地下煤气化

地下煤气化
过程类型化学
工业部门石油和天然气工业
煤炭行业
原料煤炭
产品）煤气
领先的公司非洲
LINC Energy
碳能
主要设施安格伦电站（乌兹别克斯坦）
玛格巴电站（南非）
Chinchilla示范设施（澳大利亚）
发明者卡尔·威廉·西门子
发明年份1868
开发人员非洲碳能
Ergo Exergy Technologies
斯科钦斯基采矿学院

地下煤气化（UCG）是一个转换的工业过程煤炭进入产品气体。 UCG是一个原位气化工艺，使用注射在非媒介煤接缝中进行氧化剂和蒸汽。通过从表面钻出的生产井将产品气体带到表面。[1]

主要的产品气体是甲烷，氢，一氧化碳和二氧化碳。比率取决于形成压力，煤的深度和氧化剂平衡。气体输出可能会燃烧用于电力。或者，气体输出可用于生产合成天然气，也可以用作氢和一氧化碳用作化学生产燃料（例如柴油），肥料，炸药和其他产品的原料。

该技术可以应用于原本是无利可图或在技术上复杂提取的煤炭资源传统采矿方法。UCG提供了常规的替代方案采煤一些资源的方法。它与环境活动家的许多担忧有关。[2]

历史

最早记录的提及地下煤气化的想法是在1868年威廉·西门子爵士在他对伦敦化学学会建议在矿井中废物和松弛煤的地下气化。[3][4]俄语化学家德米特里·门德利耶夫（Dmitri Mendeleyev）在接下来的几十年中，进一步发展了西门子的想法。[4][5]

1909 - 1910年，美国，加拿大和英国专利被授予美国工程师Anson G. Betts，以“使用未固定煤炭的方法”。[4][5]计划于1912年开始有关UCG的第一项实验工作达勒姆， 这英国，在诺贝尔奖赢家先生威廉·拉姆齐（William Ramsay）。但是，拉姆齐无法在开始之前开始UCG现场工作第一次世界大战，该项目被放弃了。[4][5]

初始测试

1913年，拉姆齐的作品被俄罗斯流放了弗拉基米尔·列宁谁在报纸上写Pravda一篇文章“伟大的技术胜利”有望通过地下煤气使工人摆脱煤矿中的危险工作。[4][5][6]

在1928年至1939年之间，进行了地下测试前苏联由国有组织Podzemgaz。[6]使用室法的第一次测试于1933年3月3日开始莫斯科Krutova矿的煤盆地。该测试和以下几个测试失败。第一次成功的测试于1934年4月24日在lysychansk，顿涅茨克盆地，由顿涅茨克煤炭化学研究所。[5]

1935年2月8日在Horlivka，顿涅茨克盆地。生产逐渐增加，1937年至1938年，当地的化学厂开始使用生产的气体。1940年，建立了实验植物lysychansk和图拉.[5]后第二次世界大战，苏联的活动在1960年代初期的五个工业规模的UCG工厂的运营中达到了最终的影响。但是，由于发现了广泛的活动，苏联的活动随后下降了天然气资源。1964年，苏联计划被降级。[5]截至2004年只要安格伦站点IN乌兹别克斯坦俄罗斯的Yuzhno-Abinsk网站继续运营。[7]

战后实验

第二次世界大战后，能源短缺和苏联成果的扩散引起了西欧和美国的新兴趣。在美国，1947年至1958年进行了测试阿拉巴马州戈尔加斯。实验是在阿拉巴马州和美国矿业局。戈尔加斯的实验持续了七年，直到1953年，这时美国矿业局在美国国会退出资金后撤回了对他们的支持。在这些实验中，到1953年，总共有6,000吨煤炭燃烧。实验成功地产生了可燃合成气。[8]该实验在1954年后重新激活，这次是使用油和沙子混合物进行水力裂殖的，但最终在1958年停止以不经济而停产。[9]从1973年至1989年，进行了广泛的测试。这美国能源部几家大型石油和天然气公司进行了几项测试。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室1976 - 1979年在Hoe Creek测试地点进行了三项测试怀俄明州坎贝尔县.[4][5]

与桑迪亚国家实验室Livermore和Radian Corporation于1981 - 1982年在附近的Widco Mine进行了实验华盛顿中心.[4]在1979 - 1981年，在附近展示了陡峭浸水接缝的地下气化罗林斯，怀俄明州。该计划最终以落基山脉1986 - 1988年的审判附近汉娜，怀俄明州.[5][7]

在欧洲，该流方法在Bois-la-dame进行了测试，比利时，1948年和杰拉达，摩洛哥，1949年。[7]钻孔方法在纽曼·斯皮尼（Newman Spinney）和拜顿，英国，1949年至1950年。几年后，1958 - 1959年在纽曼·斯皮尼·德比郡（Newman Spinney Derbyshire）在纽曼·斯皮尼·德比郡（Newman Spinney Derbyshire）制定了商业飞行员计划P5试验。[5][7]Newman Spinney项目于1957年授权，由蒸汽锅炉和3.75兆瓦组成涡轮增压器发电。[10]这国家煤炭委员会1959年夏季放弃了气化计划。[10]在1960年代，由于丰富的能源和低油价，欧洲的工作停止了，但在1980年代得到了建议。1983年，1983年至1984年在法国拉豪特（La Haute Deule）于1983年在1983年在比利时图林（Thulin）和1992 - 1999年在法国的拉豪特（La Haute Deule）和1992年在法国的洛杉矶杜尔（La Haute Deule）和19999年在El Eltretal Ethertication，于1983年在法国La Haute Deule进行了现场测试。特鲁尔省，西班牙.[4]1988年，欧洲社区委员会六个欧洲国家组成了一个欧洲工作组。[7]

在新西兰，1994年在Huntly Coal Basin进行了一项小型试验。在澳大利亚，从1999年开始进行测试。[7]自1980年代后期以来，中国已经运营了最大的计划，其中包括16项试验。[4][11]

过程

地下煤气化过程。

地下煤气使煤炭在仍在煤接缝中转换为天然气（原位）。通过钻入未固定煤层的井产生气体并提取气体。注入井用于提供氧化剂（空气，氧）和蒸汽点燃并为地下燃烧过程加油。单独的生产井用于将产品气体带到表面。[7][12]高压燃烧在温度下进行700–900°C（1,290–1,650°F），但最多可能达到1,500°C（2,730°F）。[4][7]

该过程分解煤炭并生成二氧化碳（co
2），氢（H
2），一氧化碳（CO）和甲烷（ch
4）。此外，少量的各种污染物包括硫氧化物（所以
x），单氮氧化物（不
x）， 和硫化氢（H
2s）产生。[7]随着煤面的燃烧和直接区域的耗尽，注入的氧化剂体积由操作员控制。[4]

有多种用于地下煤气化的设计，所有这些都提供了一种注入的手段氧化剂并可能蒸入反应区，还为生产气体以受控方式流向表面流动。随着煤炭对流动的抵抗，由于其年龄，组成和地质历史的不同，自然渗透性运输天然气的煤炭通常不够。对于煤的高压破裂，水力裂缝可以在不同程度上使用电炼和反向燃烧。[4][12]

最简单的设计使用了两个垂直井：一种注入和一种生产。有时，有必要在两个井之间建立通信，而一种常见的方法是使用反向燃烧来打开煤炭中的内部途径。另一种选择是钻一个连接两个垂直井的横向孔。[13]苏联使用了简单的垂直井，倾斜的井和长偏转的井的UCG。苏联UCG技术是由Ergo Exergy进一步开发的，并于1999 - 2003年在Linc's Chinchilla遗址，Majuba UCG Plant（2007）和Cougar Energy在澳大利亚的UCG Pilot（2010）进行了测试。

1980年代和1990年西班牙。该方法使用垂直生产井，并在煤中定向进行延伸的横向井。侧孔用于注射氧化剂和蒸汽，可以通过缩回注射器来改变注入点。[13]

碳能是第一个采用并行使用一对侧面井的系统。该系统允许注入和生产井之间保持一致的分离距离，同时逐步挖掘了两个井之间的煤。这种方法旨在提供每套井的最大煤炭量，还可以使生产气体质量更加一致。[14]

开发人员Portman Energy在2012年5月宣布了一项新技术，其中一种称为Swift（单个良好集成流动管）的方法使用单个垂直井来氧化剂输送和合成剂量恢复。该设计有一个封闭并充满惰性气体的管串的单个套管，以允许泄漏监测，预防腐蚀和传热。一系列水平钻孔的侧向氧化剂输送线进入煤炭，单个或多种合成导管恢复管道可以一次燃烧较大的煤面积。开发人员声称，这种方法将使合成气的产量高达十（10）次，高于早期的设计方法。单井设计意味着开发成本明显较低，设施和井口集中在一个减少地面通道，管道和设施足迹的单点上。[9]英国专利局已建议2013年10月16日发布Portman Energy的完整专利申请GB2501074。

各种各样的煤适合UCG工艺和煤炭等级褐煤到达沥青可能会成功加油。在选择适当的UCG位置，包括表面条件，水文地质学，岩性，煤炭数量和质量，都考虑了很多因素。根据安德鲁·比斯的说法CSIRO探索和采矿其他重要标准包括：

  • 100-600米的深度（330–1,970英尺）
  • 厚度超过5米（16英尺）
  • 灰分含量不到60％
  • 最小的不连续性
  • 与价值隔离含水层.[15]

根据Liberty Resources Limited的Peter Sallans的说法，关键标准是：

  • 深度为100–1,400米（330–4,590英尺）
  • 厚度超过3米（9.8英尺）
  • 灰分含量不到60％
  • 最小的不连续性
  • 从估值的含水层隔离。[16]

经济学

地下煤气气化允许使用其他技术在经济上无法回收的煤炭资源，例如，太深，低级或具有较薄层的煤层。[4]据一些估计，UCG将使经济可追回的储量增加6000亿吨。[17]劳伦斯·利弗莫尔（Lawrence Livermore）国家实验室估计，UCG可能会使美国可回收的煤炭储量增加300％。[18]Livermore和LINC Energy声称UCG资本和运营成本低于传统采矿的资本。[4][19]

UCG产品气体用于开火组合周期燃气轮机（CCGT）发电厂的一些研究表明，电力岛的效率高达55％，UCG/CCGT过程效率高达43％。CCGT使用UCG产品气体而不是天然气可以实现比粉状燃料电站（以及相关的上游过程），导致大幅下降温室气（GHG）排放.

UCG产品气体也可以用于：

  • 液体燃料的合成；
  • 化学药品的生产，例如氨和肥料；
  • 生产合成天然气；
  • 的产品氢.

此外，可以重新定向作为地下煤气的副产品生产的二氧化碳，并用于增强了石油回收率.

地下产品气体是天然气的替代品，可以通过消除采矿，运输和固体废物来节省成本。鉴于由较高的煤炭价格驱动的，预期的成本可能会增加排放交易，税收和其他减少政策，例如澳大利亚政府提议减少减少污染计划.

项目

美洲狮能量和LINC Energy基于Ergo Exergy提供的UCG技术，在澳大利亚昆士兰州进行了试点项目，直到2016年禁止其活动为止。[20][21][22][23][24][25]Linc Energy的子公司Yerostigaz生产约100万立方米（3500万立方英尺）合成气每天安格伦，乌兹别克斯坦。生产的合伙们用作安格伦发电站的燃料。[26]

在南非，Eskom（以Ergo Exergy为技术提供商）正在运营示范厂准备提供商业量的合伙人，以用于商业发电。[27][28][29]非洲碳能[30]已经获得了自由州省Theunissen附近50 MW电站的环境批准，并准备参加DOE的独立电力生产商（IPP）天然气计划[31]UCG已被指定为国内天然气供应选择。

恩恩（Enn）在中国开展了一个成功的试点项目。

此外，还有一些公司在澳大利亚，英国，匈牙利，巴基斯坦，波兰，保加利亚，加拿大，美国，智利，中国，印度尼西亚，印度，南非，博茨瓦纳和其他国家开发项目。[27]根据宙斯开发公司的数据，全球有60多个项目正在开发中。

环境和社会影响

消除采矿消除了矿山安全问题。[32]与传统的煤矿开采和加工相比，地下煤气消除了表面损伤和固体废物排放，并减少了二氧化硫（所以
2） 和氮氧化物（不
x）排放。[4][33]为了进行比较，估计UCG Syngas的灰分含量约为10 mg/m3与传统煤炭燃烧的烟雾相比，灰分含量可能高达70 mg/m3.[18]但是，UCG操作不能像表面气化器一样精确地控制。变量包括水流速率，气化区中反应物的分布以及腔的生长速率。这些只能根据温度测量值估算，并分析产品气体质量和数量。[4]

沉降是所有形式的采掘业的常见问题。当UCG在腔体中留下灰分时，在UCG后左空隙的深度通常大于其他煤萃取方法。[4]

地下燃烧产生不
x和所以
2和降低排放，包括酸雨.

关于大气的排放co
2，UCG的支持者认为该过程有优势地质碳存储.[4]将UCG与CCS相结合（碳捕获和存储）技术允许重新注入一些co
2现场进入在燃烧过程中产生的高度渗透岩石，即煤的腔。[34]污染物，例如氨和硫化氢，可以以相对较低的成本从产品气体中删除。

但是，截至2013年底，CCS从未成功实施，因为它不在UCG项目的范围内，有些人也引起了环境问题。2014年，政府在澳大利亚对据称涉嫌严重的环境危害提起诉讼，该危害是林克能源公司（Linc Energy）在昆士兰州昆切利亚（Chinchilla）附近的昆士兰州昆士兰州（Darling Downs）食品碗（Darling Downs）的丁基拉（Chinchilla）附近的煤气化煤气化厂造成的。[35]昆士兰州矿业部长安东尼·林纳姆（Anthony Lynham）博士在2016年4月被禁止使用UCG时说：“昆士兰州环境的潜在风险，而我们宝贵的农业工业远远超过了任何潜在的经济利益。UCG活动并没有堆积在昆士兰州进一步使用。”[25]

同时，正如原子科学公告中的一篇文章指出，2010年3月，UCG可能导致大量碳排放。文章说：“如果在不使用碳捕获或其他缓解技术大气 - 二氧化物水平的情况下提取了4万吨（煤），则可能会倍增。”摄氏”。[36][37]

含水层污染是潜在的环境问题。[4][38]有机和经常有毒的材料（例如苯酚如果没有退役，则可以在气化后留在地下腔室中。现场退役和康复是资源开发中的标准要求，无论是UCG，石油和天然气还是采矿，以及UCG Chambers的退役是相对简单的。苯酚浸出由于其高水溶性和对气化的高反应性，是最重要的环境危害。美国能源部劳伦斯·利弗莫尔研究所（Lawrence Livermore Institute怀俄明州。他们没有退役该地点和测试显示污染物（包括致癌苯）。室后来被冲洗，现场成功修复。一些研究表明，地下水中这些污染物的少量持久性是短暂的，地下水在两年内恢复。[33]即便如此，受监管要求支持的适当练习应该是每室冲洗和退役并修复UCG站点。

新的UCG技术和实践声称通过实施“清洁洞穴”概念来解决环境问题，例如与地下水污染有关的问题。[39]这是通过在操作过程中以及退役后产生的蒸汽自我清洗的过程。另一个重要的做法是在周围地下水的下方保持地下气化炉的压力。压力差会导致地下水连续流入气化器，而气化器中没有化学物质可以逸出到周围的地层中。压力由操作员使用表面的压力阀控制。[39]

也可以看看

参考

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进一步阅读

“超越压裂”，新科学家专题文章（弗雷德·皮尔斯），2014年2月15日

外部链接