黑龙江省穆棱市煤炭地下气化发电项目规划方案
一、概述
穆棱市位于黑龙江省东南部，东与绥芬河相邻，南界吉林省。西与牡丹江市相邻，北与林口县接壤。
地下煤气化发电项目工作区位于太平岭北段，地势东南高而西北低，最高海拔“检涡东山”744.6m，最低海拔400m，相对高差340m。属低山丘陵地势。本区水系较发育。较大河流均属小亮河及大石头河次级水系。工作区属于严寒带大陆性气候，年平均气温3.3℃，1月平均气温-18.6℃，7月平均气温21.6℃。年降水量为503.8，mm，无霜期125天。
工业区以农业作物为主，其次为林业及各乡镇自主的小型工业。
1.4 矿权设置情况
勘查区块经矿权复核，区内唯有探矿权和采矿权设置，本次预查区拐点坐标为：
①东经130°47′00″，北纬44°58′45″
②东经130°53′00″，北纬44°58′45″
③东经130°53′00″，北纬44°56′00″
④东经130°54′00″，北纬44°56′00″
⑤东经130°54′00″，北纬44°46′45″
⑥东经130°47′00″，北纬44°46′45″
面积198.29Km
二、以往地址工作研究程度及勘查结果
本区以往地质工作程度较低，主要是以解放以后进行的：
1975年黑龙江省地质局第一区域地质调查队完成了1:20万的鸡西市幅（L-52-XXXIX）区域地质调查报告，对区内地层、岩浆岩、构造及矿产等做了总结和划分。
东北煤田108勘探队在煤盆地上第三系的玄武岩下伏地层城子河组（Jch）、穆棱组（Jm）、第三系虎林组（Eh）发现了可采煤层，其工作成果也是本次设计的重要依据。
本区有穆棱火烧桥（编号为23号）煤线索地一处，地理坐标为冬季130°50′，北纬44° 54′。也是本次工作的总要线索。
三、区域地质背景及成矿条件分析
3.1区域地质背景
预查区大地构造位于布列亚-佳木斯-兴凯湖（亚Ⅱ级）佳木斯隆起带（Ⅲ级）的穆棱凹陷（Ⅳ级）部位。区域内层发育，从远古界至新生界均有出露，主要有元古界黑龙江群、古生界下二叠统。中生界上侏罗统合白垩系级新生界地层（见附加表）
区域内岩浆岩以华力西晚期的碎裂斜长黄冈岩（γ o
）和黑云母花岗岩（γ ）为主，前者主要分布于区域南部，中偏西部也有零星出露，后者出露于区域的东南部。辉绿玢岩脉（βμ）在东南部阿偶有出露。
本区属佳木斯隆起带穆棱凹陷部位，敦密断裂从盆地通过。北、西、东南三面次一级构造较发育，以东南部几组断裂较明显，其中一条北东向断裂被数条北西向断裂横切错动，为一组平移断层。
四、煤炭地下气化技术及其优越性
煤炭地下气化，就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用，产生可燃气体，是一项集建井、采煤、气化于一体的多学科开发清洁能源与化工原料的新技术。煤炭地下气化技术具有资源节约、清洁环保、生产安全的优势，已被列为国家高新技术研究发展计划（863计划）和国家“十五”及“十一五”规划，目前已列入国家“十二五”。煤炭地下气化技术的优越性：
1、可充分利用和节约煤炭资源，提高煤炭利用率
受煤矿回采技术的限制，目前我国煤炭的回采率只有50％左右，小煤窑不到30％，煤炭浪费十分严重。据统计我国被遗留在地下的煤炭资源达370亿吨以上。煤炭地下气化能把地下的煤大部分气化，能把报废矿井中50％的遗留煤及边缘不可采的煤气化，能气化薄煤层、深部煤层和事故矿的压煤，可大大提高煤炭资源的利用率。
2、降低生产成本，提高劳动生产率
煤炭地下气化与煤炭露天开采平均生产成本大致相当，与煤炭地下开采相比，可节省大量的资金、设备和人员投入。煤炭地下气化成本为0.2-0.25元/米 ，地上气化成本为0.4-0.5元/米 ，可节约50％左右。比人工地下采煤劳动生产率可提高3-5倍。
3、能提供丰富的洁净能源和化工原料
煤炭地下气化时能生成洁净的气体，而把一切杂质和灰渣留在地下，还能生产很多副产品。
地下煤炭气化的综合利用：
4、节约建设投资，缩短建设周期
煤炭地下气化的厂房和设施比竖井建设简单得多，因此建设投资少。在相同规模条件下，建地下气化站的建设投资是建设竖井的1/3。如果利用报废矿井，可减少更多的建设资金。建设一座地下气化站一般不超过一年时间就可以投产，比建矿井要大大缩短建设周期。
5、可减少对地表环境破坏和环境污染
据统计，全国因煤炭开采造成近百万公顷土地的塌陷，且每年以2万公顷的速度增加，矸石积存达80亿吨，占地3万公顷，形成许多矸石山。同时，矸石排除大量烟尘及SO 、CO 、H S等有害气体，造成大气污染。由于地下开采造成地下水资源严重破坏，给矿区内的农业生产造成很大损失， 给当地气候、生态环境造成不可估量的损失。煤炭地下气化由于只采气不采煤，实现了清洁生产，有利于保护环境。
6、有利于保证安全生产
煤炭地下气化生产的人员和设备都在地面上，实现了工厂化生产，不存在煤炭底下开采的各种安全隐患，便于生产安全管理。
五、编制依据和原则
（一）、编制依据
1、中国矿业大学气化煤炭技术服务组编制的《穆棱市煤炭地下气化发电项目方案》
2、《城镇燃气设计规范》 （GB50028—2006）
3、《建筑防火设计规范》 （GBJ16—87修订版）
（二）、编制原则
1、贯彻国家能源政策及节能方针，根据实际情况，充分利用自身的有利条件，既解决居民用气难的问题，又顾及城市的长远发展。
2、坚持科学态度，积极采用新工艺、新技术、新材料、新设备，做到技术先进，经济合理，符合国家设计规范，保证运行安全、稳定。
3、环保、安全、劳动卫生遵循“三同时”原则，符合国家有关规定。
六、供气规模及供气范围的确定
（一） 供气原则、供气范围
1、供气原则
（1）满足居民日常生活用气。
（2）满足公福用户（餐饮、浴池、机关、学校、医院等）和工业用户的用气需要。
2、供气范围
穆棱市周边城镇居民用户、公福用户、工业园区内的工业用户。
七、居民用户耗热定额及不均匀系数的确定
（一）、煤炭地下起化煤气的性质
1、煤炭地下气的主要成分：
氢气、甲烷、一氧化碳、氮气、二氧化碳等
2、煤炭地下气化煤气的热值：
3800大卡/米
（二）、居民用户耗热额于生活水平，生活习惯，地区的气象条件，燃气用具的配置情况，居民每户平均人口数等因素有关。
根据穆棱市居民用气现状及生活环境等因素，参照相近城市耗热定额，确定居民耗热定额为2050MJ/人、年。
每户按3.5人计，每户每月耗气量为30m煤气。
（三）、用气不均匀系数的确定
城市居民使用燃气量在不同时间是不均匀的，用气不均匀性可分为三种，即用不均匀性、月不均匀性和时不均匀性，分别以月高峰系数，日高峰系数及小时高峰系数表示。月高峰系数（Km）是指计算月的月平均用气量和高月月平均用气量之比：小时高峰系数（Kh）是指计算月中最大用气量的月二小时最大用气量和该月小时平均用气量之比。
依据《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）并参考鸡西市及相邻城市实际高峰系数，经分析不确定性，鸡西市居民用气不均匀系数如下：
(1) 月高峰系数 km=1.1
（2）日高峰系数 kd=1.15
（3）小时高峰系数 kh=3.0
八、居民用户耗气量指标及生产规模
（一）、居民用气耗气量
本工程拟气化近年新开发建设的居民住宅小区，气化用户8万户，居民用户耗气量指标结果如下：
1.、年平均月耗气量为240万m/月
2、计算月平均月气耗量为270m/月
（二）、公福和工业用气耗气量
1、公福用户气量月平均耗气量为450万m/月（按300户计）。
2、工业用户月平均耗气量为：300万m/月。
3、向市区现有用户平均耗气量为：300万m/月。
居民用户、公福用户及工业用户平均日耗气量为40万m/日。
（三）、供气规模
本工程建成后，总生产能力将达到日常富氧煤气50万米/日，气化区可气化煤层总储量约为420万吨，服务年限为50年。煤炭地下气化生产量可根据用户需求量认为做出调整。
九、地下气化工艺方案
1、气化工艺选择
富氧连续气化是一种连续供给富氧空气（或纯氧），生产富氧煤气的地下气化工艺，生产的煤气产量大、热值随氧气浓度的提高有所提高。
富氧－水蒸汽连续气化是一种连续供给富氧－水蒸汽（或纯氧－水蒸汽），生产中热值半水煤气的地下气化工艺，富氧－水蒸汽气化工艺具有炉温高，煤炭燃烧气化率高，改善产气品质，提高煤气热值等优点。生产的煤气产量大、热值较高。
鉴于部分所产煤气需要进行甲烷化合成，然后掺混供于民用燃气，这对本煤炭地下气化的煤气的产量、热值要求较高，选用富氧连续气化工艺，根据实际气化效果在不同阶段配合以富氧－水蒸汽连续气化工艺。
2、地下气化炉布置
项目一期气化炉布置方案如下：
方案一：单层气化
采用垂直钻孔与定向钻配合的方式进行地下气化炉的构建，延煤层发育的北南方向进行气化炉布置，气化炉的结构，初期以一线炉为主，多炉并联运行，后期视煤层气化情况以及煤层裂隙发育情况决定是否采用联合气化。每个一线炉气化通道长度为200m（暂定），由一条定向钻和两个垂直钻孔构成，相邻气化炉定向钻的水平垂直距离设置为25m。具体布置方式如图1所示：
方案二：两层联合气化
与单层气化相同，采用垂直钻孔与定向钻配合的方式进行地下气化炉的构建，延煤层发育的北南方向进行气化炉布置，气化炉的结构以一线炉为主，多炉并联运行。每个一线炉气化通道长度为200m（暂定），由两条定向钻和两个垂直钻孔构成，相邻气化炉定向钻的水平垂直距离设置为25m。具体布置方式如图2所示：
注：两个垂直钻孔与上部煤层交叉部分的套管选用玻璃钢管
上述两个方案是根据穆棱特定煤层赋存条件制定的，有着各自的优缺点，其中：
方案一：施工难度小，气化炉操作控制简便，仅能气化一个煤层，产气量小，煤气成本较高；
方案二：施工难度大，气化炉操作控制复杂，同时气化两个煤层，产气量大，煤气成本较低；
项目二期、三期气化炉参照乌兰察布气化炉结构。
3、地面生产工艺
（1）气化剂制取
变压吸附法即VPSA法，该法利用吸附剂对气体的吸附容量随压力不同而相异的特点，在吸附剂选择性吸附的条件下，加压吸附除去混合气体中的杂质，减压时这些杂质脱附，使吸附剂得以再生，从而达到连续吸附和连续脱附，分离出氧的目的。它有能耗低、结构紧凑、自动化好、操作方便的特点。
根据无井式煤炭地下气化技术特点，及其对富氧气体的要求，本方案工艺采用立式吸附器、两床一均压力平衡方式、产品气体纯度自动调节、DCS控制的变压吸附流程。
（2）煤气净化
从地下气化炉引出的荒煤气，温度最高可达200℃以上，且煤气中含有焦油、水蒸汽、硫化物和大量的粉尘。为了减少对设备、管道的堵塞和腐蚀，提高输送系统的效率和降低初投资，回收利用宝贵的化工产品，满足电厂锅炉对燃料气的要求，应对荒煤气进行净化处理。
①、除尘：采用旋风分离器将荒煤气中的部分雾滴、粉尘以及焦油从煤气中分离出来；
②、冷却：煤气的冷却方式有间接冷却、直接冷却和间─直混合冷却三种。间接冷却流程产生的污水量少，冷却后的煤气相对干燥，但冷却效果较差；直接冷却流程煤气的冷却效果较好，所需设备体积小，但产生的污水量较多；混合冷却流程冷却效果好，能满足大幅度降低温度的要求，但设备多工艺繁投资大。依据本项目初期煤气处理量较小，设计采用间接冷却方式；
③、除焦油：采用电捕焦油器；
④、脱硫：由于所产煤气需要进行后续甲烷化合成，这要求煤气中硫化物的脱除较为彻底，因此采用干法脱硫技术。干法脱硫具有工艺设备简单，成熟可靠的特点，除能脱除煤气中的硫化氢外，还能脱除氰化物及焦油等杂质，干法脱硫的净化程度较高，此外对除去煤气中的氧化氮也有较好的作用。但干法脱硫也存在着脱硫剂更换时，劳动强度大、污染环境、占地面积多、反应速度较慢等缺点。但由于气化煤中含硫量较低，所以采用此种脱硫方法较为适宜。
（3）煤气合成
用地下气化煤气作原料气，先对原料气进行粗脱硫和脱氧，然后经气水分离器除去夹带的少量水分，进入第一换热器换热。为使出口气体硫含量控制在0.2 ×10-6以下，首先得在精脱硫器脱硫，精脱硫后的气体进入第二换热器后再经脱氧器，使气体中氧含量小于3×10-6，最后再进入甲烷化反应器。其反应热由液态导热载体带入废热锅炉回收蒸汽。甲烷化后的产物经换热器、冷却器降至常温，进入气水分离器,，除水分后进入煤气输配系统。采用该工艺制得的煤气热值可达3800Kcal/m3，CO含量可控制在10%以下，达到了城市煤气的质量要求。
（4）煤气存储与输送
①、煤气的储存：地下气化炉因受地质条件的变化、地面控制系统的精确度、送风量及温度等诸多因素的影响，所生产的煤气的压力、温度、产量、组分、热值都可能产生波动性的变化，因此，必须设煤气储存装置。根据《煤气规划设计手册》的有关规定，需建设一座30000m3气柜，作为缓冲稳压调节之用。
②、煤气的输送：煤气输送采用两台罗茨风机，一备一用。
4、生产稳定方案
为保证气化炉的连续稳定运行，提高煤气热值、组分以及产量的稳定性，需要采取相应的稳定生产措施方案。
（1）富氧－水蒸汽气化工艺
富氧－水蒸汽气化工艺能提高煤的燃烧率，能提高炉温，改善产气品质，提高煤气热值，缩短事故处理时间等优点。
（2）压、抽结合气化工艺
由还原区的两个主要反应可知，CO2还原和H2O(g)的分解都是体积增大的反应，因此降低还原区的压力能够提高其反应的速度，也有利于干馏煤气的排放，而在氧化区压力越高，向煤层中渗透燃烧的能力越强。为了同时满足氧化区和还原区的要求，采用压、抽相结合的气化工艺，即由进气孔供风增压，由出气孔抽气减压。同时压、抽相结合的气化工艺也是防止煤气泄漏的措施之一。
（3）多炉组合和正、反向燃烧气化工艺
当正向鼓风气化时，气化炉内氧化区将逐渐向出气孔方向移动，使得干馏干燥区和还原区越来越短，最终使得还原区的长度不能满足还原要求，这时必须采用反向供风方式，原出气孔改为进气孔，原进气孔改为出气孔，使氧化区反向移动，重新生成新的气化条件。多炉气化工艺有利于正、反向燃烧转换，有利于提高煤气产出量的稳定。为保证正、反向燃烧转换时的安全，采用水蒸气正、反向吹扫置换措施。正、反向鼓风主要目的是逐渐扩大煤的燃烧面积。
十、项目总体规划
因为穆棱市是黑龙江省东部地区煤炭资源储量较大的城市，尤其是柴煤的储量最多，适合地下气化采煤，足够满足我省东部地区七个地市1180万人口的民用燃气、供热、发电及煤化工生产用气。
（此方案最终解释权归中国矿业大学煤炭地下气化研究中心、新奥气化采煤北京技术公司、城开（北京）投资有限公司穆棱地下煤气化发电清洁能源分公司）
中国矿业大学煤炭地下气化研究中心 城开（北京）投资有限公司穆棱地下煤气化发电清洁能源分公司
2010-11-23
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