煤氣作為一種使用方便、清潔的能源在我國城市煤氣生產(chǎn)和使用中起著重要作用，而對環(huán)境保護(hù)的日益重視也促進(jìn)了我國城市煤氣事業(yè)的發(fā)展。目前城市煤氣的氣源主要包括焦?fàn)t煤氣、天然氣、液化氣、加壓固定床氣化煤氣及兩段或一段水煤氣，部分小城市和礦區(qū)也使用發(fā)生爐煤氣、煤層瓦斯氣等。隨著天然氣的大量發(fā)現(xiàn)和西氣東輸工程的實施，天然氣占城市煤氣的比例越來越大。但對遠(yuǎn)離天然氣供應(yīng)范圍而又擁有或附近具有煤炭資源的某些中小城市或礦區(qū)，使用煤炭氣化提供煤氣仍然是較佳的選擇，近幾年在我國獲得較快發(fā)展的煤炭地下氣化技術(shù)則是選擇之一。
1888年著名化學(xué)家門捷列夫在世界上首次提出了煤炭地下氣化的設(shè)想，英國、前蘇聯(lián)、美國等國家先后進(jìn)行了煤炭地下氣化試驗研究及開發(fā)工作[1,2]。其中前蘇聯(lián)在1940-1961年先后在莫斯科近郊煤田和頓涅茨克煤田等地建成了5個試驗性氣化站，即莫斯科近郊、利西昌斯克、南阿賓斯克、沙特斯、安格連斯克地下氣化煤氣站。這5個地下氣化企業(yè)已氣化了1500多萬t煤炭，獲得50多億m3的商品煤氣，所產(chǎn)煤氣主要供給電站和其它工業(yè)用戶。美國87年在洛基山進(jìn)行了擴(kuò)展貫通井孔（ELW）和注入點控制后退（CRIP）兩種模式水蒸氣/氧氣鼓風(fēng)試驗，獲得了中熱值煤氣。100多年的試驗和研究，在地下氣化基本反應(yīng)機(jī)理、模型計算等理論研究及工藝過程設(shè)計、現(xiàn)場地下氣化試驗等方面取得了許多成果。我國也對地下氣化技術(shù)進(jìn)行了研究和開發(fā)。
1 煤炭地下氣化在我國的發(fā)展概況
我國在上世紀(jì)50年代開始進(jìn)行地下氣化研究與試驗。1958年至1962年，先后在新汶、鶴崗、棗莊、大同、皖南、沈北等許多礦區(qū)進(jìn)行過煤炭地下氣化試驗，曾有16個礦井作過無井式地下氣化試驗，取得了一定成就，后因為種種原因未能堅持下來。從80年代中期開始，又恢復(fù)地下氣化研究和試驗工作；90年代后期進(jìn)入快速發(fā)展階段，目前基本上形成了兩種主流技術(shù)，表1為國內(nèi)一些開發(fā)情況，下面將作簡要介紹。
表1 中國地下氣化開發(fā)情況[3-5] 地 點 氣化爐型式 氣化爐
數(shù)量/臺 煤 種 產(chǎn)氣量/萬Nm3/d 點火時間 備注 鶴崗興山礦 無井式 1 氣煤 - 1958 試驗/已停 大同胡家灣 無井式 1 弱粘煤 空氣煤氣 1958 試驗/已停 吉林蛟河 無井式 1 - 空氣煤氣 1958 試驗/已停 安徽獨山 有井式 1 - 0.15 1959 試驗/已停 徐州馬莊 無井式 1 氣肥煤 0.03 1985 試驗/已停 徐州新河礦 Ⅰ* 1 氣肥煤 3.6 1994 試驗/已停 唐山劉莊礦 Ⅰ* 2 氣肥煤 11 1996 1臺已停 依蘭礦 Ⅱ** 1 長焰煤 - 1998 試驗/已停 義 馬 Ⅱ** 1 長焰煤 - 1998 試驗/已停 鶴壁一礦 Ⅱ** 1 貧瘦煤 7 1998 燒鍋爐/已停 新汶孫村礦 Ⅰ* 3 氣煤 6 2000 在運行 新密下莊河 Ⅱ** 1 貧煤 - 2000 富氧氣化試驗/已停 新汶?yún)f(xié)莊礦 Ⅰ* 2 氣煤 2 2001 在運行 肥城曹莊礦 Ⅰ* 2（1）*** 肥氣煤 3.5 2001 在運行 山西昔陽 Ⅰ* 2（1） 無煙煤 4 2001 試驗 攀枝花 Ⅱ** 1 貧瘦煤 8 2001 因故停/擬重新點火 鶴壁三礦 Ⅱ** 1 貧瘦煤 15 2001 停 阜 新 Ⅱ** 1 空氣煤氣 試驗/停 新汶鄂莊 Ⅰ* 2（1） 氣煤 2002 1臺在運行
*Ⅰ長通道、大斷面、兩階段法，**Ⅱ礦井氣化法，***括號里為已點火臺數(shù)
1.1 “長通道、大斷面、兩階段”地下氣化新工藝 中國礦業(yè)大學(xué)煤炭地下氣化工程中心，提出了 “長通道、大斷面、兩階段”氣化工藝。它主要由進(jìn)/排氣孔、氣流通道、氣化通道三部分組成。進(jìn)、排氣孔由地面打鉆施工，而氣流通道、氣化通道則在井下施工，這樣氣化通道可做到4m2左右。氣化通道斷面加大以后，供風(fēng)阻力減少，電耗降低，反應(yīng)面積增大。氣化通道長，可使單爐產(chǎn)量增大，服務(wù)時間延長，單位時間內(nèi)燃燒的煤量較多，熱穩(wěn)定性較好。它是一種循環(huán)供給空氣和水蒸氣的地下氣化方法，有些類似于地面水煤氣間歇制氣操作過程。每個循環(huán)由兩階段組成，第一階段為鼓空氣燃燒蓄熱，生產(chǎn)空氣煤氣階段；第二階段為鼓水蒸氣，生產(chǎn)熱解煤氣和水煤氣階段。
1987年首先在徐州馬莊礦報廢水平中，采用了無井式空氣連續(xù)氣化工藝，進(jìn)行了地下氣化現(xiàn)場試驗。從1994年，先后在徐州新河二號井、唐山劉莊礦、新汶礦務(wù)局孫村/協(xié)莊/鄂莊礦、肥城局曹莊礦、山西昔陽等地采用有井式兩階段操作氣化獲得成功。 1.2 “礦井地下氣化”技術(shù) “礦井地下氣化”技術(shù)是利用現(xiàn)有煤礦的生產(chǎn)條件，在地下煤層直接構(gòu)筑“氣化爐”生產(chǎn)煤氣輸?shù)降孛?。其技術(shù)構(gòu)成是：掘兩條底板傾斜煤巷作為注氣巷與輸氣巷，并打走向鉆孔實施切換注氣孔煤壁后退氣化技術(shù)，構(gòu)成氣化工作面；通過對煤壁的熱作用及化學(xué)作用將煤炭轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w；利用相關(guān)的儀器儀表進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控；完成地下煤層氣化試驗?！ ≡擁椉夹g(shù)目前已成功地完成了多次現(xiàn)場試驗，如黑龍江依蘭礦區(qū)氣化礦井技術(shù)試驗、河南新密、義馬、鶴壁一礦礦井氣化工業(yè)試驗等，并對晉城、潞安、義馬等礦區(qū)地下氣化合成化工產(chǎn)品等進(jìn)行了規(guī)劃。
2 地下氣化煤氣組成及熱值
與地面氣化一樣，地下氣化的煤氣組成與工藝操作條件如氣化劑組成、壓力和反應(yīng)溫度及煤質(zhì)等有關(guān)。目前國內(nèi)外已試驗了空氣氣化、富氧氣化、純氧/水蒸氣氣化、兩階段氣化等，為防止地下水滲漏影響氣化過程的進(jìn)行，國外往往使表2 地下氣化典型煤氣組成[3-5]
地 點
煤氣種類
煤氣組成*，vol%
熱值MJ/Nm3
產(chǎn)量Nm3/h
H2
CO
CH4
CO2
N2
馬莊礦
空氣煤氣
11.12
8.31
2.32
11.8
66.8
