化工学报 ›› 2022, Vol. 73 ›› Issue (8): 3299-3306.DOI: 10.11949/0438-1157.20220760
收稿日期:
2022-05-30
修回日期:
2022-07-20
出版日期:
2022-08-05
发布日期:
2022-09-06
通讯作者:
刘振宇
Received:
2022-05-30
Revised:
2022-07-20
Online:
2022-08-05
Published:
2022-09-06
Contact:
Zhenyu LIU
摘要:
煤地下气化技术历经国内外一百多年的实验室研究和大量现场试验仍然存在产率低等关键问题。虽然一些文献认为该技术是未来煤炭利用技术的发展方向,但其至今仍未实现工业应用的现象说明其本身存在尚未被充分关注的关键科学(卡脖子)问题。本文从化学反应工程基本原理出发分析该技术涉及的关键传质与反应过程,并与现代大型地上煤气化技术对比,探讨其工业应用技术挑战的科学根源。
中图分类号:
刘振宇. 煤地下气化低效的化学反应工程根源:滞留层及通道中的传质与反应[J]. 化工学报, 2022, 73(8): 3299-3306.
Zhenyu LIU. Origin of low productivity of underground coal gasification: diffusion and reaction in stagnant boundary layer and gasification tunnel[J]. CIESC Journal, 2022, 73(8): 3299-3306.
试验年份 和地点 | 气化通道尺寸 | 粗煤气产出 | 有效气产量/ (m3/h) | 产气组成/%(有些总和不是100%) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
长度/ m | 断面/ m2 | 气化面/ m2 | 产量/ (m3/h) | 速率/ (m/h) | 热值/ (MJ/m3) | CO | H2 | CO2 | CH4 | O2 | N2 | ||
1948美国高尔加斯 | 90 | 0.7 | 267 | 1870 | 7.0 | 0.1~0.9 | 34 | 0.5 | 0.9 | 6.0 | 0.4 | 12.7 | 79.5 |
1952美国高尔加斯 | 45 | 0.5 | 113 | 2110 | 19 | 2.7 | 352 | 7.1 | 7.6 | 11.7 | 2.1 | 0.6 | 70.9 |
1978美国汉纳 | 62 | 1.1 | 230 | 2040 | 8.9 | 8.4 | 757 | 1.9 | 25.1 | 44.0 | 10.1 | 0 | 16.1 |
1979比利时布阿略达姆 | 87 | 1.4 | 365 | 2500 | 6.8 | 8.5 | 1500 | 18.5 | 36.1 | 36.1 | 5.4 | 0.1 | 0 |
101 | 2.1 | 519 | 1950 | 3.8 | 9.7 | 1385 | 36.2 | 31.8 | 31.8 | 3.0 | 0.1 | 2.0 | |
1952苏联顿巴斯 | 85 | 1.4 | 356 | 3080 | 8.7 | 4.2 | 1001 | 15.9 | 14.8 | 12.1 | 1.8 | 0.2 | 54.8 |
1956苏联莫斯科近郊 | 66 | 1.5 | 286 | 2900 | 10.1 | 3.5 | 658 | 7.1 | 14.1 | 19.5 | 1.5 | 0.3 | 55.9 |
1950英国纽门斯平尼 | 27.5 | 0.4 | 63 | 300 | 4.8 | 2.1 | 41 | 4.9 | 7.9 | 15.5 | 1.0 | 0 | 70.7 |
1994中国徐州新河 | 168 | 2.6 | 960 | 3240 | 3.4 | 13.1 | 2657① | 12.2 | 58.0 | 14.6 | 11.9 | 0 | 3.3 |
1996中国唐山刘庄 | 110/200 | 3.4 | 1319/ 2638 | 2325 | 1.8 | 12.5 | 1674 | 14.0 | 46.0 | 17.0 | 12.0 | 10.0 | |
4583 | 3.5 | 5.0 | 1627 | 15.0 | 15.0 | 13.5 | 3.0 | 52.5 | |||||
1996中国山东新汶 | 63/74 | 1357 | 10.1 | 841 | 9.4 | 44.1 | 30.0 | 8.5 | 0.7 | 7.9 | |||
2007中国乌兰察布 | 6250 | ||||||||||||
2010中国甘肃华亭 | 3067 | 4.1 | 938 | 12.7 | 16.3 | 17.5 | 1.5 | 0 | 51.7 | ||||
3216 | 4.8 | 1141 | 13.9 | 19.6 | 15.5 | 2.0 | 0 | 48.7 | |||||
3408 | 5.6 | 1388 | 18.0 | 20.6 | 19.0 | 2.1 | 0 | 39.8 | |||||
2096 | 6.7 | 1043 | 22.1 | 25.4 | 21.2 | 2.3 | 0 | 28.6 | |||||
1140 | 9.3 | 790 | 29.6 | 36.2 | 25.7 | 3.5 | 0 | 4.5 |
表1 国内外部分现场试验数据[4-7]
Table 1 Field data of underground gasification[4-7]
试验年份 和地点 | 气化通道尺寸 | 粗煤气产出 | 有效气产量/ (m3/h) | 产气组成/%(有些总和不是100%) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
长度/ m | 断面/ m2 | 气化面/ m2 | 产量/ (m3/h) | 速率/ (m/h) | 热值/ (MJ/m3) | CO | H2 | CO2 | CH4 | O2 | N2 | ||
1948美国高尔加斯 | 90 | 0.7 | 267 | 1870 | 7.0 | 0.1~0.9 | 34 | 0.5 | 0.9 | 6.0 | 0.4 | 12.7 | 79.5 |
1952美国高尔加斯 | 45 | 0.5 | 113 | 2110 | 19 | 2.7 | 352 | 7.1 | 7.6 | 11.7 | 2.1 | 0.6 | 70.9 |
1978美国汉纳 | 62 | 1.1 | 230 | 2040 | 8.9 | 8.4 | 757 | 1.9 | 25.1 | 44.0 | 10.1 | 0 | 16.1 |
1979比利时布阿略达姆 | 87 | 1.4 | 365 | 2500 | 6.8 | 8.5 | 1500 | 18.5 | 36.1 | 36.1 | 5.4 | 0.1 | 0 |
101 | 2.1 | 519 | 1950 | 3.8 | 9.7 | 1385 | 36.2 | 31.8 | 31.8 | 3.0 | 0.1 | 2.0 | |
1952苏联顿巴斯 | 85 | 1.4 | 356 | 3080 | 8.7 | 4.2 | 1001 | 15.9 | 14.8 | 12.1 | 1.8 | 0.2 | 54.8 |
1956苏联莫斯科近郊 | 66 | 1.5 | 286 | 2900 | 10.1 | 3.5 | 658 | 7.1 | 14.1 | 19.5 | 1.5 | 0.3 | 55.9 |
1950英国纽门斯平尼 | 27.5 | 0.4 | 63 | 300 | 4.8 | 2.1 | 41 | 4.9 | 7.9 | 15.5 | 1.0 | 0 | 70.7 |
1994中国徐州新河 | 168 | 2.6 | 960 | 3240 | 3.4 | 13.1 | 2657① | 12.2 | 58.0 | 14.6 | 11.9 | 0 | 3.3 |
1996中国唐山刘庄 | 110/200 | 3.4 | 1319/ 2638 | 2325 | 1.8 | 12.5 | 1674 | 14.0 | 46.0 | 17.0 | 12.0 | 10.0 | |
4583 | 3.5 | 5.0 | 1627 | 15.0 | 15.0 | 13.5 | 3.0 | 52.5 | |||||
1996中国山东新汶 | 63/74 | 1357 | 10.1 | 841 | 9.4 | 44.1 | 30.0 | 8.5 | 0.7 | 7.9 | |||
2007中国乌兰察布 | 6250 | ||||||||||||
2010中国甘肃华亭 | 3067 | 4.1 | 938 | 12.7 | 16.3 | 17.5 | 1.5 | 0 | 51.7 | ||||
3216 | 4.8 | 1141 | 13.9 | 19.6 | 15.5 | 2.0 | 0 | 48.7 | |||||
3408 | 5.6 | 1388 | 18.0 | 20.6 | 19.0 | 2.1 | 0 | 39.8 | |||||
2096 | 6.7 | 1043 | 22.1 | 25.4 | 21.2 | 2.3 | 0 | 28.6 | |||||
1140 | 9.3 | 790 | 29.6 | 36.2 | 25.7 | 3.5 | 0 | 4.5 |
气化炉 | 单台规模 | 产气组成/%(有些总和不是100%) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
煤量/(t/d) | 粗气/(m3/h) | 有效气/(m3/h) | CO | H2 | CO2 | CH4 | O2 | N2 | ||
气流床 (1400~1600℃) | 多喷嘴对置[ | 3000 4000 | — | 200000 247500 | 45.5 | 35.5 | 18.5 | — | — | — |
GE[ | — | — | 43.9 | 37.0 | 19.5 | — | — | — | ||
航天炉[ | 3500 | — | — | 67.5 | 25.0 | 5.5 | — | — | — | |
壳牌[ | 3000 | — | — | 63.3 | 21.1 | 13.8 | — | — | 1.8 | |
GSP[ | 2000 | — | — | 58.9 | 29.1 | 5.6 | — | — | — | |
西安热工两段[ | 2000 | — | — | 51.0 | 31.2 | 17.8 | — | 0.1 | — | |
流化床 (800~1000℃) | 中科院工热所[ | 2500 | 200000 | — | — | — | — | — | — | — |
循环流化床[ | 700~1000 | 80000 | — | — | — | — | — | — | — | |
灰熔聚-瘦煤[ | — | — | 26.7 | 42.1 | 21.0 | 1.9 | — | 8.2 | ||
灰熔聚-长焰煤[ | — | — | 29.5 | 39.7 | 21.6 | 1.7 | — | 7.4 | ||
流化床[ | — | — | — | 41.5 | 38.5 | 15.0 | — | — | — | |
移动床 (固态排渣和液态排渣的温度不同,气化区温度800~1400℃) | 碎煤加压固态排渣[ | 1500 | — | 119,000 | 25 | 38.5 | 22.5 | 10.5 | — | — |
碎煤加压-义马 | — | 110000 | — | — | — | — | — | — | — | |
鲁奇Mark V固渣 | 2000 | 100000~140000 | — | — | — | — | — | — | — | |
Mark+[ | — | 120000 | — | — | — | — | — | — | — | |
鲁奇无烟煤[ | — | — | — | 20.3 | 45.3 | 27.5 | 4.7 | — | 1.3 | |
鲁奇次烟煤[ | — | — | — | 21.4 | 38.4 | 28.9 | 9.6 | — | 1.0 | |
鲁奇褐煤[ | — | — | — | 19.1 | 37.2 | 30.7 | 11.8 | — | 0.5 |
表2 煤地上气化单炉规模和产气组成
Table 2 Capacity and gas composition of gasifiers
气化炉 | 单台规模 | 产气组成/%(有些总和不是100%) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
煤量/(t/d) | 粗气/(m3/h) | 有效气/(m3/h) | CO | H2 | CO2 | CH4 | O2 | N2 | ||
气流床 (1400~1600℃) | 多喷嘴对置[ | 3000 4000 | — | 200000 247500 | 45.5 | 35.5 | 18.5 | — | — | — |
GE[ | — | — | 43.9 | 37.0 | 19.5 | — | — | — | ||
航天炉[ | 3500 | — | — | 67.5 | 25.0 | 5.5 | — | — | — | |
壳牌[ | 3000 | — | — | 63.3 | 21.1 | 13.8 | — | — | 1.8 | |
GSP[ | 2000 | — | — | 58.9 | 29.1 | 5.6 | — | — | — | |
西安热工两段[ | 2000 | — | — | 51.0 | 31.2 | 17.8 | — | 0.1 | — | |
流化床 (800~1000℃) | 中科院工热所[ | 2500 | 200000 | — | — | — | — | — | — | — |
循环流化床[ | 700~1000 | 80000 | — | — | — | — | — | — | — | |
灰熔聚-瘦煤[ | — | — | 26.7 | 42.1 | 21.0 | 1.9 | — | 8.2 | ||
灰熔聚-长焰煤[ | — | — | 29.5 | 39.7 | 21.6 | 1.7 | — | 7.4 | ||
流化床[ | — | — | — | 41.5 | 38.5 | 15.0 | — | — | — | |
移动床 (固态排渣和液态排渣的温度不同,气化区温度800~1400℃) | 碎煤加压固态排渣[ | 1500 | — | 119,000 | 25 | 38.5 | 22.5 | 10.5 | — | — |
碎煤加压-义马 | — | 110000 | — | — | — | — | — | — | — | |
鲁奇Mark V固渣 | 2000 | 100000~140000 | — | — | — | — | — | — | — | |
Mark+[ | — | 120000 | — | — | — | — | — | — | — | |
鲁奇无烟煤[ | — | — | — | 20.3 | 45.3 | 27.5 | 4.7 | — | 1.3 | |
鲁奇次烟煤[ | — | — | — | 21.4 | 38.4 | 28.9 | 9.6 | — | 1.0 | |
鲁奇褐煤[ | — | — | — | 19.1 | 37.2 | 30.7 | 11.8 | — | 0.5 |
项目 | 地下气化① | 移动床 | 流化床 | 气流床 |
---|---|---|---|---|
颗粒直径d/10-3 m | 700 | 10 | 4 | 0.02 |
等质量煤颗粒数之比 | — | 1 | 15.6 | 1250000 |
等质量煤颗粒表面积A之比 | 0.014 | 1 | 2.5 | 500 |
气化炉中煤颗粒的停留时间/s | — | 3600 | 1200~1800 | 5~10 |
气化炉中瞬时煤质量的表面积比 | 0.014 | 1 | 0.8~1.3 | 0.7~1.4 |
表3 不同气化炉中等质量煤颗粒的外表面积比(以1个直径d为10 ×10-3 m的固定床煤颗粒为基准)
Table 3 Surface area comparison of coal particles on mass basis (based on a single fixed-bed coal particle of d=10 ×10-3 m)
项目 | 地下气化① | 移动床 | 流化床 | 气流床 |
---|---|---|---|---|
颗粒直径d/10-3 m | 700 | 10 | 4 | 0.02 |
等质量煤颗粒数之比 | — | 1 | 15.6 | 1250000 |
等质量煤颗粒表面积A之比 | 0.014 | 1 | 2.5 | 500 |
气化炉中煤颗粒的停留时间/s | — | 3600 | 1200~1800 | 5~10 |
气化炉中瞬时煤质量的表面积比 | 0.014 | 1 | 0.8~1.3 | 0.7~1.4 |
图5 各种气化技术的CO2生成量(数据源于表1和表2)A,B—高尔加斯;C—汉纳;D,E—布阿略达姆;F—顿巴斯;G—莫斯科近郊;H—纽门斯平尼;I—徐州新河;J—唐山刘庄-水煤气;K—唐山刘庄-空气;L—山东新汶-水煤气;M—甘肃华亭-空气;N—甘肃华亭-富氧;O—甘肃华亭-纯氧;P—鲁奇无烟煤;Q—鲁奇次烟煤;R—碎煤加压固态排渣;S—灰熔聚-瘦煤;T—灰熔聚-长焰煤;U—流化床;V—水煤浆-多喷嘴对置;W—水煤浆-GE;X—干粉-航天;Y—干粉-壳牌;Z—干粉-两段
Fig.5 CO2 formation in underground coal gasification(data from Table 1 and Table 2)
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