能源变局新思路 煤炭地下气化进展

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作者：刘丹      文章来源：科学时报　       更新时间：2010-09-21
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( q5 `" ]; f& G　　在全球气候变暖的背景下，中国的经济发展像是被套上了紧箍咒。让国民困扰的正是“富煤、少气、缺油”、一次能源结构以煤炭为主、低碳能源资源的选择有限这样一个国情。几乎被所有能源报道所引述的数据是，火电依旧占中国电力的八成以上，在很长一段时期内，煤炭仍将占据60%~70%的能源比重。而中国经济每年光鲜的报表背后，是中国产煤区难以抑制的环境灾难和居高不下的矿难发生率。  

　　在中国把煤炭清洁利用提升至国家战略时，煤炭地下气化技术在多年数次沉浮之后重新成为业界广泛关注的热点之一。
   
　　煤炭地下气化技术（UCG），即将处于地下的煤炭进行有控制地燃烧气化，通过对煤的热作用及化学作用产生可以利用的气体能源，变物理开采为化学开采。从而把有用成分取出，将污染物如煤矸石、二氧化碳等废物留在地下，既减少了碳排放、防止了安全事故发生，又可以生产氢气、甲烷、甲醇等化工产品。
   
# e' o1 Z" ]- R; C# Q6 F　　“我国因采煤对环境污染而造成的经济损失大约有17450亿元，这还不包括气候环境的变化、温室气体变化等造成的损失。”88岁高龄的中国矿业大学教授余力是中国UCG的先行者与集大成者，在接受采访时，他告诉记者：“这正是我们将煤炭的物理开采方法转变为化学开采方法的原因。”
   
　　余力教授几乎将其后半生的全部精力都投放在中国UCG的试验和发展上。他的观点是：我国煤炭工业必须在开发利用与环境保护的协调发展模式下，解决三个不容回避的问题：提高煤炭的回采率；最经济、最大限度、多方位、科学地提高煤炭的利用水平；最大限度地减少燃煤的污染，最终达到可持续发展的目的。而UCG技术将成为解决这些问题的有效途径之一。
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　　“UCG最大的价值在于它可以成倍地增加煤的资源开采量。”余力指出，传统机械采煤方法难以利用的劣质煤、薄层煤、陡倾斜煤层、埋藏深度大于1000米、废矿区残留煤（1953~2003年达300亿吨）均有可能通过UCG技术得到充分开发利用。“通过UCG生产煤气，用以合成燃油和天然气以替代进口石油，我国能源就可大大减少对进口石油和天然气的依赖，从而保证我国能源安全。”余力说。  

　　UCG生产的煤气是化工厂产业的重要原料。而煤气运输方便，可以显著减轻我国西煤东运、北煤南运的运输压力。
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; k0 z& x2 q, ~, t3 Q. P+ X3 P5 c) \　　此外，UCG的生产过程将大量的煤灰、煤矸石等污染物留存在地下，可以实现不占地、不污染地表环境以及减轻地面沉陷。“UCG从根本上解决了传统采煤的多种地质灾害，使煤炭生产更加安全，也大大减少了矿难和煤矿工人的职业病。”余力指出，“尽管UCG也会引发一些环境污染，这相对于煤的地表使用所造成的损失和污染问题的严重性而言，相距悬殊，况且这是可以通过采取相应的技术手段来妥善解决的。”  

　　UCG之于中国的战略意义是显而易见的。在中国，以余力为代表的一批技术先行者已经在UCG的道路上走在了国际同行的前面，但他们也遇上了诸多问题。  
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　　科学家的试验  

　　早在1888年，门捷列夫就曾设想：随着时间的推移，这样的年代可能要实现，即煤不必从地下开采出来，而是在井下直接提取有益元素，转化为气体，再用管道输送到远方。将一切有害物质都残留在井下。
   
) w" I, s4 N# e. m　　将门捷列夫的伟大创见首次化为现实的是英国著名化学家威廉•拉姆塞，他于1908年在都贺煤田进行地下气化实验获得成功，并用其发了电。
   
　　煤炭地下气化在我国始于1958年。研究人员以空气为气化剂，在山西大同胡家湾等地，获得了地下煤气每立方米833~1322千卡的热值煤气。   

3 b$ j) J, o9 O　　从1984年开始，余力开始了他25年的煤炭地下气化研究工作。回忆这段推广中国UCG之路，余力感慨颇深。
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3 `' Y. f6 O. _　　1990年，煤炭地下气化半工业性试验被列入国家“八五”科技攻关项目。1990年底，钱学森在《人民日报》上著文《要从整体上考虑并解决问题》，他在文章中指出：“苏联在50年代做了很多煤炭地下气化的工作”。“我们要研究这个技术，现在就要研究”。“这个技术一旦做了，就会使我们整个生产技术大为改观”。
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　　钱学森对煤炭地下气化技术的关心让余力终生难忘。钱老曾八次亲笔写信给余力，高度评价了新河二号井半工业性试验的意义——“这也实际上把将近一个世纪之久的多次在各国试验而未工业化煤炭事业，结合现代化工、能源技术，成为综合化事业。中国人应该完成这项任务。”这样，“21世纪将出现不要人下井去采矿的联合能源、化工、冶金的新工业。不要人下去采掘，矿层可以深到地下千米、数千米，我们的资源概念也将革命了，是真正的新世纪了”。钱老所述革命的内容，就是煤炭地下气化成功后带给人们的成果。  
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　　煤炭地下气化技术也引起了决策层的关注。1994年5月，江泽民总书记在中南海接见了正在新河进行地下气化试验的余力，并亲笔题词：“中国矿业大学煤炭地下气化试验资源的充分利用以及经济效益来讲，值得进一步研究。”时任国务院副总理邹家华也就煤炭地下气化技术召集余力同国家计委、科委、煤炭部等座谈，对这项试验和开发作出了部署——先抽放瓦斯，再采煤，最后气化，将全部煤炭资源回收利用起来，作为今后长期采煤的方针。“这是多么英明的决策，但事到如今都没有下文，为什么？政府有关管理办事的官员值得深思。”余力说。  

　　1992年，国家科委颁布的我国科学技术中长期发展纲要“白皮书”。其中关于煤炭地下气化技术发展方向明确规划：“到2020年的战略目标和关键技术是完成煤炭地下气化试验研究”并“建立商业性煤炭地下气化站”。  
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& d6 e& F1 W" y　　而到目前为止，煤炭地下气化炉已在我国不同煤层地质条件下完成了工业性试验及初步的商业化推广应用，所生产的低热值、中热值的煤气以及水煤气已被开发服务于民用、工业锅炉及内燃机组发电。
   
　　据余力介绍，上世纪80年代中期，他们完成了徐州马庄矿地下气化现场试验，90年代中期又完成了徐州新河二号井煤炭地下气化半工业性试验和河北省唐山刘庄矿煤炭地下气化工业试验，并在山东、山西等地进行了商业化推广应用。目前，山东新汶矿业集团建成了6座地下气化炉，所生产的煤气主要用于民用及发电，形成了全国最大的煤炭地下气化工业生产基地。
   
　　技术发展新趋势  

- ]7 q3 y7 {- |1 I2 K& X6 R3 ~　　西方工业国家对UCG的工业化试验尽管随着国际油价的高低起伏几经起落，但对UCG的研究试验从未停止。余力说：“美国、澳大利亚、英国、加拿大、南非和印度等国运用UCG已建成了几个大型的发电站，我们落后了。”
   
  ^" y' c! t/ e8 L1 n+ W3 w　　UCG可以用于发电、制氢、清洁燃料、化工原料等，据余力介绍，近几年UCG产业发展出现了四种新的方向：第一，UCG与联合循环发电产业的结合（UCG-IGCC）；第二是UCG与碳捕获、利用与封存产业的结合（UCG-CCS）；第三，UCG与制氢产业的结合（UCG-HGC）；第四，UCG与燃料电池发电产业的结合（UCG-AFC）。“这是一个把化石燃料的煤转化为清洁燃料的重要阶段。”余力说。   
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　　余力强调，当国内还在讨论要不要大力推广煤地下气化的时候，国外包括亚洲某些国家正在积极地进行煤地下气化的应用并取得成果，值得我国从事能源管理及科研人员的深思。  
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　　中国华亭、新汶煤矿目前已建成UCG与发电站相连接项目，“现阶段，我们的发电机组都是燃气内燃机而不是IGCC，水平是落后的，而且发电量很小。将UCG与IGCC相结合应成为我们努力的方向。”余力说。
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　　余力介绍，国外煤炭地下气化多以无井式工艺为主，该工艺始终未能解决地下气化炉炉型小、热值底、热稳定性差、成本高等问题，在研究总结各国煤炭地下气化工艺的基础上，结合我国报废煤炭资源逐年增多的国情，余力和他的研究团队经过数十年研究提出了“长通道、大断面、两阶段”的地下煤炭气化新工艺（LLTS-UCG）。

- T5 D1 h6 N+ l, |　　煤炭在地下被气化之后可生成可燃的富氢煤气，在地面经多种净化过程和分离后，可使煤气分为两部分：一部分是压缩氢，另一部分是纯二氧化碳。氢气可供给能源燃料电池发电，而二氧化碳则可被捕获和封存于地下。
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　　据介绍，“长通道、大断面、两阶段”地下气化新工艺是在前苏联老工艺理论基础上形成的，老工艺已经历了70多年工业化生产的考验。“新工艺较以往任何工艺，确有进步和提高，更有利于走向商业化生产之路。”余力说，“英国2004年发布的蓝皮书已经将我们的技术纳入进去，并且在波兰的UCG制氢项目上得以应用。这是值得中国人自豪的事情。”
   
3 N# A: V3 ]0 }1 R8 a* Y7 a　　制氢也成为UCG的重要利用方向之一，这一点，欧洲在实践上走在了前面——3年前开始的“波兰氢地下气化”项目已经实现了UCG制氢，且于2010年4月用于燃料电池发电。  

# P- T4 j- y% M; y0 ?" k　　正如余力所言，中国科学家目前掌握了UCG制氢技术的制高点。清洁煤公司主席Rohan Conrtney日前对全球UCG煤气组分数据进行了分析比较，得到国际同行承认的事实是：“UCG过程中可以得到氢含量高的煤气，其中氢含量最高的两个数据来自于中国江苏新河矿和唐山刘庄矿的UCG。”
   
9 q! r: C/ O( U5 t2 r% g　　“我们UCG煤气中的氢含量可高达60%~70%，这与国外平均17%的数据相比，可以说具有明显的优越性。”余力介绍说。
   
, J) h- @5 }+ Y$ x8 \6 `( h& C& @　　对今后UCG技术产业化前景，余力的观点是，UCG产业化实施对中国最为现实。UCG产业化推广应用，必将对我国的节能减排、资源的综合利用、煤炭安全生产和矿区生态环境改善发挥重要作用。为此，余力建议应从长远和战略高度来规划煤炭地下气化技术的未来产业化发展战略。

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　　产业化试水
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　　对于发电企业和煤化工企业而言，如果不提前进行技术布局和经验积累，未来很可能陷于被动。于是他们成为推动这一技术产业化进程的积极力量。  

　　过去3年间，内蒙古新奥集团斥资8.6亿元在乌兰察布建成一套生产能力为15万标准立方米/天的无井式煤炭地下气化试验研究和生产系统，这被业内评价为“中国采煤技术的一场革命”。  
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　　UCG分为有井式、无井式和混合式3种，以往我国开展的多是有井式UCG，而近年来以梁杰教授带领的中国矿业大学（北京）无井式煤炭地下气化研究小组与新奥气化采煤有限公司联合开展的乌兰察布无井式煤炭地下气化技术的实验获得了阶段性成功。  

　　据新奥气化采煤有限公司总工程师陈峰介绍，截至目前，内蒙古新奥煤炭地下气化项目成功实现了煤炭地下气化燃烧发电，该项目装置已平稳运行300多天，累计气化燃烧发电46.9万千瓦时。同时形成了一批有价值的创新性研究成果，申请了9项专利。该项目所取得的技术成果填补了我国在无井式煤炭地下气化技术领域的空白，达到了国际领先水平。陈峰介绍，按照规划，到2012年前，新奥集团利用无井式地下煤炭气化技术还将建成年产2万吨优质甲醇生产线。该项技术极具成本优势，具有较高的经济效益。  
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. [" g% m1 C3 u# G' u　　据余力介绍，乌兰察布无井式煤炭地下气化项目目前可以实现二氧化碳减排。气化后的煤气热值达到1000大卡，煤气不仅可用于发电，甲烷化后还可用于生产化工产品，即合成甲烷、甲醇和氢气等。  
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$ n( @) L/ U; U8 s2 ]　　陈峰向记者介绍，新奥准备在2013年建立一个2万吨甲醇和700万立方米甲烷整个化工的示范工程。目前，该项目正在上报国家发改委，等待审批。“这是新奥对于煤炭地下气化未来的发展规划。”陈峰说。
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: _, l9 h# h2 p　　陈峰还介绍了新奥在廊坊的实验，用地下产生的合成气进行发电。这个实验室具备了以下特点：一是全世界第一个首先用于模拟地下气化高压条件下的气化；二是可以模拟地下涌水的气化；三是使用由新奥自主开发的高温摄像机；四是在线监测气化炉温度场、压力场及出口煤气组分。

! S2 N- j/ Y9 q  _% t: t  　　“无井式煤炭地下气化技术较有井式煤炭地下气化技术，不仅省去了建设煤井、采煤和运输煤炭的繁琐高成本过程，还避免了井下安全事故的发生。合成的天然气比传统工艺节省40%成本，电力成本节省25%。”余力告诉《科学时报》。
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　　陈峰强调，由于受到技术水平的限制，按照目前该项技术的经济成本核算，无井式煤炭地下气化技术还不能普遍使用所有煤层条件，而是对低品位、高硫、低变质褐煤、薄煤层、深煤层、废弃煤井更为适合，是对传统煤炭开采方式的重要补充。   

3 M8 k/ N1 y! K5 G　　余力认为，最主要的条件应该选择100米厚煤层，然后处理好水文地质问题，是无井式优选之地。
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　　国务院参事、国家能源专家咨询委员会主任徐锭明在参观了新奥乌兰察布工程之后评价道：“煤气化是煤化工产业化发展中最重要的单元技术。多年来，一些专家和煤矿在地下煤炭气化方面所作的研究和探索，新奥集团在内蒙古乌兰察布开展的地下煤炭气化试验项目，其重要意义就在于：为新一代煤化工开辟一条新的原料供给途径。煤炭地下气化产业化的实现必将有力地促进和推动我国新一代煤化工的发展。”   

  r  f2 e& t) l, J3 T　　前景可期
   
2 a  I7 Q* W, g9 E　　“尽管中国的UCG研究取得了长足的进步，但要实现产业化仍有很多问题亟待解决。”中国矿业大学煤炭地下气化低碳能源技术研究所所长王作棠告诉《科学时报》：“这么多年来，这项技术始终推进较慢。”
   
　　王作棠教授是甘肃华亭矿区难采煤UCG发电项目的技术总负责。华亭矿区地下残留着6亿多吨难采煤，资源量大面广，但由于地质条件复杂，传统的重型机械设备采煤方式难以高产高效回收利用。“采用UCG工艺的轻型流体化开采装备并结合充填岩控技术，就可大大提高煤炭资源回采率。”王作棠说。
   
/ C, U& a9 [" N! l$ \: R　　据介绍，华亭矿区难采煤UCG发电项目，自今年5月初成功点火产气以来，至今已连续稳定运行120多天，日产煤气16万方，水煤气热值超过2400大卡。并且，配套电站设计装机4000kW，目前已安装1000kW机组，经厂家改造后已达到正常运行。这被余力评价为“不容易”也“不简单”。
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　　“这个项目虽是UCG绿色开采与燃气发电技术的工业性试验，它具备了大中型气化矿井的产业示范规模，打通了整个生产工艺流程，实现了生产系统装置配套，这将为真正的产业化工程打下了扎实的基础。”王作棠说。
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1 l, w! u7 T  r3 E0 t1 U3 r3 \7 n　　1999年回国之后，王作棠在UCG领域耕耘至今。“过去有许多误区，主要是对地下燃烧问题的症结认识不清，控制缺乏有效手段。因而，被许多人认为这项技术本身不过关，事实上，我们也走了不少弯路。”王作棠说，“近年来，在余教授指导下，我们矿业大学积聚了多学科的科研力量，对地下燃烧蔓延定向控制机理、高启动能源点火技术、移动注气技术、两阶段制气工艺、充填岩控技术等进行了深入的实验研究，取得了一系列的实用新成果。华亭项目的成功就是一个有井式‘长通道、大断面、两阶段’新工艺应用典型的实例。”
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$ z. S0 Z& D0 j& {: i/ y　　对今后的煤炭地下气化技术产业化前景，王作棠颇具自信，他告诉《科学时报》：20多年来，我国在有井式和无井式UCG上都进行了工业性试验，在基础理论、工程设计和仪器装备各方面都进行了配套的系统研发。这些成果已经为中国的UCG产业化打下了基础。“与此同时，我国地下气化试验基地建设的规模、范围、适应煤种及地质条件等方面，在世界上也是首屈一指的。UCG的产业化实施对中国而言最为现实。”王作棠说。
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* o' r" i7 K# C1 Z( r# x　　作为中国UCG领域的集大成者，余力历经了这项技术25年来的数次起落。“这项技术尽管得到了钱学森的高度关注、江泽民 主席的亲笔题词、邹家华副总理的亲自部署，但就是没有能够使中国的煤炭地下气化技术真正走上商业化的路，究其原因，恐怕还在于现阶段我们的科技管理水平落后和科技工作人员素质较低。”余力感慨颇深，“值得高兴的是，现在我们越来越清醒地认识到这一点：胡 锦 涛 总书记在今年两院院士大会上提出的，要提高我国科技水平、科技工作人员素质和科技管理水平，这正是解决问题的关键之道。”

- s) G" w, L1 j$ f# Y6 a. _3 G　　为此，余力建议，国家要将煤炭地下气化工作作为一项具有长远意义的战略措施来抓。以往试验研究都以企业投入为主，企业研发往往不系统，遇到重大的技术问题时因经费不足而搁浅。我国对UCG的政府投入非常少，截至目前我国在UCG上的累计投入大约2000万元，还不到美国、英国等国家的千分之一。“要使地下气化技术能普遍地推广应用，政府必须加大投入，国家在各个阶段都要给予支持。否则这方面难以获得大的进展。”  
   
! {) k1 ^6 o; c: r7 W) ?+ _( L3 y　　“我们做这件事，是为了中国每年上千名矿工的生命不再消逝，是为了几百万名矿工不再受职业病的威胁，是为了每年比全国的教育经费还更高的经济损失和不能挽回的环境灾难不再发生。”余力说，“这就是我的毕生夙愿。”
   
　　我们做这件事，是为了中国每年上千名矿工的生命不再消逝，是为了几百万名矿工不再受职业病的威胁，是为了每年比全国的教育经费还更高的经济损失和不能挽回的环境灾难不再发生。”