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深部煤层地下煤气化原位点火的CFD模拟

煤炭学报 2024年第5期49卷 2490-2497页

作者：张友军肖逸张正张浩宇郝军吕敏方灿邹仁杰罗光前李显姚洪中石油江汉机械研究所有限公司湖北武汉430021 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室湖北武汉430071 深圳华中科技大学研究院广东深圳518000

地下煤气化(Underground Coal Gasification,UCG)作为一种新型采煤技术受到了广泛的关注,但UCG的实验成本较高,在开展UCG实验之前应当对煤层的演变机理进行深入的探究。计算流体力学(Calculated Fluid Dynamics,CFD)可以凭借计算机强大... 详细信息

地下煤气化(Underground Coal Gasification,UCG)作为一种新型采煤技术受到了广泛的关注,但UCG的实验成本较高,在开展UCG实验之前应当对煤层的演变机理进行深入的探究。计算流体力学(Calculated Fluid Dynamics,CFD)可以凭借计算机强大的计算能力,以较为低廉的成本模拟UCG的生产过程。采用Ansys公司开发的CFD软件Fluent模拟了1000 K烟气加热下深部煤层的原位加热着火过程,重点分析了温度、氧气摩尔分数和孔隙度的变化。结果表明,泵入500 s的1000 K烟气不足以点燃煤层,1000 s的烟气加热时间足以点燃煤层,该结果在时间上与劳伦斯实验室的点火时间相当。在煤层内表面,高温主要集中在靠近入口0~0.6 m内的煤层。着火前的最高温度低于加热烟气入口温度1000 K,而着火后的最高温度超过1000 K,最高温度约1250 K。O_(2)在高温区几乎全部消耗,而在其他温度较低的区域,到达煤层内表面的氧气摩尔分数不到2%。高温区孔隙度迅速增长,在1000 s时部分煤层孔隙度可达0.9左右。在煤层内部,煤层越厚,温度上升越低。在1000 s和2000 s时,7 cm线上煤层的最高温度仅为500 K左右,远低于相同加热时间下煤层内表面的最高温度。在2000 s的点火过程中,渗入7 cm和14 cm煤层中的氧气较少,内部煤层孔隙度均在0.4以下。较低的孔隙度是由较低的温度和较低的氧气摩尔分数共同造成的。对温度、氧气摩尔分数和孔隙度的模拟可为如何促进煤层内部的反应提供参考。

关键词：地下煤气化 CFD模拟点火温度氧气孔隙度

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地下煤气化合成气的脱碳提氢耦合工艺探讨

低碳化学与化工 2024年第1期49卷 125-132页

作者：王涛史世杰曾丽瑶罗珊周振华丁锋王召民高继峰中石化中原石油工程设计有限公司河南郑州451000 中石化石油工程建设有限公司北京100020

针对煤炭地下气化(UCG)技术制备的合成气具有温度高(>200℃)、压力大(3.35 MPa)、饱和含水量大及组分复杂(含CH_(4)、H_(2)、CO_(2)和CO等)的特点,设计并采用膜分离+溶剂吸收耦合的处理方法以实现地下煤合成气中CO_(2)的脱除和H_(2)的... 详细信息

针对煤炭地下气化(UCG)技术制备的合成气具有温度高(>200℃)、压力大(3.35 MPa)、饱和含水量大及组分复杂(含CH_(4)、H_(2)、CO_(2)和CO等)的特点,设计并采用膜分离+溶剂吸收耦合的处理方法以实现地下煤合成气中CO_(2)的脱除和H_(2)的提纯。地下煤合成气经过二级膜分离单元的处理,实现了CO_(2)/H_(2)与CH_(4)的分离并得到了脱碳净化气,其中CO_(2)含量(物质的量分数)≤3%,该膜分离工艺所需能耗为0.297 k W·h/m^(3)。使用醇胺吸收法处理CO_(2)/H_(2)混合气,并通过配方溶液筛选、工艺流程优化和校验分析等方法开展了研究,最终得到了H_(2)纯度(物质的量分数)≥99%的产品,该醇胺吸收法的能耗为0.341 k W·h/m^(3)。使用膜分离+溶剂吸收耦合处理复杂工况的地下煤合成气,可得到脱碳净化气、纯CO_(2)和工业级H_(2),提高了项目的经济价值,具有较大的应用潜力。

关键词：地下煤气化膜分离溶液吸收法脱碳提氢

地下煤气化过程中焦炭-CO2气化特性的试验探索

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地下煤气化过程中焦炭-CO2气化特性的试验探索

作者：李志鹏中国矿业大学

学位级别：硕士

煤炭在我国能源结构中占比很大,同时也是我国环境污染排放的主要来源之一。在严峻的能源与环境压力下,发展高效清洁的煤炭转化技术成为了我国能源发展的战略选择。地下煤气化是实现煤清洁利用的有效途径之一,其核心为煤经过热解还原成... 详细信息

煤炭在我国能源结构中占比很大,同时也是我国环境污染排放的主要来源之一。在严峻的能源与环境压力下,发展高效清洁的煤炭转化技术成为了我国能源发展的战略选择。地下煤气化是实现煤清洁利用的有效途径之一,其核心为煤经过热解还原成的焦炭与气化剂反应过程。因此,本文主要针对地下煤气化过程中,焦炭与CO的气化反应特性进行了研究,分别从煤种、气化温度、气化剂分压、扩散效应的影响等多个方面研究了焦炭-CO气化反应特性;然后选取合适的动力学模型,从温度、CO分压及灰分三个方面对焦炭-CO气化反应进行了动力学分析,并探讨了反应活化能E与反应指前因子k的补偿效应;最后,结合焦炭-CO气化反应实验部分,选取了较为合适的实验条件,以煤矸石、石灰岩模拟地下煤层环境,研究了石灰岩、煤矸石对地下煤气化过程中焦炭-CO反应性的影响。本文主要的研究内容和结论如下:首先,焦炭-CO气化反应特性实验研究发现在固定床反应器上,扩散效应在CO流量大于160ml/min,焦炭质量小于0.25g时扩散速率对焦炭-CO表观气化速率的影响显著降低。气化温度对焦炭-CO气化速率的影响明显,将温度由900℃提升至1200℃时,其化学反应系数R由0.057336提高到0.183762;温度低于1100℃时,表观气化速率受化学反应动力学控制,高于1100℃时表观气化速率主要受扩散速率控制。在气化剂总流量一定的情况下,增大CO分压会有效提高焦炭-CO反应的气化活性。1100℃,气化剂流量为320ml/min,焦炭质量为0.25g时,将CO分压由25%提高到75%,其反应性系数R由0.091提高到0.155左右。在考察煤种对焦炭-CO气化反应的影响时发现,三种煤焦反应活性大小顺序为:褐煤煤焦>烟煤煤焦>脱灰褐煤煤焦;在温度为1100℃,其它实验条件一定时,其反应性系数R依次为:0.147、0.128、0.1,表明灰分中的碱金属对焦炭-CO气化反应的影响较焦炭结构更为明显。其次,本文对焦炭-CO气化反应进行了动力学分析,选用了SCM、VRM、RPM对化学反应速率常数k和反应时间t进行了拟合,研究表明,RPM模型具有最高的拟合度R,因此选用此模型来描述焦炭-CO气化反应,利用阿仑尼乌斯方程求得各项实验条件下的反应活化能与指前因子。在研究灰分对焦炭-CO气化反应影响时发现,进行脱灰处理之后,化学反应控制阶段的反应活化能由65.13k J/mol上升至98.02k J/mol;扩散控制阶段的反应活化能由29.9k J/mol上升至38.8k J/mol。可见,化学反应控制阶段中,煤的灰分对CO气化反应影响更大,主要原因在于褐煤是一种高钠煤,而钠对焦炭-CO气化反应有较高催化作用,且在化学反应控制阶段更为明显。无论焦炭-CO气化反应处于化学反应控制阶段还是扩散控制阶段,其活化能都伴随着CO分压的增大而减小。当气化反应处于化学反应控制阶段时,三个不同CO分压(25%、50%、75%)的活化能范围为41.78k J/mol-83.86k J/mol;当气化反应处于扩散控制阶段时,三个不同CO分压的活化能范围在20.09k L/mol-46.93k J/mol。同时通过计算发现在焦炭-CO气化反应中,无论是化学反应控制阶段还是扩散控制阶段,其活化能E与指前因子k存在明显的补偿效应,二者之间具有良好的线性关系,其拟合度高达0.9998。最后,本文以石灰岩和煤矸石模拟地下煤气化煤层环境,开展煤焦-CO气化实验。研究表明,加入石灰岩与煤矸石均会提高煤的反应活性。加入煤矸石之后,由于煤矸石内含有碱金属氧化物,碱金属在高温下挥发,通过改变煤的内部结构起到了催化作用,从而降低了反应活化能,提高了煤的反应活性,其反应系系数R由0.0022提升至0.003。加入石灰岩之后,石灰岩在高温煅烧下会产生大量CO,从而增大气体氛围中CO的分压,增强了气体外扩散,从而降低反应活化能,提高了煤的反应活性,相比只加入煤矸石,其反应系数R由0.003提升至0.0042。

关键词：地下煤气化动力学分析焦炭-CO2气化

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基于地下煤气化技术（UCG）的燃料电池

现代化工 2010年第11期30卷 93-94页

澳大利亚Linc能源公司（Linc Energy Ltd．）已经成功示范了Chinchilla地下煤气化（underground coal gasification，UCG）装置产生的氢气直接用于氢燃料电池的操作工艺。

关键词：氢燃料电池煤气化技术地下煤气化能源公司澳大利亚 coal 操作工艺 Ltd

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地下煤气化迫近商业化

国外石油动态 2006年第18期 15-22页

作者： Scott L. Montgomery Steve Morzenti 高贵生（译）

由于反复试验的成功以及全球需要新的能源，表明地下煤气化（UCG）有可能正在迫近商业化运作。

关键词：地下煤气化商业化运作煤炭资源开发

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地下煤气化废水处理方法研究

科技创新与应用 2019年第20期9卷 119-120页

作者：刘亚军贵州盘江精煤股份有限公司山脚树矿

地下煤气化废水主要为井下燃空区洗涤水和地面煤气净化及产品回收过程产生的废水,成分复杂,是国内外废水处理领域的一大难题。文章从生化法、物化法和化学氧化法3个方面综述了近年来国内外类似废水处理技术的研究进展,分析了现有处理方... 详细信息

地下煤气化废水主要为井下燃空区洗涤水和地面煤气净化及产品回收过程产生的废水,成分复杂,是国内外废水处理领域的一大难题。文章从生化法、物化法和化学氧化法3个方面综述了近年来国内外类似废水处理技术的研究进展,分析了现有处理方法的优缺点,并提出了地下煤气化废水处理技术的发展趋势。

关键词：地下煤气化废水处理生化法

基于Aspen Plus的地下煤气化平衡模型建模与优化分析

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煤化工 2022年第4期50卷 46-52页

作者：张骏驰吕存彬张龙中国石化长城能源化工有限责任公司北京100020 中国石油大学(华东) 山东青岛266580

为了实现对地下煤气化过程中合成气组成及低位热值的合理预测,以“三区”理论为基础,使用流程模拟软件Aspen Plus建立了地下煤气化平衡模型,通过与工业试验结果进行对比,验证了模型的可靠性;使用平衡模型探讨了操作压力和氧化剂类型对... 详细信息

为了实现对地下煤气化过程中合成气组成及低位热值的合理预测,以“三区”理论为基础,使用流程模拟软件Aspen Plus建立了地下煤气化平衡模型,通过与工业试验结果进行对比,验证了模型的可靠性;使用平衡模型探讨了操作压力和氧化剂类型对合成气组成及低位热值的影响。结果表明:气化通道内操作压力越高,合成气中CO_(2)、H_(2)含量越低,CH_(4)、CO含量越高,合成气低位热值越高;在O_(2)含量相同的条件下,富氧水蒸气作为氧化剂时,合成气的低位热值最高,O_(2)最佳体积分数为60%~80%。

关键词：地下煤气化平衡模型 “三区”理论 Aspen Plus 操作压力氧化剂类型

基于Aspen Plus的地下煤气化动力学模型建模

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能源化工 2022年第4期43卷 20-26页

作者：张骏驰赵春安张龙中国石化长城能源化工有限责任公司北京100020 中国石油大学(华东)化学化工学院山东青岛266580

煤炭是我国的主要能源,地下煤气化技术是未来煤炭工业发展的重要技术之一。根据不同种类煤炭慢速热解过程中主要元素迁移规律建立了煤炭热解预测模型。参考地下煤气化过程特点对气化反应进行简化,确定了需要考虑的主要反应后选择合适的... 详细信息

煤炭是我国的主要能源,地下煤气化技术是未来煤炭工业发展的重要技术之一。根据不同种类煤炭慢速热解过程中主要元素迁移规律建立了煤炭热解预测模型。参考地下煤气化过程特点对气化反应进行简化,确定了需要考虑的主要反应后选择合适的动力学参数,编写反应动力学方程嵌入Aspen Plus流程模拟软件中,结合煤炭热解模型建立地下煤气化动力学模型。对比模拟结果与试验数据,并进行了误差分析,结果表明:模型预测产出气组成的绝对误差均在12%以内,为地下煤气化工艺设计提供了一定的参考价值。

关键词：地下煤气化热解 Aspen Plus模拟合成气

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深层地下煤气化技术及其产品方案研究

大氮肥 2022年第3期45卷 154-159页

作者：詹媛媛中石化宁波技术研究院有限公司浙江宁波315103

地下煤气化是一种原位开采技术。本文开展了1000 m以下深度地下煤气化技术可行性及其产品方案的研究,建立了评价深层地下煤气化技术整体开发的地质、贮藏量、煤质要求以及配套条件等四大类评价体系指标,研究了发电300 MW、制氢规模20×1... 详细信息

地下煤气化是一种原位开采技术。本文开展了1000 m以下深度地下煤气化技术可行性及其产品方案的研究,建立了评价深层地下煤气化技术整体开发的地质、贮藏量、煤质要求以及配套条件等四大类评价体系指标,研究了发电300 MW、制氢规模20×104 m3/h、甲醇100×104 t/a以及天然气7.5×108 m3/a四个产品方案,及其技术经济。地下煤气化产品方案与其地域的产业结构和产品消纳设施密切相关,在目前技术经济条件下,煤炭地下气化制氢气和生产甲醇具备较好的经济效益。

关键词：地下煤气化发电制氢甲醇天然气