煤厚6～8 m，鉆孔間距30～40 m，2007年10月實現(xiàn)點火并穩(wěn)定出氣，形成日產(chǎn)空氣煤氣30×104m3、日產(chǎn)富氧煤氣15×104m3、日氣化煤炭100 t的規(guī)模，2009年6月項目實現(xiàn)低熱值煤氣示范性發(fā)電，裝3臺500 kW的發(fā)電機(jī)組，發(fā)電783天，由于未作煤氣利用的進(jìn)一步規(guī)劃，導(dǎo)致富余煤氣排空。項目于2014年底完成其試驗功能后停止產(chǎn)氣，目前正考慮優(yōu)化后再做規(guī)?；芯?。規(guī)劃第一期產(chǎn)LNG 為2×108m3/a，一爐八面，共7個爐，日產(chǎn)合成氣340×104m3，總投資15億元～20億元；規(guī)劃第二期產(chǎn)LNG為5×108m3/a。

中國近期實施的項目包括：2015年剛結(jié)題的、由新奧集團(tuán)承擔(dān)的國家“863計劃”“煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項目；由中國節(jié)能環(huán)保集團(tuán)公司與重慶中梁山煤電氣有限公司合作、2015年12月開鉆的“中梁山急傾斜薄煤層群煤層氣抽采與煤炭地下氣化一體化”項目。目前正在準(zhǔn)備實施的項目包括：貴州盤江精煤股份有限公司與中國礦業(yè)大學(xué)合作的貴州省重大科技專項山腳樹煤礦地下氣化項目，重慶能源集團(tuán)與澳大利亞Linc公司合作的三匯三礦地下氣化項目等。綜上可知，中國是當(dāng)前地下氣化試驗場地最多、研究最為活躍的國家之一，但在規(guī)模化關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈延伸方面還有待于深入研究。

1.1.3 國內(nèi)外代表性研究項目分析及趨勢

通過總結(jié)國內(nèi)外部分具有代表性的煤炭地下氣化項目可知（表1），國外基本以無井式為主，無井式可充分體現(xiàn)其建礦靈活、成本低、速度快等優(yōu)點，但也暴露出鉆孔數(shù)量多，單孔氣化煤量有限、資源利用率低等缺點；國內(nèi)基本以有井式為主，其建井成本高，但后期巷道、鉆孔成本低，資源利用率相對較高，對復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性更好，尤其能體現(xiàn)其利用生產(chǎn)礦井已有設(shè)施、設(shè)備、系統(tǒng)的優(yōu)勢，目前國內(nèi)已實施的有井式項目基本都是利用老礦井的基礎(chǔ)設(shè)施。在鉆井及控制技術(shù)日益成熟、成本逐步降低的情況下，針對新的、埋深較大煤炭資源將會更多地使用無井式地下氣化；針對已有礦山的深部資源或現(xiàn)有煤柱，將更多地采用有井式地下氣化。

表1　國內(nèi)外部分煤炭地下氣化代表項目煤氣產(chǎn)品參數(shù)表

無論是無井式還是有井式，煤氣熱值主要與注入氣化劑的水、氧含量有關(guān)。數(shù)據(jù)表明（表1），注空氣產(chǎn)出的煤氣（簡稱空氣煤氣）熱值均偏低，基本在3～7 MJ/m3，而注入“富氧水蒸氣”產(chǎn)出煤氣（簡稱富氧水煤氣）的熱值基本在9～14 MJ/m3之間。為提高單位熱值、實現(xiàn)規(guī)模氣化，使用“富氧水蒸氣”氣化劑是今后煤炭地下氣化技術(shù)發(fā)展的主要方向。

從煤氣成分來看，有用氣體主要是H2、CO、少量的CH4和CmHn?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)注入氣中O2和H2O的比例來滿足市場對產(chǎn)品氣成分中H2/CO比值的要求。也可以通過工藝調(diào)控，像慶奇拉項目一樣實現(xiàn)采CH4與煤炭地下氣化結(jié)合，甚至未來可能實現(xiàn)當(dāng)前歐盟實驗中已證明、在高壓環(huán)境下實現(xiàn)盡可能多生成CH4的目標(biāo)。

通過對國內(nèi)外項目研究分析可知，有限的工程案例證明地下氣化理論和技術(shù)是可行的，但所有的工作基本都是“為氣化而氣化”，行業(yè)內(nèi)只有個別初級的產(chǎn)業(yè)鏈案例，均沒有形成連續(xù)、規(guī)?；?、經(jīng)濟(jì)可行的項目。近期因歐洲受國際關(guān)系影響，而我國受環(huán)境容量限制，加之該技術(shù)具有的巨大前景，多個國家和地區(qū)都對該技術(shù)表示了關(guān)注或開展了研究，很多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都在謀劃推動煤炭地下氣化的產(chǎn)業(yè)化。

1.2 已經(jīng)解決的問題

1.2.1 煤炭氣化相關(guān)理論基礎(chǔ)問題

借助煤炭學(xué)、煤質(zhì)學(xué)、煤化學(xué)、燃燒學(xué)、采礦學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，已經(jīng)基本驗證了煤炭地下氣化的燃燒及煤氣化工合成理論，掌握了大量的煤炭氣化及煤氣化工合成的技術(shù)，總結(jié)了很多的經(jīng)驗。美國能源部宣稱，一旦發(fā)生能源危機(jī)，將廣泛使用煤炭地下氣化技術(shù)生產(chǎn)煤氣，以解決國家急需。

1.2.2 規(guī)?；a(chǎn)基礎(chǔ)配套

地質(zhì)、采礦、化工、材料、機(jī)械、信控等行業(yè)的發(fā)展，為地下氣化工程實施中所需要的評價、氣化劑、建爐、測控、煤氣集輸?shù)忍峁┝瞬糠诸愃蒲b備供研究和改進(jìn)，為進(jìn)一步研發(fā)提供了基礎(chǔ)配套。以澳大利亞煤炭地下氣化聯(lián)合地面制油項目為代表的煤炭地下氣化項目的成功實施，證明地下氣化技術(shù)路線和工藝設(shè)備是可行可用的。

2 煤炭地下氣化技術(shù)的相對優(yōu)勢

2.1 煤炭地下氣化的安全與環(huán)境優(yōu)勢

受現(xiàn)有的采礦方法和技術(shù)限制，傳統(tǒng)煤炭開采無法克服瓦斯、頂板、水害、火災(zāi)、放炮、機(jī)電、運輸?shù)仁鹿始拔蔚嚷殬I(yè)病，若不能從開采原理上變革，將難以從根本上杜絕該類事故的發(fā)生。中國煤炭每百萬噸死亡率從2004年的3.08人降低到了2015年的0.157人，雖然取得了明顯的成效，但該值仍然是美國的8～10倍。而受傷、硅肺病、職業(yè)中毒、噪聲聾等慢性病的社會損失也比較大。煤炭地下氣化由于其變物理采煤為化學(xué)采煤，大大減少了從業(yè)人員的數(shù)量，有限的氣化操作人員基本不需要直接與煤體接觸，產(chǎn)出煤氣通過管道運輸?shù)降孛妫瑥亩鴱母旧媳苊饬松鲜鍪鹿屎吐殬I(yè)病的發(fā)生。

煤炭開采過程中還導(dǎo)致我國出現(xiàn)地表塌陷（30×108m2）、矸石壓占并污染土地（1.2×108m2）、水土流失、破壞水資源、溫室氣體CH4釋放等問題，而儲、裝、運過程中有可能導(dǎo)致煤塵污染和運輸事故，燃煤也會造成大量煤煙型污染。數(shù)據(jù)表明我國CH4排放量約占全世界的60％，燃煤釋放煙塵、CO2、 NOx、SO2分別約占全國總排放量的60％、71％、67％和87％[16]。到2035年，中國碳排量放將占全球30％，全面超過經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織的國家。

為破解環(huán)境承載能力不足，近十年來中國審批了80多個相對環(huán)保的地面煤化工項目，目前我國已經(jīng)建成和在建的煤制天然氣能力為114×108m3/a，正在前期論證的產(chǎn)能有680×108m3/a；已投產(chǎn)的煤制烯烴產(chǎn)能有1 136×104t/a，建設(shè)中的產(chǎn)能有1 439×104t/ a；已投產(chǎn)的煤制乙二醇產(chǎn)能有332×104t/a，建設(shè)中的有245×104t/a，處于前期工作和規(guī)劃中的項目產(chǎn)能有650×104t/a；上述煤化工項目涉及的總資金量達(dá)到1.3萬億元人民幣。

現(xiàn)有的地面煤化工和IGCC盡管較傳統(tǒng)煤化工及燃煤電廠有所改善，但由于沒有從根本上改變煤炭采選、運輸、在地面氣化、液化等前端的諸多環(huán)節(jié)。因此無法從根本上改善在此過程帶來的安全和環(huán)境問題。這也導(dǎo)致很多煤化工項目和為數(shù)不多的IGCC項目因高鹽廢水等環(huán)保問題，在建設(shè)甚至運行中被緊急叫停，開工率極低。

煤炭地下氣化過程中只將氣體帶出地面，而將大量灰渣、重金屬鹽等物質(zhì)留在原地，將大量的水蒸氣和余熱又循環(huán)利用，將難處理的SO2和NOx變成易處理的H2S和N2及含N化合物。這既降低了地表沉降量，又最大限度地不擾動地下巖石圈和水圈，還節(jié)約了大量的尾礦占地，更是將物理開采排放的CH4、H2S等充分利用，在大大減少了運輸量的同時還減少了粉塵等有害物的排放。

2.2 煤炭地下氣化的資源綜合利用及能效優(yōu)勢

截至2013年中國探明的煤炭儲量為1.48×1012t，其中國家禁止常規(guī)開采的高硫煤量占探明量的8％，難利用的低品位褐煤占12％以上。據(jù)2013年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，遺棄的煤炭超過300×108t，埋深超過1 000 m的煤炭資源量約2.7×1012t。若計入目前已經(jīng)開工、運行及物理開采中大量呆滯涉煤投資，全社會涉煤呆滯資金數(shù)額更加龐大。同時，如何把已經(jīng)獲得的高硫、煤與瓦斯突出、開采難度大的呆滯資源和已有設(shè)施盤活利用起來，仍是當(dāng)前煤炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)思考的重大方向性問題。

煤炭地下氣化既能開發(fā)常規(guī)煤炭可開采的煤層，也能安全、高效、環(huán)保地開采高硫煤、低品位褐煤和瓦斯、水害嚴(yán)重等難開發(fā)煤炭，更能夠回收物理開采礦井遺棄的煤炭和未開發(fā)的深部煤炭資源。在地下氣化的過程中，能綜合循環(huán)利用礦井水實現(xiàn)零排放，也能將煤中的硫和煤氣熱能回收利用，還能回收煤焦油等更高價值的產(chǎn)品，做到資源分類、循環(huán)利用的同時又保護(hù)了環(huán)境。

我國煤炭資源與水資源是逆向分布的，富煤區(qū)往往缺水，國家在地面煤化工政策上基本是“以水定產(chǎn)”。若通過UCG破解煤化工前端制煤氣過程中耗水量大、排放大量雜鹽廢水等瓶頸問題，將為煤化工的綠色、可持續(xù)發(fā)展帶來機(jī)遇。

筆者經(jīng)過理論結(jié)合試驗數(shù)據(jù)測算（表2），以年氣化原煤14×104、56×104、140×104t這3種規(guī)模來計算，分別能獲取3.78×108、15.12×108、37.80×108m3煤氣，最終可分別獲取23.73×108、94.93×108、237.34×108MJ的熱能，噸煤耗氧量307 m3，噸煤耗水量0.25 t。這些數(shù)據(jù)表明其能效較傳統(tǒng)的開發(fā)具有很大的優(yōu)勢。

表2　煤炭地下氣化物料平衡表

煤炭地下氣化在提高資源回收率的同時，因其主要產(chǎn)品為CO和H2，可以有效提高能量的轉(zhuǎn)化效率。從表3可知，煤炭物理開采和常規(guī)發(fā)電僅得到了約23％的綜合能效，即使采用超超臨界的方式，其綜合能量轉(zhuǎn)化率也僅為30％；若采用UCG-IGCC方式，在采礦回收率大大提高的同時，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電能效也能進(jìn)一步提高，理論綜合能效可提高到50％；若能充分發(fā)揮碳一化工的優(yōu)勢，UCG—煤化工理論綜合能效將達(dá)到63％，是超超臨界機(jī)組綜合效率的兩倍多。根據(jù)預(yù)測，未來20年世界47％的能源將以電能的形式被消費，若能進(jìn)一步解決IGCC前端制煤氣過程的環(huán)境污染問題，實現(xiàn)綜合能效的提高，則IGCC將具有更廣泛的產(chǎn)業(yè)前景。

能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀表明，中國更適合走煤炭深加工利用的路徑。但目前的煤化工和IGCC因技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性欠佳，同時存在（尤其是與水）環(huán)境相關(guān)的重大問題，在煤的清潔利用方面尚未找到較為合理的出路。在綜合考慮各類資源供給的可持續(xù)性、能效、環(huán)境、安全、技術(shù)可行性、國家現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和布局等重大因素后，筆者認(rèn)為新型煤化工和IGCC是中國化石原料供給的方向。而煤炭地下氣化技術(shù)恰好可作為IGCC和現(xiàn)代煤化工的前端給予支撐和保障，是中國可持續(xù)化石原料供給的出路之一，在改善環(huán)保，引領(lǐng)煤炭、煤化工、火電產(chǎn)業(yè)升級等方面可起到重要作用。

表3　煤炭物理開采和地下氣化各自后續(xù)過程能量轉(zhuǎn)化效率對比表

2.3 煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)可行性

在上述能效分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)可行性。通過實地調(diào)研和分析部分國內(nèi)已經(jīng)實施的項目，以現(xiàn)有物理開采礦山建設(shè)成本為參照，采用最簡單的產(chǎn)品利用（發(fā)電）方式估算其經(jīng)濟(jì)性。其中，煤炭資源成本同物理開采一樣按照傳統(tǒng)勘探成本計，發(fā)電綜合熱效率按36％計，電產(chǎn)品單價按0.44元/（kW·h）計，建礦成本參照現(xiàn)行井工煤礦計算。從投資來看，在前述3種規(guī)模下，投資成本分別約為3.4×108、9.6×108和23.1×108元，各類準(zhǔn)入建設(shè)成本占5.41％～12.6％，制氧裝備建設(shè)成本占21％～49％，礦建成本占72.84％～37.86％。由表4可知，噸煤總建設(shè)成本在2 442～1 653元之間（其中發(fā)電成本為1 060元/t），但規(guī)模超過56×104t/ a后，建設(shè)成本下降有限，說明60×104～150×104t/a的氣化規(guī)模是經(jīng)濟(jì)合理的。從運營成本來看，噸煤發(fā)電成本都在203元/t，前述3種規(guī)模下氣化成本分別為292元/t、224元/t、214元/t，噸煤利潤分別為48元/t、116元/t、126元/t，靜態(tài)投資回收期分別約為12.2年、7.7年、7.2年。

表4　煤炭地下氣化直接發(fā)電方案投資回報分析表

在上述單項目計算的基礎(chǔ)上，對比100×104t產(chǎn)能的原煤銷售、發(fā)電、地下氣化發(fā)電、氣化后CH4合成幾種能源利用方式的投資、收入、資源利用率及發(fā)展方式可知（表5），煤炭地下氣化發(fā)電相對于原煤銷售和發(fā)電而言，建設(shè)成本只有50％～75％，氣化后CH4化也僅僅與銷售原煤的投資相當(dāng)，而能效利用率明顯優(yōu)于原煤銷售或發(fā)電，并可充分發(fā)揮滾動投資的優(yōu)勢。就單位投資的收益而言，氣化發(fā)電及氣化后CH4化的收入明顯優(yōu)于原煤銷售或發(fā)電。宏觀投資回報的分析也進(jìn)一步證明，規(guī)?；禾康叵職饣哂辛己玫慕?jīng)濟(jì)前景。

表5　煤炭不同利用方式的概略投資收益比較表

總之，無論是物料平衡、單項目財務(wù)分析還是煤炭的不同利用方式分析均表明，若能解決規(guī)模化生產(chǎn)的問題，煤炭地下氣化技術(shù)將具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會前景。

3 當(dāng)前存在的難點及下一步發(fā)展的建議

3.1 當(dāng)前存在的難點

盡管理論研究和試驗性工程案例表明煤炭地下氣化技術(shù)可行，但當(dāng)前的研究既沒攻克規(guī)模化煤炭地下氣化的關(guān)鍵技術(shù)，也沒有實現(xiàn)規(guī)模化和經(jīng)濟(jì)可行的工業(yè)化目標(biāo)。因此這一技術(shù)還處于工業(yè)性試驗階段，沒有實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

已經(jīng)試驗項目基本僅停留在“工業(yè)性試驗”階段，除安格林項目外，沒有其他項目單井長期年氣化煤炭利用規(guī)模超過5×104t，更談不上連續(xù)規(guī)?；\行。截至目前，全世界既沒有有賬可查的規(guī)?；椖浚矝]有形成行業(yè)的工藝技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，更沒有成熟的成套煤炭地下氣化集成裝備可用。

相對于一般性工程試驗而言，煤炭地下氣化屬于資源、技術(shù)、資金、人才、市場密集型項目，導(dǎo)致能做的試驗數(shù)量有限。因此在氣化規(guī)模、工業(yè)化指標(biāo)的獲取、造爐裝備、集輸裝備、安全環(huán)保及循環(huán)節(jié)能等方面研究不足。實踐已經(jīng)證明了其“理論可行”，當(dāng)前重點需要解決“技術(shù)合理”和“安全高效”這兩大類問題，從而實現(xiàn)規(guī)模化。

3.1.1 技術(shù)問題

當(dāng)前技術(shù)方面最主要的問題是產(chǎn)品氣質(zhì)量和控制不穩(wěn)定。目前對地下氣化爐的控制基本處于盲燒狀態(tài)，荒煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定；氣化規(guī)模小，需要克服氣化燃燒影響的寬度小和推進(jìn)長度短等瓶頸問題，從而提高氣化煤量；氣化劑成本高，以O(shè)2、水蒸氣為主的氣化劑是煤氣產(chǎn)品的重要原料之一，其成本占比大，需要以更加低廉的成本獲取、高效利用高濃度O2和高溫水蒸氣等氣化劑原料；當(dāng)前鉆孔/巷道工程量大，導(dǎo)致成本居高不下，而現(xiàn)有的人工技術(shù)造爐成本過高，缺乏良好的機(jī)械造爐技術(shù)和高精度裝備；無成熟規(guī)模化集輸系統(tǒng)，未系統(tǒng)性考慮高溫、高壓、高毒、易燃易爆、高腐蝕、長距離、大流量荒煤氣的安全與節(jié)能集輸；安全環(huán)保節(jié)能儲備不足，煤氣產(chǎn)品成分復(fù)雜，含有大量多種有益、有害物質(zhì)，同時具有大量的熱能，這些荒煤氣及其熱能用好了是寶貴的資源，反之則是浪費甚至是污染，需要統(tǒng)籌規(guī)劃、精細(xì)分類、分別利用，而目前這方面的研究還不夠明晰。

3.1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性

常規(guī)的煤氣化工系統(tǒng)其建設(shè)投資大，當(dāng)前地下氣化項目因其產(chǎn)量和品質(zhì)均不穩(wěn)定，其高附加值利用受限，導(dǎo)致對荒煤氣產(chǎn)品的處理及利用較為粗放和單一。已實施的項目中，煤氣基本都直接用作加熱或小裝機(jī)容量燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電，因受其成本、價格及利用效率的制約，根本無法發(fā)揮煤氣產(chǎn)品中多種成分細(xì)分后可做高附加值原料的優(yōu)勢，其經(jīng)濟(jì)效益還不理想，這直接導(dǎo)致企業(yè)缺乏信心和動力。

目前的研發(fā)僅考慮了氣化直接投入與直接產(chǎn)出的問題，既沒有從盆地和井田礦藏開發(fā)、礦井系統(tǒng)安全、其他建設(shè)投入減少、生產(chǎn)成本降低、環(huán)保等方面統(tǒng)籌考慮，也沒有針對物理開采高瓦斯及突出煤層礦井作為保護(hù)層開采等拓展功能用途的規(guī)劃，更沒有利用好地下氣化所帶來的其他收益。

3.1.3 組織管理

該項目涉及礦業(yè)、化工、機(jī)械、材料、信控、地質(zhì)、鉆井等幾大行業(yè)中眾多學(xué)科的聯(lián)合，需要企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)緊密配合；也需要相關(guān)部門、礦權(quán)人、科研院所、裝備供應(yīng)商緊密配合，協(xié)同攻關(guān)；更需要為項目的研發(fā)、實施、成果轉(zhuǎn)化提供資金、人才、時間、試驗基地乃至權(quán)益保障，而一般的單位不具備這樣系統(tǒng)性的能力、實力和毅力。在筆者走訪調(diào)研中也反映出，目前關(guān)注煤炭地下氣化的市場主體較多，但敢于繼續(xù)深入的不多。

3.2 發(fā)展建議

3.2.1 技術(shù)研發(fā)重點方向

煤炭地下氣化技術(shù)研發(fā)的重點方向包括：①建立可行性研究綜合評價體系。采用系統(tǒng)評價法，對煤質(zhì)、煤層、水文及地質(zhì)等進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)?？尚行詤?shù)評價，以指導(dǎo)項目的抉擇，獲得科學(xué)、全面、實用、快速地下氣化評價系統(tǒng)和優(yōu)選的項目，降低項目決策風(fēng)險。②研發(fā)同機(jī)空氣分離多種氣體產(chǎn)品綜合利用技術(shù)及裝備。研究空氣分離技術(shù)理論、產(chǎn)品市場、技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案及裝備，實現(xiàn)空氣分離氣體的綜合利用。③研發(fā)導(dǎo)向高效一體化造爐技術(shù)及裝備。研究以γ射線為首選的高精度地質(zhì)導(dǎo)向儀，井下高精度、長距離、大扭矩、可回拖擴(kuò)孔、防噴孔、多角度、安全、快速鉆進(jìn)造爐裝備，高熔點低成本管材，耐高溫監(jiān)測設(shè)備，快速建爐技術(shù)及工藝，爐體堵漏技術(shù)，從而快速、高精度、低成本造出密封的大型地下氣化爐。④研發(fā)爐內(nèi)高溫、快速氣化監(jiān)測及控制技術(shù)。研究高溫、快速氣化理論，氣化劑與煤質(zhì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，爐型、氣化系統(tǒng)與安全、效率的關(guān)系，安全便捷點火及熄火技術(shù)，爐內(nèi)外綜合監(jiān)測及控制，煤層群氣化與保護(hù)層開采結(jié)合技術(shù)，氣化速度與煤氣熱值及其穩(wěn)定性關(guān)系，閉爐工藝技術(shù)，從而掌握快速氣化理論和系列技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)?；禾康叵職饣哪繕?biāo)。⑤研發(fā)隔熱、保溫、封閉、加壓荒煤氣集輸裝備。研發(fā)高溫、高壓、耐腐、防泄漏的管材、管件、泵等材料和裝備，開發(fā)氣體監(jiān)測、防泄漏裝置，設(shè)計安全、應(yīng)急裝備，最終滿足井下安全集輸荒煤氣的目標(biāo)。⑥實現(xiàn)固液氣循環(huán)及安全節(jié)能環(huán)保綜合利用。研究高溫荒煤氣中熱交換效率及設(shè)備，催化劑種類、數(shù)量、工藝等與硫、氮等賦存形式及反應(yīng)機(jī)理，地下水、氣遷移及重金屬、有機(jī)物污染機(jī)理，高溫巖石熱作用機(jī)理與地表沉降、地下水位的關(guān)系，建立集控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)綜合分析反饋系統(tǒng)，最終實現(xiàn)余熱基本利用、固硫固氮、重金屬和有機(jī)物的遷移可控、地表基本無變形、地下水位不受影響的目標(biāo)。⑦氣化產(chǎn)品高附加值與市場設(shè)計。通過研究不同添加劑與不同煤質(zhì)參數(shù)在氣體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的關(guān)系、荒煤氣高效凈化分離的技術(shù)和工藝、荒煤氣不同產(chǎn)品市場需求及其對應(yīng)的技術(shù)工藝，最終實現(xiàn)大規(guī)模、低成本、產(chǎn)品穩(wěn)定、附加值高的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。⑧制訂產(chǎn)業(yè)化行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過上述研究和實踐，力爭盡早形成煤炭地下氣化技術(shù)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 產(chǎn)品市場定位及經(jīng)濟(jì)性

地下氣化企業(yè)可充當(dāng)初級原料煤氣供應(yīng)商及煤氣管道運輸商。煤炭地下氣化技術(shù)前端通過各類爐型和工藝的目標(biāo)與地面煤氣化及IGCC一樣，獲取的有用成分基本為CO、H2、CH4，含有少量焦油、烴類等物質(zhì)的荒煤氣，經(jīng)過凈化去除CO2、N2、O2、H2S、水蒸氣、粉塵等無用和有害物質(zhì)后，像天然氣一樣通過煤氣管網(wǎng)直接供用戶使用。根據(jù)市場需求、技術(shù)水平及投資規(guī)模，下游用戶可自行選擇通過提氫做燃料電池（AFC）或通過碳一化工合成CH4、甲醇、二甲醚、乙酸、乙酐、甲醛及其后續(xù)產(chǎn)品。而市場供應(yīng)盈余部分，地下氣化企業(yè)可考慮就近實施潔凈煤氣發(fā)電或碳捕獲與存儲（UCG-IGCC-CCS）。

在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面，關(guān)注產(chǎn)品全流程綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，先技術(shù)可行，后經(jīng)濟(jì)優(yōu)化?？紤]全產(chǎn)品綜合利益，從安全風(fēng)險、環(huán)保代價、運輸效率、能效、廢物再利用等多方面綜合權(quán)衡利弊。當(dāng)前重點解決技術(shù)方案的優(yōu)化、技術(shù)的穩(wěn)定和可控性以及裝備的產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)產(chǎn)品合格、項目規(guī)模化平穩(wěn)運行的目標(biāo)，從而通過規(guī)?；?yīng)以大幅度降低成本。

3.2.3 運作及管理模式

在行業(yè)準(zhǔn)入方面，嚴(yán)格把控高效、環(huán)保、安全、和諧、簡潔的產(chǎn)業(yè)鏈目標(biāo)，不再重蹈地面煤氣化的覆轍。要認(rèn)識到地下氣化已從根本上顛覆了原來的采煤、洗煤技術(shù)，乃至原料的運輸方式，因此具體的行業(yè)管理方式也要摸索創(chuàng)新；同時也要考慮因煤炭地下氣化去掉了大量中間環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)采礦過程中涉及的諸多環(huán)節(jié)和各種利益博弈減輕甚至化解，這可能帶來新的安全、質(zhì)量、產(chǎn)權(quán)等問題。

要實現(xiàn)煤炭地下規(guī)模氣化的目標(biāo)，可從國家層面組建產(chǎn)、學(xué)、研一體的創(chuàng)新攻關(guān)聯(lián)合載體，破解上述技術(shù)研發(fā)與規(guī)?；\營管理等問題。建議相關(guān)部門及早做好調(diào)研和規(guī)劃，形成上游（石化、煤炭）產(chǎn)業(yè)與下游（發(fā)電、煤化工及其他終端化石原料用戶）產(chǎn)業(yè)聯(lián)合，煤氣集輸、輸變電企業(yè)參與共建，科研院所和裝備供應(yīng)商等協(xié)助的股權(quán)運營模式。

4 結(jié)論

中國在中長期內(nèi)將面臨潔凈化石原料供應(yīng)嚴(yán)重短缺的局面。因國內(nèi)產(chǎn)能不足，國際供應(yīng)體系存在諸多不確定性而威脅國家安全，如何安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)地用好煤炭，是化解供需矛盾的出路之一。煤炭地下氣化技術(shù)經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究和實踐，表明其具有安全、環(huán)保、能效高、并能充分綜合利用資源等優(yōu)勢，是地面煤化工和IGCC前端的有力支撐，若能實現(xiàn)規(guī)?；瑢⒕哂辛己玫慕?jīng)濟(jì)性。目前需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究，克服煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)存在的技術(shù)、產(chǎn)品定位、管理和運作方面的問題，以實現(xiàn)我國化石原料供給側(cè)優(yōu)化創(chuàng)新的目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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(修改回稿日期 2016-03-11 編 輯 陳 嵩)

Underground coal gasifcation （UCG）: A new trend for the supply-side economics of fossil fuels

Mao Fei
(Sichuan Development Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 4, pp.103-111, 4/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:China has a huge demand for energy. Under the present energy structure of rich coal, lean oil, less gas, limited and low-risingrate renewable energy, discussion focus is now on the high-efficient mining of coal as well as its clean-and-low-carbon use. In view of this, based on an analysis of the problems in the coal chemical industry and the present coal utilization ways such as Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC), this paper proposes that underground coal gasification (UCG) technology is a realistic choice. By virtue of its advantages in many aspects such as safety & environment, integrated use of superior resources, economic feasibility, etc. this technology can serve as the front-end support and guarantee for coal chemical industry and IGCC. Under the present situation, the following proposals were presented to promote the development of this technology. First, R&D of technical products should be strengthened, a comprehensive feasibility study assessment system should be established, and the relevant criteria in the industry should be formulated. Second, precise market positioning of UCG products should be made with much concern on the integrated economic indicators of each product’s complete flow scheme, following the principle of “Technical Feasibility First, Economic Optimization Followed”. Third, a perfect operation and management pattern should be established with strict control over high-efficient, environmentally-friendly, safe, harmonious & compact objectives in the whole industry chain. In conclusion, to realize the large-scale UCG commercial production will strongly promote the optimization and innovation of fossil fuels supply-side economics in China.

Keywords:China; Underground coal gasification (UCG); Supply-side economics; Fossil fuel energy; Coal chemical industry; Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC); Energy safety

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.04.016

作者簡介：毛飛，高級工程師，博士；主要從事能源及礦產(chǎn)新技術(shù)研發(fā)工作。地址：（610041）四川省成都市高新區(qū)交子大道177號。ORCID:0000-0002-4149-011X。E-mail:woowww@163.com