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发布时间:2019-11-20 17:01:40 阅读: 来源:滤网厂家

煤炭地下气化技术与残留煤炭资源利用的思考

新中国成立以来,随着我国经济建设的发展,山西成为我国以煤炭、冶金矿产、化工等为代表的能源基地,特别是煤炭能源,为国家建设发挥了历史性的作用。山西的煤炭不仅关系到本省的产业和经济发展,涉及到社会和民生问题,同时还与全国的能源供应和能源安全息息相关。多年来,山西省煤炭大规模开采或程度不同的无章开采之后,遗留下的残留煤、边角煤、薄煤难采层,这些视乎废弃的煤田被压覆在地下,加上采空区的难以治理,从而形成了资源浪费、环境恶化等一系列影响煤炭工业可持续发展的问题,影响了全省煤炭工业的科学发展。笔者参阅山西煤炭行业相关资料、分析和研究认为,应当认真思考山西压覆煤炭资源(残留煤、边角煤、薄煤难采层)的回收利用问题。山西在煤炭整合中提出,为了推广煤炭企业清洁生产,实现规模以上煤炭企业循环模式的普及目标,必须把培育生态型煤炭企业作为循环经济的基础工程,以提高资源能源的利用效率,减少废物排放为主要目标,努力构建全新的循环型企业体系。而残留煤炭、边角煤田、薄煤层等压履煤炭资源的回收利用问题。更是应当考虑解决的问题之一。

一、山西煤炭开采由规模开采转向清洁开采利用,最大限度地减少残留煤炭、边角煤田的产生

山西煤炭资源的开采具有两个特点,一是开采历史长,二是开采强度大。按现有生产、在建矿井已占用储量与已查证煤炭储量相比,山西省煤炭资源的开采强度达到23.3%,与陕、蒙两省区相比,分别高出陕西14.3个百分点、内蒙古14.7个百分点。2000年至2004年,仅全省重点煤矿已有17个老矿井关闭破产,减少生产能力1600万吨。随着山西开采强度的进一步加大,矿井衰竭程度更甚,预计2005年至2020年的16年间,仅5大国有重点煤炭企业将有32处矿井面临资源枯竭,将每年衰减生产能力5400万吨,需要新安置转产工人102650人;预计到2020年,全省地方国有煤矿将有近1/3的矿井因资源枯竭而闭坑,将减少能力2000多万吨;乡镇煤矿近一半矿井因资源枯竭而闭坑,将减少能力近1亿吨。因此,加快接续替代产业和非煤产业发展,迫在眉睫。山西煤炭开采由规模开采转向清洁开采利用的同时应当限制、限量,有序、有节开采,从而最大限度地减少残留煤炭、边角煤田的产生。

二、山西煤炭资源浪费严重,后续接替困难

目前山西煤炭2660.46亿吨剩余保有量中,按30%的平均资源回采率,实际可采量仅有558.8亿吨,以2000年4亿吨/年的开采能力计算可供开采的年限仅为139.6年。而落后的开采方式又严重浪费了资源,目前全省煤矿资源回采率,国有煤矿仅有55%,乡镇矿仅为15%-20%,采1吨煤约损失资源量为6.6吨。按此推算,1980年-2004年,全省乡镇煤矿在扣除规范合理的损失储量后,资源浪费量达200亿吨。其次,煤的共伴生资源的浪费严重。山西煤层中与煤共伴生的各种矿产资源有煤层气、铝土矿、高岭土、耐火黏土、铁矾土、陶瓷黏土及稀有元素镓、锗等伴生矿产资源,远景潜在价值达10 万亿元。但目前尚未能得到充分的开发利用。如各煤矿煤层气一般作为废气排放掉,高岭土,即煤矸石就地堆放,不仅浪费资源,还污染环境。此外,山西能源年消费总量达2.01亿吨标准煤,加工转化耗煤1.35亿吨标准煤,占全国比重的15.7%;终端能源消费为6613.84万吨标准煤/年,占全国终端消耗的5.08%。目前山西人均产能为全国的7.33倍,人均耗能为全国的5.3倍,人均生活能耗为全国的1.49倍。

三、山西煤炭资源40年的开采历史表明,必须下工夫解决制约煤炭资源可持续发展的问题。

在长期的粗放经营方式下,作为我国第一能源的煤炭业,特别是煤炭大省山西省,已经不堪重负。近10多年来山西省煤炭资源经过的大规模开采,造成了严重的生态破坏和环境污染,由此引发的各种矛盾已成为黄河流域乃至全国经济社会持续发展的严重制约因素。一是矿区土地塌陷、地表扰动、崩塌、泥石流等地质灾害严重。目前全省采空区面积已达5000平方公里,引起严重地质灾害的区域2940平方公里以上,波及1900个自然村,涉及上百万人口。二是矿区水土流失日趋严重,每年因煤矿开采造成的水土流失影响面积高达1200多平方公里。三是煤炭开采造成严重的环境污染。每年新增煤矸石在5000万吨以上,堆存总量达到11.4亿吨,自燃产生大量的有害气体进入大气层,经雨淋渗透到水系,污染了地下水资源,影响到人民群众的身体健康。

在资源日益短缺的今天,山西省仍然存在煤炭回采率低、资源浪费严重的现象。2004年山西省小型及以下矿井产量2.1亿吨,占该省煤炭产量的42.3%;由于这些煤矿基本采用房柱式等落后的采煤方法和工艺,片面追求经济效益,资源回收率只有15%左右,不足国有大矿的1/3,煤炭资源浪费十分惊人。国有大矿也存在丢弃薄煤层和在开采特厚煤层时造成厚度损失,普遍达不到设计规范和技术政策规定的资源回收标准。

资源型城市由于以单一的资源产业为主导,而这些资源又具有不可再生性,随着资源的不断开采,资源会越来越少,开采难度越来越大,加上市场需求多变等原因,资源型企业的生产就会十分艰难。山西多年来一直以开采煤炭为主要经济支柱,现在煤炭面临枯竭,老企业发展明显缓慢,影响到社会的安定团结。我国阜新、本溪、抚顺等煤矿城市都是因为资源枯竭带来一系列社会、经济和稳定问题,教训十分深刻。

四、煤炭地下气化技术的应用对压覆煤炭资源的回收利用价值

我国能源需求主要依靠本国,以煤为主的能源消费结构,是我国能源战略的重要组成部分。随着经济的不断发展,煤炭资源的开采利用,开始进入由传统粗放型向现代集约型转变的阶段,煤炭地下气化技术的不断发展,就是这一转变最生动的写照。

早在1979年的世界煤炭远景会议上,联合国就已明确提出,实施煤炭地下气化开采,是解决传统的煤炭开采利用所存在问题的重要途径。在煤炭气化技术方面,我国也制定了发展规划、纲要等,而且是世界上煤炭地下气化技术研究较早的国家之一。

1、煤炭地下气化技术类型

煤炭地下气化是在地下气化炉的条件下进行的,该技术目前主要有两种类型。 一是巷道式地下气化炉技术。就是在开采或废弃的煤矿井中建地下气化炉,以人工掘进的方式在煤层中建立气化巷道,并在进气孔底部巷道筑一道密闭墙(促使定向燃烧煤层),然后便可将密闭墙前面的煤炭点燃气化。 此种方式中的单套地下气化炉由气化通道进气孔、辅助孔和出气孔组成,气化通道在同一煤层内连通各孔,但由于受煤层地应力和温度制约,因此人工竖井部分深度有限。二是钻井式地下气化炉技术。即采用常规的油气钻井技术,钻一口普通的长裸眼水平井,与另外的两口直井在同一煤层内连通。单套地下气化炉仍由气化通道、进气孔、辅助孔和出气孔等组成。

施工时,先将进气孔底部的气化穴中的煤炭点燃,鼓入气化剂,连续使煤炭气化,同时由辅助孔鼓入氢气,气化通道内会形成氧化带、还原带和干馏干燥带。国外大多采取此种技术。辽河油田在2005年成功建成了我国首座钻井式地下气化炉。

这种煤炭气化方式,很好地发挥了石油企业的钻井技术优势,免去了巷道式建地下气化炉的条件限制。但因钻井井径受限,制约了单套炉的气化规模,有待进行单套炉多进气孔、多气化通道、多出气孔、大井眼钻进和扩眼完井等技术攻关。

2、挖掘剩余资源的新途径

据统计,1953年-1989年我国有报废矿井297处,1990年至今有244处报废,报废资源量到2002年底已超过300亿吨,一般为井工开采(由工人下入井内进行资源开采,与露天开采相对应,井工可采煤炭量仅占煤炭资源储量的11.43%)遗留的煤柱、薄煤层、劣质煤层、高瓦斯煤层等,丰富的深层煤炭资源和浅海地区的煤炭资源也未被开发利用。煤炭地下气化技术的发展应用,为这些资源的有效动用提供了途径。

目前山东、山西、内蒙古、贵州等地都在引入煤炭地下气化技术,以使剩余的煤炭资源得到充分利用。

有关专家介绍,煤炭地下气化技术避免了传统煤炭开采方式对大气带来的污染。地下燃烧产生的高温能使瓦斯气和煤焦油发生剧烈膨胀而被挥发采出。尤其是高温能使褐煤的物性变好,使煤层气被解析,易于产出,其中的灰分留存于地下,还可以减少开采后期地层坍塌的危险。

煤炭地下气化开采还有见效快的特点。点燃后,只需注入气化剂便可连续生产。气化剂由空气、水蒸气、氧气和氢气组成。氧气和氢气可由粗煤气分离获得,水蒸气可由产出的高温粗煤气经降温处理制取,总体工艺具有明显的循环经济特色。

3、 资源综合利用的新方式

煤炭地下气化开采产业的综合性较强,不仅能够提高煤炭资源的利用率和开发动用程度,符合节约型的产业发展原则,而且有利于就近建立综合性的产业群。

降温处理后的粗煤气,经过净化可用来发电或向产业群以及附近城市集中供热,尤其是可以利用余热,发展附近农村的温室绿色农作物产业,还可以从中提取氢气和氧气,除用作气化剂外,氢气还是城市清洁能源。粗煤气净化过程中,还可以获得焦油、硫产品、酸产品和苯产品。

值得一提的是,粗煤气净化过程中分离出来的氮气,可以制成液氮,在油气钻井和增产措施中具有重要用途。目前国内油气田开发中对液氮的需求正在不断增大。净化后的煤气是重要的化工原料,可制取甲醇,进而制取甲脂和聚甲醛等,或者作为制取合成氨、二甲醚等的原料。

总之,煤炭地下气化开采的产业综合性越强,开采成本下降越明显,获取的综合效益就越大。煤炭地下气化开采产业规模可大可小,可独立经营,更利于大产业经营,投资少,投资回收期短,投资回报率高。

五、山西省开展煤炭地下气化应用的条件已经成熟

煤炭地下气化项目在山西省一直是空白,针对我省不同煤种、地域和大量压覆、残留煤田的实际,有选择的开展煤炭地下气化工业试验,对于有效解决压覆资源、残留资源,推进山西煤炭产业向煤炭清洁能源工业转化,实现山西绿色转型、低碳运营的目标,特别是对于我省实现国家资源型经济转型综合配套改革试验区的经济结构战略调整具有深远的意义。

笔者有幸参与了对山西的小窑破坏煤田、残留煤区、劣质煤田、深部煤田等进行了调研。山西小窑破坏煤田、残留煤区或劣质煤田较为普遍,如果选择和应用煤炭地下气化技术,将为山西的残留煤田的开采找到一条清洁、环保的新技术、新方法,将为山西的十二五节能减排,实现转型发展,气化山西,低碳生活,大力提高城市工业链系统能效发挥积极的作用。我们以一个残留约200万-300万的煤矿为例,煤炭地下气化技术,可始气化总规模达到410万NM3,按总共三期计算:一期规模为10万Nm3/d,其中5万Nm3/d为民用燃气,5万Nm3/d为工业燃气;二期、三期规模分别为100万Nm3/d和300万Nm3/d。项目所产煤气可经变换合成后直接输送至多家大型焦化厂、工业园区、民用煤气管网等,工业燃气和居民生活均可使用。这样,既有效解决了十数个残留煤田的回收利用,又产生了积极的社会效益和可观的经济效益。而且在建设中的煤气转化、铺设管道、加压站等相关设施建设等等方面,预计后续投资在10亿元以上,对于带动区域经济发展具有广阔的前景。

综上所述,煤炭地下气化项目对山西省不同煤种、地域和大量压覆、残留煤田重新开发利用、对于有效解决压覆资源、残留资源,推进山西煤炭产业向煤炭清洁能源工业转化,实现山西绿色转型、低碳运营的目标,特别是对于山西省实现国家资源型经济转型综合配套改革试验区的经济结构战略调整,具有深远的社会和经济意义。

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