解政鼎，夏 潔，王秋楓，張煥照，林 燦

（中國寰球工程有限公司，北京 100012）

自1868年威廉·西門子提出煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，以下簡稱UCG）的概念起，UCG已經(jīng)發(fā)展了100余年，其特點(diǎn)是以化學(xué)采煤取代傳統(tǒng)物理采煤，實(shí)現(xiàn)了煤炭地下密閉開發(fā)，可獲得富含CH4、CO和H2的粗煤氣，無固體廢棄物排放，是集建井、采煤、氣化三大工藝為一體的變固體煤炭為氣體清潔能源的技術(shù)，具有安全性好、投資少、效益高、污染小等優(yōu)點(diǎn)。早在1979年聯(lián)合國“世界煤炭遠(yuǎn)景會(huì)議”就指出，發(fā)展UCG是世界煤炭開采的研究方向之一[1]。

UCG是非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，影響煤氣質(zhì)量的因素很多，既有地下氣化所采用的工藝技術(shù)，又有煤層自身的特性及煤層頂?shù)装宓馁x存狀態(tài)。目前，UCG生產(chǎn)的粗煤氣主要作為燃料氣使用，沒有有效利用其中富含的H2、CO和CH4等組分，因此本文進(jìn)行了將UCG和地面化工流程組合的探索，并分析了不同埋深的煤炭地下氣化后的產(chǎn)品開發(fā)利用路徑，研究有助于我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和提高相關(guān)化工產(chǎn)品的市場競爭力。

1 UCG技術(shù)概況

UCG技術(shù)可以利用不適合露天開采或井工開采的煤炭資源。與露天開采和井工開采相比，其投資降低2.5倍；最終生產(chǎn)成本與露天開采相當(dāng)，比井工開采低3～4倍；勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低；省去煤的運(yùn)輸、裝載和卸載工序，污染大幅減少[2]。

大多數(shù)UCG項(xiàng)目副產(chǎn)的粗煤氣用作燃料氣發(fā)電或者直接燃燒放空，如烏茲別克斯坦安格連UCG電廠所產(chǎn)的粗煤氣用于發(fā)電，已穩(wěn)定運(yùn)行50余年。國內(nèi)外重點(diǎn)UCG項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)見表1。

由表1可以看出，國際上淺層UCG技術(shù)已經(jīng)基本成熟，但是受市場、安全、環(huán)保等外部因素影響，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢。同時(shí)，國外的石油和天然氣開采成本低，石油化工和天然氣化工得到了充分發(fā)展，以煤氣化為龍頭的煤化工行業(yè)不受重視；而我國“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦，使得現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)得到了空前發(fā)展，許多煤化工工藝技術(shù)已達(dá)到了世界先進(jìn)水平，為國內(nèi)發(fā)展UCG產(chǎn)業(yè)、實(shí)現(xiàn)UCG粗煤氣綜合利用提供了有力的技術(shù)支持。

表1 國內(nèi)外重點(diǎn)UCG項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)[3]

采用不同的氣化劑，UCG得到的粗煤氣組分分布趨勢(shì)是相近的[1]。UCG的粗煤氣屬于富含甲烷的合成氣，是非常好的化工合成原料。通過優(yōu)化組合地面化工流程，可實(shí)現(xiàn)低碳和循環(huán)發(fā)展；大幅提高我國CH4和H2的供給能力；分離得到的CO2可用于驅(qū)油或者作為其他化工原料；生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品，顯著增加UCG的經(jīng)濟(jì)效益并提高產(chǎn)品的競爭力。

2 UCG粗煤氣綜合利用途徑

UCG是通過對(duì)煤的熱作用及化學(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w的工藝過程。它以氧、空氣、水蒸氣作為氣化劑，將固體燃料轉(zhuǎn)化為以CO、H2、CH4為主要成分的氣體燃料。不同于焦化，UCG在脫揮發(fā)分過程中生成的揮發(fā)分和煤焦，均可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物，直至剩下灰燼；不同于燃燒，UCG是不完全燃燒的過程，其目標(biāo)產(chǎn)物是CO、H2、CH4，而不是CO2和H2O[1]。UCG和典型煤氣化、焦化、天然氣組成的對(duì)比見表2。

表2 UCG和典型煤氣化、焦化、天然氣組分比較

由表2可知，UCG與地面煤氣化組分種類相同，部分組分含量相近，含有CH4和少量C2+組分這一特點(diǎn)與碎煤加壓固定床氣化組分類似。UCG壓力主要取決于煤層深度，深度1 500 m以內(nèi)，氣化壓力1.5 MPa（G）～10 MPa（G）；地面各類煤氣化技術(shù)中，固定床氣化壓力通常不超過4 MPa（G），干煤粉氣化一般是4.0 MPa（G），最高可達(dá)6.5 MPa（G），水煤漿氣化可達(dá)到8.7 MPa（G），基本覆蓋了UCG的壓力范圍。因此，UCG的粗煤氣后續(xù)處理利用工藝可以借鑒地面煤化工的技術(shù)路線。UCG粗煤氣綜合利用路徑示意圖見圖1。

圖1 UCG粗煤氣綜合利用路徑示意圖

3 UCG產(chǎn)品路徑分析

3.1 淺層和中深層UCG產(chǎn)品的利用

根據(jù)UCG粗煤氣的特點(diǎn)，規(guī)劃的淺層和中深層UCG產(chǎn)品路徑示意圖如圖2所示。

圖2 淺層和中深層UCG產(chǎn)品路徑示意圖

不同埋深的煤層UCG得到的粗煤氣組成不同。對(duì)于淺層UCG而言，其產(chǎn)物以富含氫為特征，可以作為化工合成原料，或者用來制氫。

加拿大Swan Hills項(xiàng)目表明，中深煤層氣化壓力更高、粗煤氣中的CH4含量也更高。在深度1 400 m進(jìn)行氣化，產(chǎn)物組成（體積分?jǐn)?shù)）為CH437%、H25%、CO 5%、CO241%，與淺層煤炭氣化相比，CH4含量顯著提高。這意味著中深層UCG（深度在500 m～2 200 m）用于制天然氣時(shí)，將比淺層氣化更具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在：（1）原料粗煤氣中CH4含量高，最終天然氣產(chǎn)品中CH4體積分?jǐn)?shù)有76%～88%來自于地下氣化生成，其余的CH4由H2和CO合成；（2）所建的甲烷化裝置規(guī)模遠(yuǎn)小于地面煤制氣的甲烷化裝置；（3）與淺層氣化相比，地下中深層煤氣化和超深層煤氣化效率高、可控性好，對(duì)地下水資源污染小。

UCG與石化產(chǎn)業(yè)相關(guān)性強(qiáng)，通過“UCG-石化煉廠用氫/清潔燃料利用-CO2提高原油采收率及埋存”產(chǎn)業(yè)鏈打造石化循環(huán)經(jīng)濟(jì)凈零排放示范區(qū)[4]，不僅可將大量地層深部閑置煤炭資源清潔化利用，緩解天然氣供應(yīng)緊張局面，還能有效解決由煤炭燃燒排放CO2引起的環(huán)境問題，為我國“清潔低碳、安全、高效”的現(xiàn)代能源體系建設(shè)開辟新路徑。

以國內(nèi)某油田為例，目前該油田工業(yè)用熱環(huán)節(jié)為聯(lián)合站脫水及外輸加熱、注汽站加熱、計(jì)量站加熱、轉(zhuǎn)油站加熱和部分單井井口加熱，每年需外購天然氣近20億m3，花費(fèi)約50億元。根據(jù)該油田的需求進(jìn)行了UCG制天然氣項(xiàng)目規(guī)劃，建設(shè)一個(gè)UCG制20億m3/a天然氣項(xiàng)目，可為其穩(wěn)定供應(yīng)天然氣。

UCG制得的粗煤氣經(jīng)變換調(diào)節(jié)氫碳比、凈化脫除CO2和H2S后，進(jìn)入甲烷化裝置，CO和H2轉(zhuǎn)化為CH4，與粗煤氣原有CH4一并作為天然氣產(chǎn)品。產(chǎn)品天然氣可送往聯(lián)合站、注氣站作為燃料；副產(chǎn)的CO2按70%用于驅(qū)油，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)油91萬t/a（按3 t CO2換1 t油估算），空分副產(chǎn)的多余氮?dú)獍?0%用于驅(qū)油（空分制氧規(guī)模為16.5×104m3/h），實(shí)現(xiàn)驅(qū)油91萬t/a（按2 000 m3氮?dú)鈸Q1 t油估算）；可發(fā)電量約為30億kWh，除去油田自用，可上網(wǎng)電量為4.08億kWh。

實(shí)施UCG后，年可節(jié)省天然氣支出費(fèi)用36.1億元，增產(chǎn)原油182萬t，按40美元/桶折算，協(xié)同增產(chǎn)可增加產(chǎn)值5.31億美元（約合37.9億元人民幣，按當(dāng)前美元比人民幣匯率為1∶7.15計(jì)，1 t原油約合7.3桶）。

3.2 極深層超臨界制氫

近年來，煤在超臨界水中氣化制氫工藝得到了關(guān)注，以超臨界水為氣化制氫的反應(yīng)介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)煤的熱解、氣化、凈化、變換和分離過程。超臨界水反應(yīng)需要較高的溫度和壓力，而深層UCG提供了超高壓環(huán)境，二者相結(jié)合既能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫，又利用了難以開采的極深層煤炭資源[5]。

目前的地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[6-7]，超臨界制氫的粗煤氣（干基）中，H2體積分?jǐn)?shù)占50%以上，其余組分主要為CO2和CH4，且隨著實(shí)驗(yàn)中煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷上升，H2產(chǎn)率會(huì)逐漸下降。

煤超臨界水氣化制氫技術(shù)是一種新型、高效的能源轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)。目前，研究人員對(duì)煤超臨界水氣化制氫技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理和影響因素已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，建立了動(dòng)力學(xué)模型，通過模擬揭示了反應(yīng)特征與氣化規(guī)律[8]。但該技術(shù)還存在一系列問題，如超臨界水的腐蝕、能量回收利用等，需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究。

目前的實(shí)驗(yàn)研究普遍采用電加熱管式反應(yīng)器來為蒸汽重整（C+H2O=CO+H2）提供能量。這與煤氣化截然不同，煤氣化是以空氣/純氧燃燒放熱為氣化過程各類反應(yīng)提供熱量。對(duì)于超臨界水氣化制氫而言，如果直接通入O2，將和H2反應(yīng)生成水，大大降低了H2產(chǎn)量，失去了制氫的意義。因此，如何實(shí)現(xiàn)超臨界水制氫所需的反應(yīng)溫度以及理想的水和煤比例，將是超臨界制氫在UCG領(lǐng)域應(yīng)用面臨的難題。

3.3 UCG中CO2的回收利用

UCG的產(chǎn)物中CO2含量較多，尤其是中深層UCG產(chǎn)物中大量副產(chǎn)品CO2在我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下如何有效利用顯得尤為重要。當(dāng)前，CO2回收利用主要有三個(gè)方向：CO2封存、CO2轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用。

3.3.1 CO2封存

UCG可以得到體積分?jǐn)?shù)在98.5%以上的CO2產(chǎn)品氣，壓縮后通過管道進(jìn)行超臨界輸送至目的地，實(shí)施驅(qū)油或咸水層封存。美國有7 000 km的CO2長輸管網(wǎng)，每年輸送超過6 000萬t CO2用于驅(qū)油，這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟，CO2驅(qū)油會(huì)是UCG大規(guī)模應(yīng)用推廣后的首選碳減排途徑。

咸水層封存CO2的成本比CO2驅(qū)油低，且封存容量更大，但咸水層封存不產(chǎn)生收益，會(huì)降低UCG整體的經(jīng)濟(jì)效益，未來有望通過出售CO2排放交易額度來彌補(bǔ)。

3.3.2 CO2轉(zhuǎn)化

目前CO2轉(zhuǎn)化主要包括CO2催化轉(zhuǎn)換生成甲醇、醋酸、二甲醚、烴類、合成氣等基礎(chǔ)化工原料；CO2和環(huán)氧化合物共聚制可降解塑料、聚醚聚碳酸酯、多元醇等新材料。

利用CO2制高附加值的化學(xué)品，既可以實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用，又可以起到CO2減排作用。近年來，中國企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在CO2制甲醇、綠色航煤、可降解塑料等高價(jià)值化學(xué)品方面取得一系列進(jìn)展。

3.3.2.1 CO2制甲醇

通過CO2制備甲醇，可以依托現(xiàn)有的碳一化工體系來實(shí)現(xiàn)化工品的綠色制造，因此甲醇有望成為CO2資源化利用的重要的方向。目前研究較多的CO2制甲醇技術(shù)路線分為：二氧化碳電催化還原制甲醇和二氧化碳加氫制甲醇，后者目前已有工業(yè)化應(yīng)用。CRI公司在冰島建成一套甲醇產(chǎn)量為4 000 t/a的工業(yè)化裝置，河南順利環(huán)保公司利用該技術(shù)制取綠色低碳甲醇聯(lián)產(chǎn)LNG項(xiàng)目年內(nèi)有望投產(chǎn)。其他如莊信萬豐公司、Topsoe公司、大連化物所、上海高研院等同樣掌握該技術(shù)；大連化物所和上海高研院已有千噸級(jí)工業(yè)示范裝置。

3.3.2.2 CO2制綠色航煤

綠色航煤是指從非化石資源而來的C8～C15液體烴類燃料，是目前世界航空運(yùn)輸業(yè)公認(rèn)降低CO2排放的可行路線。歐洲航空安全局（EASA）明確CO2+綠氫制得的燃料屬于可持續(xù)再生燃料（Sustainable Aviation Fuel）。

莊信萬豐公司擁有HyCOgenTM技術(shù)，可將捕獲的CO2和綠氫轉(zhuǎn)化為可持續(xù)航空燃料(SAF)。其采用逆水煤氣變換技術(shù)，利用綠氫將CO2轉(zhuǎn)化為CO，CO與綠氫制得高質(zhì)量的合成燃料，CO2轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%。清華大學(xué)化工系魏飛-張晨曦團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分(C8～C15)為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線，從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)了CO2加氫的自發(fā)反應(yīng)，催化劑已完成百噸級(jí)中試試驗(yàn)，目前萬噸級(jí)工業(yè)試驗(yàn)項(xiàng)目正在開展。

3.3.2.3 CO2制可降解塑料

生物可降解材料是解決傳統(tǒng)塑料污染的主要途徑，預(yù)計(jì)市場需求將持續(xù)提升。PPC是性能優(yōu)異的生物可降解材料，以CO2和環(huán)氧丙烷（PO）為原料，與其他生物可降解材料相比，PPC具阻隔性好、透明度高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的一次性薄膜材料，可替代傳統(tǒng)的不可降解材料，尤其在替代傳統(tǒng)地膜材料方面具備較大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前，我國開發(fā)成功的CO2降解塑料技術(shù)主要有2種，即中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的以稀土配合物、烷基金屬化合物、多元醇和環(huán)狀碳酸酯組成的復(fù)合催化劑為核心的高效脂肪族聚碳酸脂制備技術(shù)；廣東中山大學(xué)的以高效納米催化劑為核心的環(huán)氧丙烷高效合成聚碳酸亞丙酯樹脂技術(shù)。

3.3.3 CO2循環(huán)利用

CO2循環(huán)利用是指利用CO2的物理特性來實(shí)現(xiàn)資源化利用，比如用CO2制干冰、滅火劑、制冷劑、食品添加劑及超臨界萃取劑等。CO2在氣體保護(hù)焊接、煉鋼、冷凍、油氣井操作等行業(yè)有廣泛應(yīng)用。CO2超臨界萃取技術(shù)和跨臨界CO2取代氟利昂作為空調(diào)介質(zhì)也是目前正在研究的重要應(yīng)用。但這些應(yīng)用中CO2的需求量比較小，難以在UCG CO2減排的場景中實(shí)施。

4 結(jié) 語

UCG技術(shù)集建井、采煤、氣化三大工藝為一體，變傳統(tǒng)物理采煤為化學(xué)采煤，綜合成本較低，可實(shí)現(xiàn)非常規(guī)資源的開發(fā)利用。與常規(guī)地面氣化相比，UCG利用了難以露天開采或井工開采的煤炭資源，節(jié)省了煤炭開采過程的投資和能耗；原料成本低，配套投資??；低碳烴副產(chǎn)物多，公用工程消耗低；氣化過程中無廢固排放。焚燒后形成的地下空腔可以用作天然氣儲(chǔ)氣庫、CO2封存場所，甚至是大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能的“容器”，應(yīng)用場景廣闊。

UCG的化工產(chǎn)品應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目所在區(qū)域市場產(chǎn)品供需情況，適銷對(duì)路，并做到運(yùn)輸成本可控。如內(nèi)陸地區(qū)，交通不便利，可以獲取天然氣產(chǎn)品，送入天然氣管網(wǎng)，或制LNG產(chǎn)品；東部地區(qū)，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，可以制取大宗化學(xué)品或高附價(jià)值化工品出售。