煤炭地下氣化影響因素煤的地下氣化系非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，影響煤氣質(zhì)量的因素很多，既有地下氣化所采用的工藝措施，又有煤層自身的特性及煤層頂?shù)匕宓囊苿?dòng)狀態(tài)。一般來講，影響煤炭地下氣化過程的主要因素包括以下幾個(gè)方面：1.1氣化爐溫度場(chǎng)煤炭地下氣化過程實(shí)際上是一個(gè)自熱平衡過程，依靠煤燃燒產(chǎn)生的熱量使地下氣化爐內(nèi)建立起理想的溫度場(chǎng)，進(jìn)而發(fā)生還原反應(yīng)和分解反應(yīng)，產(chǎn)生煤氣。因此，在地下氣化過程中起關(guān)鍵作用的是爐內(nèi)的溫度場(chǎng)，尤其是對(duì)于生產(chǎn)高熱值水煤氣的兩階段地下氣化更是如此。兩階段氣化是一種循環(huán)供給空氣和水蒸氣的地下氣化方法，每個(gè)循環(huán)由兩個(gè)階段組成，第一個(gè)階段為鼓空氣燃燒蓄熱生產(chǎn)空氣煤氣，第二個(gè)階段為鼓水蒸氣生產(chǎn)地下水煤氣，只有第一階段積蓄足夠量的熱能以后才能使第二階段水蒸氣的分界反應(yīng)得以順利進(jìn)行，從而產(chǎn)生高熱值地下水煤氣，同時(shí)，煤層熱分解的程度以及熱解煤氣的產(chǎn)量，完全取決于煤層內(nèi)的溫度分布。1.2鼓風(fēng)速率氣化過程的穩(wěn)定主要決定于單位時(shí)間內(nèi)起反應(yīng)的碳量，又決定于固體碳和二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)速度，決定于二氧化碳向固體碳表面的擴(kuò)散速度。前者與氣化帶的溫度有關(guān)，后者則與送風(fēng)流的速度(鼓風(fēng)量)有關(guān)。氣流運(yùn)動(dòng)速度越大，擴(kuò)散速度也越大。煤的氣化強(qiáng)度增加；另外，鼓入風(fēng)速的增加，初級(jí)產(chǎn)物一氧化碳的燃燒可以部分避免，而從氧化區(qū)帶走，從圖可以看出，提高鼓風(fēng)速度可以相應(yīng)地提高煤氣熱值。煤層中水的涌入速率很難控制，但可通過改變鼓風(fēng)速率來抑制水涌入所造成的影響，在相同水涌入速率的情況下，鼓風(fēng)速率越高，氣化區(qū)溫度越高，煤氣中水含量越少。無論在什么條件下，鼓風(fēng)速率的增加都是有限的，過高時(shí)系統(tǒng)壓力增大，煤氣熱值隨著鼓風(fēng)速率的增加而提高，但超過一定數(shù)值，煤氣熱值反而降低，而二氧化碳含量卻增加，這說明部分氣化產(chǎn)物被燃燒了，所以應(yīng)選擇適宜的流速和壓力，以避免煤氣的泄漏和一氧化碳被氧化。一般認(rèn)為變空氣鼓風(fēng)為富氧鼓風(fēng)可以大大提高煤氣的熱值，令人意外的是CO/CO2比率并不隨著鼓風(fēng)中氧含量的增加而有明顯的變化。雖然燃燒區(qū)的溫度由于鼓風(fēng)中氧含量的增加而升高，但因?yàn)檠醯呐月坊蚋郊拥乃魵廪D(zhuǎn)換CO為CO2的反應(yīng)并不完全。1.3水涌入速率氣體煤層中水的來源有：1.煤本身的含水量1.在熱分解中產(chǎn)生的水分3.圍巖的含水量4.地下水的滲入5.人為注入的水煤氣含水量反映出地下水從煤層周圍涌入氣化區(qū)域的速率，水涌入速率是由圍巖的滲透率和整段地帶的靜水壓力所決定的。通常條件下，靜水壓力隨時(shí)間變化緩慢，基本上是穩(wěn)定的。判明水涌入的實(shí)際軸向分布范圍一般比較困難，而其分布情況對(duì)煤氣組成有很大影響。氣化爐中存在少量的水，對(duì)氣化過程的進(jìn)行是有利的，在高溫下水被分解，使煤氣中富含CO和H2，同時(shí)又能適當(dāng)降低煤的燃燒溫度，從而降低了煤灰的熔融溫度，保證了良好的析氣條件。如果水涌入量比較大，即超過一定的限度，高溫氣流的冷卻作用及CO/CO2平衡轉(zhuǎn)換占優(yōu)勢(shì)，可燃組分相對(duì)減少，從而使煤氣熱值降低，此外，水涌入量增加，容易使孔道內(nèi)形成水層，堵塞狹窄的氣流通道。在煤炭地下氣化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，我們一般從兩個(gè)方面來抑制水涌入的影響：一是適當(dāng)提高鼓風(fēng)壓力，而是在操作系統(tǒng)中始終保持氣化通道足夠高的溫度，以蒸發(fā)所涌入的水，使所有涌入的水均以煤氣中的水蒸氣或水與煤之間反應(yīng)物等形式出現(xiàn)。地下水的存在，直接影響煤層的含水(充水)程度，其對(duì)地下煤層貫通和氣化影響在于：在貫通時(shí)貫通通道的空間小，內(nèi)部表面不大，只有比較少的地下水進(jìn)入貫通的通道，影響不大；但在氣化通道貫通以后，煤層開始?xì)饣瑲饣目臻g迅速增大，因而進(jìn)入地下煤氣爐系統(tǒng)地水量也增大，將嚴(yán)重影響著氣化過程的進(jìn)行。當(dāng)煤層中的水分含量超過一定限度時(shí)，還原帶的溫度及氣化過程遭到強(qiáng)烈的破壞，同時(shí)在反應(yīng)區(qū)中燃料的燃燒熱分配不當(dāng)，化學(xué)熱降低而物理熱升高，造成很大的熱損。在進(jìn)行地下氣化的準(zhǔn)備工作時(shí)，地下水，特別是流砂層常會(huì)給打鉆工作帶來困難，并且常因地下水改變鉆孔內(nèi)煤層的物理化學(xué)性質(zhì)而妨礙貫通工作的進(jìn)行。據(jù)地質(zhì)鉆探方面資料可知：在一般含水量的情況下，對(duì)鉆孔工作沒什么困難，而影響鉆孔工作的主要是流砂層，特別是含水的礫巖層，在這種巖石中鉆進(jìn)，不但時(shí)常發(fā)生漏水現(xiàn)象，而且往往因鉆孔壁陷落妨礙鉆進(jìn)。1.4氣體通道的長度和斷面可燃?xì)怏w的產(chǎn)生在氣化通道中經(jīng)歷了三個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)，當(dāng)氣化通道較長時(shí)，氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾區(qū)均能得到充分的發(fā)育，有利于一些可燃?xì)怏w生成反應(yīng)的進(jìn)行，使煤氣中的H2，CO，CH4等成分增加，煤層熱值提高。若氣化通道過短，只有氧化區(qū)和還原區(qū)得到發(fā)育，干餾區(qū)很短或消失，這樣煤熱解反應(yīng)減弱，煤氣中CH4含量降低，煤氣熱值降低，因此，建立足夠長的氣化通道是提高煤氣質(zhì)量必不可少的措施之一。對(duì)于國內(nèi)外氣化通道長度短、斷面小的試驗(yàn)，其產(chǎn)量小，地下煤氣中可燃組分含量少，熱值低。比利時(shí)由于加大了氣化通道的長度和斷面，其煤氣質(zhì)量明顯得到改善。我國一改20世紀(jì)50年代的建爐模式，采用有井推進(jìn)式大型爐結(jié)構(gòu)，通道長，斷面大，使產(chǎn)品煤氣中可燃組分大幅度增高，煤氣熱值提高。分析其原因，主要包括以下幾方面：①大型爐煤體燃燒后，形成大而穩(wěn)定的高溫場(chǎng)，氧化帶和還原帶的范圍擴(kuò)大，可燃組分增多，從而使煤氣熱值提高；②由于通道長、斷面大，所以干餾煤氣產(chǎn)量大，CH4含量高；③因由較長的干餾干燥帶，煤氣顯熱大多用于加熱煤層，故熱效率高；④大型爐為兩階段地下氣化創(chuàng)造了良好的條件。但是氣化通道亦不可過長，蘇聯(lián)的操作表明，過長的氣化通道則因煤氣被冷卻，CO/CO2之比率降低，而甲烷在過低溫度下生成速率很小，易發(fā)生如下反應(yīng)：2CO+H2O→CO2+H2+41.03KJ/g·moL2CO→CO2+C+171.5KJ/g·moL所以，對(duì)于某一特定的氣化煤層來說，氣化通道應(yīng)滿足各反應(yīng)區(qū)長度的要求。1.5操作壓力在傾斜、緩傾斜或近水平煤層中進(jìn)行地下氣化時(shí)，氣化劑僅限于在貫通通道內(nèi)流動(dòng)，而不能提供有效燃燒氣化所需要的大反應(yīng)表面。實(shí)踐證明，通過改變操作系統(tǒng)的運(yùn)作方式，可以得到較大程度的補(bǔ)償，即通過周期性變化的操作壓力可以提高煤氣的質(zhì)量。模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均表明，在壓力周期變化條件下，流體主要以對(duì)流方式傳遞給煤層熱量，這樣，一方面對(duì)氣化反應(yīng)帶前某一距離內(nèi)的煤層起到預(yù)熱作用，有利于煤層的燃燒與氣化；另一方面增加了熱解的產(chǎn)物，且避免了熱解氣體的燃燒。Mohtadi(1981)使用無煙煤分別在恒壓和周期變化的壓力下進(jìn)行了試驗(yàn)，其結(jié)果如表2-2所示。從下表可以看出，周期變化壓力條件下，熱損失減少約60%，熱效率和氣化效率分別為恒壓時(shí)的1.4倍和2倍，產(chǎn)品煤氣的熱值約提高1倍。由此證明了在壓力變化的條件下，氣化過程得到了較大程度的改善。1.6煤層厚度在地下氣化過程中，燃燒區(qū)和煤氣不僅因水的涌入而被冷卻，而且其中一部分熱量散失到煤層和圍巖(底板、頂板等)中去。當(dāng)煤層厚度小于2m時(shí)，圍巖的冷卻作用劇烈變化對(duì)煤氣熱值影響甚大。對(duì)于較薄煤層，增加鼓風(fēng)速率或富氧鼓風(fēng)可以提高煤氣熱值，蘇聯(lián)Lischansk地下氣化站在小于2m的煤層中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，即采用富氧鼓風(fēng)。后煤層進(jìn)行地下氣化不一定經(jīng)濟(jì)，一般以1.3～3.5m厚的煤層進(jìn)行地下氣化比較經(jīng)濟(jì)合理，煤層的傾斜度對(duì)其氣化難易也有影響，一般說來急傾斜煤層易于氣化，但開拓條件鉆孔工作較困難。試驗(yàn)證明，煤層傾角為35℃時(shí)，便于進(jìn)行煤的地下氣化。1.7空氣動(dòng)力學(xué)條件和氣化爐結(jié)構(gòu)現(xiàn)行的地下煤氣發(fā)生爐的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：在地下氣化爐的不同工作階段，均勻地向煤層反應(yīng)表面鼓風(fēng)，是氣化爐內(nèi)穩(wěn)定析氣的主要條件。在氣化過程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨著煤層和頂板的冒落而不斷發(fā)生變化。因此，氣化工作面的大小、形狀、位置和空氣動(dòng)力學(xué)條件也在不斷地發(fā)生變化，從而影響氣化過程的穩(wěn)定。順利送風(fēng)于反應(yīng)的煤表面，從而保證一定的空氣動(dòng)力學(xué)條件是氣化過程的穩(wěn)定基礎(chǔ)，因此必須設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的氣化爐，以實(shí)現(xiàn)這一目的。1.8煤質(zhì)對(duì)氣化的影響氣化反應(yīng)過程與煤的性質(zhì)和組成有著密切的關(guān)系，又與煤層情況和地質(zhì)條件有關(guān)，如無煙煤由于透氣性差，氣化活性差，脆性很高，在外力作用下最容易分解，因此一般不適于地下氣化；而褐煤最適于地下氣化方法，由于褐煤的機(jī)械強(qiáng)度差，易風(fēng)化，難于保存，且水分大，熱值低等特點(diǎn)，不宜于礦井開采，而其透氣性高，熱穩(wěn)定差，沒有粘結(jié)性，較易開拓氣化通道，故有利于地下氣化。影響氣化過程穩(wěn)定性的因素還有許多，如圍巖受熱變形、塌裂、擴(kuò)展的影響，煤質(zhì)煤層賦存條件的影響等。這些因素對(duì)氣化盤區(qū)的選擇和氣化爐的建立過程影響較大，對(duì)于氣化過程控制煤氣成分和熱值的影響不大。煤層頂?shù)装鍘r石的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)地下氣化有重要影響，要求臨近巖層完全覆蓋氣化煤層。當(dāng)氣化過程進(jìn)行到一定程度時(shí)頂板