煤炭地下氣化面臨的挑戰(zhàn)與技術對策

許 浩，陳艷鵬，辛福東，東 振，尹振勇，陳姍姍，王 瓊

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

煤炭地下氣化(Underground Coal Gasification，UCG)是指通過一定的工藝技術，在原位條件下，對煤炭資源進行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學作用下產生可燃燒氣體(包括CH4、H2、CO等)的過程[1-3]。煤炭地下氣化包含3個反應區(qū)和2種反應類型。3個反應區(qū)包括：燃燒區(qū)(反應溫度800～1 200 ℃)、還原區(qū)(反應溫度600～900 ℃)和干餾干燥區(qū)(反應溫度200～600 ℃)，3個反應區(qū)處于1個氣化反應帶中，根據(jù)反應溫度和發(fā)生的化學反應不同進行劃分，從化學反應角度來看，3個反應區(qū)沒有嚴格的界限，燃燒區(qū)、還原區(qū)也存在煤的熱解反應，只是氣化通道中氧化、還原、熱解反應的相對強弱程度不同[4]。2種反應類型包括：氣化過程中氣化劑或氣態(tài)反應產物與固體煤或煤焦的非均相反應和氣態(tài)反應產物之間的相互作用或與氣化劑的均相反應。

開展煤炭地下氣化研究具有必然性。一方面，目前，我國能源結構具有“富煤、貧油、少氣”的特點，煤炭地下氣化將有效緩解這一情況，同時為“清潔、低碳、安全、高效”的現(xiàn)代能源體系建設開辟新路徑；另一方面，我國1 000 m以深煤炭資源十分豐富，這些煤炭資源開采面臨巖層壓力大、涌水量大、地溫高等難題，開采技術難度不斷增大，煤炭地下氣化技術作為通過原位轉化進行煤炭資源利用的有效途徑，被譽為第二代采煤技術。因此，在經(jīng)濟社會快速發(fā)展和清潔能源需求旺盛的今天，煤炭地下氣化綜合了煤炭資源(尤其是深部煤炭資源)清潔利用和提供天然氣資源的兩大優(yōu)勢，必將成為我國能源領域的重要研究方向之一。在系統(tǒng)總結國內外煤炭地下氣化的發(fā)展歷程的基礎上，通過眾多實例的剖析，探討我國煤炭地下氣化順利有效進行將面臨的關鍵問題及相關配套技術體系。

1 國內外地下氣化歷史與現(xiàn)狀

1.1 國外地下氣化歷史與現(xiàn)狀

19世紀以來，煤炭地下氣化一直被認為是一種利用難開采煤炭資源的潛在方法。煤炭地下氣化的概念最早由德國科學家WILLIAM Siemens在1868年向倫敦化學學會提交的1篇論文中提出，第1次討論了將煤炭直接在原位進行氣化的可能性[5]。1888年蘇聯(lián)科學家MENDELEEV設計了煤炭地下氣化的基本工藝[6]。煤炭地下氣化技術在早期得到了列寧的支持，認為這種技術能夠消除礦工在地下礦井工作的風險，因而蘇聯(lián)在煤炭地下氣化研究上投入了大量資金。蘇聯(lián)于1935年建成了5個試驗區(qū)，并于1936年進入工業(yè)性試驗階段。1941年莫斯科近郊氣化站第1次實現(xiàn)了無井式地下氣化，至1957年共生產熱值達3.347 kJ/m3的煤氣30億 m3。1957年后蘇聯(lián)單個氣化站年產氣量達15億 m3，南阿賓斯克氣化站至1991年累計產氣達90億 m3。

1906—1910年，美國化學家ANSON Betts分別獲得美國、英國和加拿大的3種煤炭地下氣化專利，提供了多種煤炭地下氣化技術方案，建立了現(xiàn)代煤炭地下氣化技術的基本框架，這標志著煤炭地下氣化技術逐漸走向成熟[7]。1912年，英國化學家WILLIAM Ramsay計劃在英國和美國進行先導性試驗，但項目因為世界大戰(zhàn)而擱置。第二次世界大戰(zhàn)后，在蘇聯(lián)積累的經(jīng)驗被用于美國和歐洲地下氣化煤的發(fā)展。20世紀能源危機期間，美國政府于70年代末至80年代制定了數(shù)個煤炭地下氣化研究項目和和試驗項目，并進行了超過30次的煤炭地下氣化試點試驗，其中洛基山一號試驗項目獲得了加大爐型、降低成本、提高生產能力和煤氣熱值等方面的成果，該項目具有約1萬t煤的氣化能力。

由歐洲組織進行的第一次重大的UCG實地試驗是1947年在摩洛哥由法國領導進行的，隨后是1948—1950年在比利時的Bois-la-Dame進行的試驗，以及1949—1959年在英國的Newman Spinney和Bayton進行的試驗[8-9]。這些試驗都是在以空氣為主要氧化劑的淺層薄煤層中進行的，但由于環(huán)境和經(jīng)濟原因，多被放棄。20世紀末，德國、法國、比利時和許多東歐國家開始把煤炭地下氣化的目標放在難以開采的深部煤層[10]。1979年，德國與比利時進行了聯(lián)合試驗，試驗深度達860 m，并取得了良好效果。1988—1991年，基于歐洲共同體合作框架，在西班牙成功進行了深部煤炭地下氣化的聯(lián)合試驗[11]。該試驗成功采用鉆孔后退式供風方案，總氣化時間301 h，在解決技術問題的同時，證明了對于埋深較大的煤層實施煤炭地下氣化的可行性。然而，盡管取得了積極的成果，但由于全球石油產量的擴大以及新的天然氣田和凝析氣田的發(fā)現(xiàn)，該技術沒有得到廣泛采用。直至20世紀80年代，天然氣和石油價格逐漸下降，國外將煤炭地下氣化技術進行商業(yè)化的嘗試也逐漸停止。之后，隨著全球石油和天然氣價格的飆升，對地下氣化的興趣也呈現(xiàn)出周期性的上升，但始終未能以工業(yè)化的形式持續(xù)運轉[12]。

21世紀，隨著對天然氣和化工產品需求的不斷增長，以及人們對采礦作業(yè)的擔憂日益加劇，全球對煤炭地下氣化的興趣開始復蘇[13]。其中，煤炭地下氣化項目在澳大利亞得到了廣泛的發(fā)展。昆士蘭從1997—2003年運營的Chinchilla項目是其中的大型示范項目，該項目的開發(fā)商稱在沒有觀察到地面沉降或地下水污染的情況下氣化了3.5萬t煤炭[14-15]。2007年1月，南非在約翰內斯堡北部的Majuba煤田開展了1個小規(guī)模的煤炭地下氣化試驗項目[16]，該項目為1座4 200 MW的發(fā)電廠提供電力，但該地區(qū)因火山侵入而嚴重斷裂，使得采礦變得困難，試驗點最終只產生少量的燃燒合成氣。2009—2011年，加拿大于利用控制后退注氣點(Control Reverse Injection Point，CRIP)工藝在阿爾伯塔開展了迄今為止目標煤層最深(1 400 m)的工業(yè)化地下氣化現(xiàn)場試驗[7]。同樣，作為富有煤炭資源，而天然氣短缺的國家，印度對于煤炭地下氣化的潛在應用十分重視[17]，由于近年來煤炭儲量急劇下降，傳統(tǒng)開采很難進行，印度目前至少有3個煤炭地下氣化試點項目計劃進行。除上述國家外，巴西、泰國、保加利亞、新西蘭等國家也計劃進行煤炭地下氣化試驗或建設氣化站。

1.2 國內地下氣化歷史與現(xiàn)狀

我國煤炭地下氣化試驗始于20世紀50年代，在學習蘇聯(lián)煤炭地下氣化技術的基礎上，開始了國內煤炭地下氣化技術的研究[10-11]。1958—1962年先后在大同、新汶、皖南、鶴崗、棗莊、沈北等礦區(qū)進行自然條件下煤炭地下氣化試驗，并取得了一定的成就[18-19]。1987年，徐州馬礦在遺棄煤層中以空氣為氣化劑實施了鉆井式煤炭地下氣化，可以在3個月內持續(xù)、穩(wěn)定地生產煤氣。20世紀80年代，創(chuàng)立了“長通道，大斷面，兩階段”氣化工藝[20-21]，并在徐州新河二號井、唐山劉莊煤礦、孫村煤礦展開試驗，成功產氣并穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了煤炭地下氣化的從試驗到應用。

21世紀以來，全國多個省市也開展了多次煤炭地下氣化試驗[22-23]。2001年山東肥城曹莊完成煤礦復式爐地下氣化試驗，產出熱值在4.2～5.9 MJ/m3的煤氣。2004年山西昔陽完成無煙煤地下氣化試驗，煤層氣產量達12 m3/d，熱值在3.4～5.0 MJ/m3。2007年山東新汶鄂莊煤礦通過富氧、富氧-水蒸氣連續(xù)生產工藝，輔以變截面流道-羽狀煤層地下氣化爐、反向供風氣化等工藝穩(wěn)定產出熱值達到9.49 MJ/m3的富氧煤氣。2007—2015年，在烏蘭察布完成了單元面采爐、L型爐、V型爐等無井式氣化爐試驗，以及富氧氣化、富氧-二氧化碳氣化、空氣氣化工藝試驗，開發(fā)了移動單元后退氣化技術，獲得了相應的工藝參數(shù)，實現(xiàn)了日均12.4萬m3的富氧氣連續(xù)生產。2010年，甘肅華亭開展了注氣工藝工業(yè)性試驗，在提高資源回收率方面取得了顯著的成果。盡管受到多種因素的影響，上述試驗項目未能完成進一步的商業(yè)化，但我國進行的20余項地下氣化工程為煤炭地下氣化技術的發(fā)展做出了重要的貢獻。為實現(xiàn)煤炭資源的高效、清潔利用，緩解我國能源對外依存度日益增長的嚴峻考驗，近年來多個煤炭地下氣化項目立項或重啟。貴州山腳樹煤礦地下氣化項目自2018年9月開始運行，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行逾百天，總產氣量達到1 800萬m3[24]。準格爾旗唐家會礦區(qū)煤炭地下氣化項目2019年末點火后穩(wěn)定運行，各項指標達到設計要求，為后期大規(guī)模工業(yè)化項目投資建設提供了完備的技術參數(shù)和實踐經(jīng)驗[25]。此外，近年來中石油等公司也有意結合自身天然氣產業(yè)鏈開展地下氣化項目，以上嘗試對我國煤炭產業(yè)結構轉型、推動煤炭資源高質量綠色發(fā)展具有重要意義[26]。煤炭地下氣化產業(yè)最近一次進入上升周期是2005—2014年，為了應對的高油價和天然氣價格(2008年全球經(jīng)濟危機除外)，煤炭地下氣化逐漸重啟。然而，隨著能源價格快速下跌，現(xiàn)在全球范圍內罕有商業(yè)規(guī)模的煤炭地下氣化設施投入使用?？v觀煤炭地下氣化技術百余年的發(fā)展歷程，保障能源安全的需求和對于清潔能源的渴望是其發(fā)展的主要動力。當前，全球許多國家致力于相關研究，包括中國、印度、美國、加拿大、澳大利亞及英國等[17,27-29]。從開展煤炭地下氣化的國家來看，普遍具有2方面特點：①煤炭資源豐富，為解決開采困難以及直接開采帶來的環(huán)境問題，致力于煤炭資源的潔凈化利用。例如印度近年來對于煤炭地下氣化的潛在應用十分關注，煤炭作為印度主要的化石燃料，與原油和天然氣相比，儲量巨大。隨著持續(xù)的開采，大量煤炭資源難以通過傳統(tǒng)技術進行利用，因此，環(huán)保的優(yōu)勢成為推動煤炭地下氣化成為未來煤炭利用技術的主要動力[30]。而且，煤炭地下氣化不需要進行煤灰和煤渣處理，且具有低粉塵和噪音污染、低水耗的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)更大限度的煤炭資源開發(fā)和低溫室氣體排放[31-32]。②煤炭地下氣化試驗主要由煤礦主導或依托煤礦開展，煤層埋深較淺，尤其是在煤炭地下氣化試驗的早期階段，除少數(shù)國家煤層埋深較大外，其余項目均在淺層進行(表1)。

表1 典型煤炭地下氣化項目實施情況[5,33-34]

2 煤炭地下氣化面臨的挑戰(zhàn)

從國內外的發(fā)展歷程來看，雖然煤炭地下氣化開展了大量的工作，但仍然面臨著一系列的問題和挑戰(zhàn)。從國內外前期的工作來看，制約煤炭地下氣化大規(guī)模開展的核心問題是安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性[35]。

1)安全性。煤炭地下氣化過程中，在高溫高壓作用下，氣化爐內部和圍巖發(fā)生燃燒、膨脹、破裂，應力變形，從而導致氣化爐垮塌甚至地表塌陷。煤炭地下氣化過程中氣化工作面處于移動狀態(tài)，導致氣化爐的溫度場和壓力場處于動態(tài)變化狀態(tài)。在該過程中，氣化造成的沉降規(guī)模大小和形式取決多種因素，如煤層埋深、厚度和傾角，煤層頂?shù)装宓牧W性質、初始應力條件、原地裂隙分布以及水文地質條件等[36]。蘇聯(lián)在煤炭地下氣化試驗過程中積累的大量數(shù)據(jù)顯示，不同盆地由于煤層埋深、傾角不同、煤厚、煤層灰分、構造不同，UCG引起的地表沉降幅度分布在0.5～10 m[37-38]。

2)環(huán)保性。煤炭地下氣化過程中，容易發(fā)生地下水滲入或爐內物質與上覆下伏含水層之間的物質交換造成地下水污染，甚至氣化產物中的有害物質逸散到地表[39]。氣化過程中的氣體產物可能通過圍巖裂隙向外滲透，此外，隨著氣化的進行，氣化通道趨于變?yōu)橐装l(fā)生地下水涌入和頂板坍塌的錐形空腔。由于頂板穩(wěn)定性差可能導致地下水涌入氣化區(qū)，與殘留的煤焦、煤灰混合，從而導致地下水污染物濃度增加[40]。蘇聯(lián)在20世紀50年代末和60年代初進行的大型煤炭地下氣化項目的研究結果表明，由于氣化而產生的地下水污染物廣泛而持久，甚至在停止生產5年之后仍然存在[41]。美國Hanna和Hoe Creek地下氣化試驗首次對氣化前、氣化中和氣化后的地下水污染進行了監(jiān)測，結果表明，淺層地下氣化對相鄰地層的地下水造成了明顯的污染[42]。酚類化合物是地下水的主要有機污染物，其次是苯及其衍生物、多環(huán)芳烴、含氮雜環(huán)化合物，以及羧酸、醛類、酮類、胺類等微量污染物[43]。大量的離子無機物種也被鑒定與UCG過程有關，包括銨、硫酸鹽、氯化物和其他少量存在的物質(主要是硼、錳、鐵、鋅、鎘、鋁、鉻、鈷、鎳、銅、汞、鉛和鈹?shù)年栯x子)。

3)經(jīng)濟性。煤炭地下氣化相比常規(guī)油氣開發(fā)并無明顯成本優(yōu)勢，氣化產業(yè)百余年來波動上升的過程常不同程度地伴隨著能源價格的沖擊[44]。因此，如何控制氣化產物中經(jīng)濟性物質的比例是關鍵。煤炭地下氣化過程中，氣化產物主要為：甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等，其實質是煤中的固態(tài)碳與氣化劑及其產物之間的相互作用，影響過程產物的主要因素包括煤種、氣化介質類型、工藝條件、接觸方式、氣化溫度等[45]。其中，通過調整氣化工藝來控制氣化產物是國內外試驗過程中的主要做法，如何在復雜過程中產出最為經(jīng)濟的煤氣是始終貫穿煤炭氣化發(fā)展的核心問題。

3 煤炭地下氣化發(fā)展亟需的配套技術

綜合國內外煤炭地下氣化的發(fā)展歷程可以看出，一方面，雖然煤炭地下氣化開展的歷史悠久，實施試驗項目的國家較多，但大多未取得規(guī)模產業(yè)化發(fā)展，究其原因包括：①地表下陷和淺層水環(huán)境污染等環(huán)保因素導致項目停止；②氣化產氣質量差，經(jīng)濟效應不理想[46]。另一方面，相比淺層的試驗項目而言，埋深較大的煤層實施煤炭地下氣化具有多重優(yōu)勢。

因此，我國煤炭地下氣化的順利有效進行將面臨3個關鍵問題(圖1)：

圖1 煤炭地下氣化面臨問題與關鍵技術

①煤炭地下氣化選區(qū)評價體系尚未建立;②與地質條件相匹配的氣化爐建造技術研究開展較少；③不同類型煤炭資源氣化劑與氣化產物的關系研究尚不明確。

3.1 建立氣化地質選區(qū)評價技術

地質選區(qū)從根本上影響地下氣化的資源可行性、工程技術可行性、環(huán)境可行性[47]。國內外煤炭地下氣化試驗地質研究通常分別包含煤層條件(煤厚、煤階)；區(qū)域地質條件(沉積、構造、水文地質條件)和氣化腔穩(wěn)定性(煤層及圍巖力學性質)等幾個方面(表2)。

表2 各國煤炭地下氣化地質選區(qū)標準[48,50-53]

BIELOWICZ等[48]在對歐洲古近系和新近系含煤地層地質結構認識的基礎上，系統(tǒng)總結了波蘭褐煤地下氣化的可能性，提出了14項氣化地質選區(qū)參數(shù)。其中，認為地質選區(qū)最重要的條件包括煤炭資源量、煤層厚度、煤炭的物化參數(shù)、煤層埋深及傾角、頂?shù)装鍢嬙旒拔镄浴㈩A計地表沉降與水文條件等方面。其中，要求商業(yè)性生產項目的煤炭資源量至少3.5 Mt，煤層厚度2～4 m，煤層埋深大于150 m，上覆蓋層厚度為煤層厚度的12倍以上，頂板為低滲透性巖層且大于20 m，氣化范圍內無明顯的斷層存在，且與最近斷層距離大于50 m，含水層與煤層垂向距離大于40 m，且含水量低于2 m3/t。VYAS等[49]總結了美國、英國、印度等國家的氣化經(jīng)驗，認為選址時應考慮氣化區(qū)域的地貌特征、構造特征以及煤層和其圍巖的性質。在此基礎上，提出了煤炭地下氣化的地質評價標準。其中，煤炭資源量大于20 Mt，煤層厚度2～15 m，煤層埋深在92～460 m，頂板厚度大于15 m，含水層與煤層垂向距離大于31 m，同時指出，低階煤炭資源最適宜，無煙煤和多數(shù)煙煤不適宜進行氣化。YANG等[50]總結梳理各國典型試驗實例，提出了更高標準的氣化地質選址標準。例如，煤炭資源量大于3.5 Mt，煤層厚度5～10 m為宜；煤層埋深大于350 m且小于2 000 m，上覆蓋層厚度大于100 m，頂板厚度大于15 m，與最近斷層距離大于150 m；含水層與煤層垂向距離大于100 m；就煤階系列而言，低階煤炭資源最適宜進行氣化。

我國在煤炭地下氣化地質選址方面也進行了一些研究，但大多數(shù)工作并未系統(tǒng)地總結地質因素的影響[51-53]。劉淑琴等[51]從煤炭儲量及煤層條件、地層結構與構造、水文地質條件3個方面歸納了地質選址需要考慮到的因素。例如，煤炭儲量需滿足至少9 a的生產年限，煤層厚度褐煤需大于2 m，煙煤至少需大于0.8 m；頂板厚度應為煤層厚度的7～15倍；最佳水文地質條件為煤層與頂、底板含水層之間都有隔水層隔開。

值得注意的是，受限于資源條件、氣化爐建造技術、工業(yè)體系等因素，前期國內外研究試驗多為淺層項目。隨著環(huán)保要求的提高以及石油工業(yè)體系技術的進步，各國更加關注深層氣化試驗。我國深層煤炭資源豐富，資源條件優(yōu)越，地下氣化有利目標較多，鄂爾多斯UCG試驗項目證實了我國中深層煤炭地下氣化項目實施的可能。煤炭地下氣化過程中的地質評價工作是爐址布局、氣化生產以及燃后處理工作的基礎，只有進行扎實的地質選區(qū)工作才能保證煤炭地下氣化工程的環(huán)保性、經(jīng)濟性和高效性。因此，需要在國內外地下氣化試驗所得經(jīng)驗的基礎上，結合煤炭資源賦存地質條件，建立適用于我國的煤炭地下氣化選區(qū)評價技術。

3.2 開發(fā)適用性氣化爐建造技術

目前技術主要包括有井式、無井式和混合式[33]。其中，有井式和混合式主要應用于煤礦采煤區(qū)，利用井下巷道實施的煤炭地下氣化；無井式一般采用煤層氣開發(fā)鉆井技術。早期的氣化多采用有井式工藝，該工藝成本低、規(guī)模大，但仍需要大量的準備工作且產氣量小。無井式工藝的應用始于1935年，近50 a幾乎所有國外氣化試驗和研究都采用無井式工藝。自1932年蘇聯(lián)頓巴斯建立起第1座有井式氣化站以來，煤炭地下氣化技術從有井式發(fā)展到無井式及兩者共存的局面[54]。蘇聯(lián)煤炭地下氣化試驗主要在淺部進行，主要采用垂直鉆孔建設，鉆孔貫通主要采用空氣壓裂、火力貫通，并實踐了盲孔、V形、U形、棋盤式等爐型(圖2a、圖2b)，氣化規(guī)模大但存在鉆孔不穩(wěn)定、成本高等缺點。我國在早期實踐過程中開發(fā)了具有自主知識產權的“長通道，大斷面，兩階段”氣化工藝(圖2c)，適用于報廢礦井和遺棄煤炭資源回收，取得了良好的試驗效果[20-21]。隨著石油鉆井技術的發(fā)展，美國地下氣化開始采用定向鉆孔技術建設化爐，使得氣化工作面得以增長。在此基礎上，在后期的發(fā)展過程中持續(xù)改進工藝及技術，提出了CRIP等工藝，并持續(xù)向中深層推進[55](圖2d)。煤炭地下氣化工程的關鍵在于注入井和生產井之間建立通道的方法，即定向井貫通技術。有井式氣化通道在礦井煤田基礎上進行建設，利用現(xiàn)有巷道延伸，具有通道規(guī)模大、氣化成本低、可采殘留煤柱等優(yōu)勢。但由于基于現(xiàn)有煤田礦井建設，難以適應較大的地應力和較高的地溫，不宜用于深部的煤炭資源開發(fā)[57]。無井式地下通道以鉆孔為主，工藝成熟、建設期短，可用于水下及深部氣化，但氣化通道規(guī)模相對無井式小且成本較高[58]?？傮w看來隨著石油工程開發(fā)技術的提高以及環(huán)保要求的日益增長，各國更加關注深層地下氣化技術。但深層煤炭氣化施工難度較大，開展的中深煤層氣化試驗常因井下事故而終止。因此，氣化通道的選擇需綜合考慮地質條件、煤層賦存情況、煤層厚度及數(shù)量、煤巖煤質條件等因素綜合考慮。針對不同深度、不同條件的煤炭資源氣化爐建造技術可分類進行，并形成適用性技術，以實現(xiàn)煤炭地下氣化的高效經(jīng)濟開發(fā)。

圖2 典型氣化爐示意[6,21,24,56]

3.3 形成針對性的氣化產物控制技術

在實際的工程應用中，除了需嚴格地質選區(qū)，合理地選擇氣化爐建造技術外，通過合適的工藝生產經(jīng)濟的氣化產物同樣十分關鍵。氣化劑主要是氧氣和水蒸氣；氣化產物主要為：甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等，如何控制氣化產物中經(jīng)濟性物質比例，降低有害物質比例以及對有害物質進行監(jiān)測與處理，是核心問題。

地下氣化工藝主要有空氣氣化、富氧氣化、富氧二氧化碳氣化、富氧水蒸氣氣化和兩階段氣化等[59]?？諝鈿饣ㄟ^連續(xù)注入空氣生產空氣煤氣，空氣易獲取、成本相對較低，但相應通過該工藝生產的煤氣熱值也較低。富氧氣化是通過注入氧氣(或富氧空氣)來生產富氧煤氣的工藝，通過該工藝生產的煤氣有效組分(甲烷、氫氣、一氧化碳)和熱值隨氧氣濃度的增大而有所提高[60]。富氧水蒸氣氣化，是通過注入氧氣和水蒸氣來生產半水煤氣的氣化工藝。通過該工藝生產的煤氣中氫氣含量顯著提高，徐州新河富氧水蒸氣氣化工藝生產的煤氣中有效組分可達80%以上，是目前相對理想的氣化工藝[61-62]。其次，兩階段氣化工藝通過將由空氣、氮氣和氧氣組合而成的氣化劑和水蒸氣分階段交替注入氣化爐來生產煤氣，氣化產物也較為理想[21-22,34]。

在上述工藝的基礎上，為提高氣化率和氣化穩(wěn)定性，發(fā)展了逆向氣化工藝、反向氣化工藝、脈動注氣工藝和CRIP等地下氣化過程穩(wěn)定控制工藝[63]。試驗結果表明，CRIP氣化工藝控制效果較好，是潛在的煤炭地下氣化產業(yè)化發(fā)展的技術方向。

不同變質程度的煤氣化效果有所差異[64]。褐煤最適宜用于氣化，發(fā)育良好的孔隙結構利于高溫氣流的傳導，而且褐煤煤化作用程度低、氣化潛力高，水分含量較高，水在高溫下分解產生H2，提高煤氣熱值和反應活性[65]。褐煤采用富氧二氧化碳氣化工藝能抑制氣化過程中CO2的生成，增加有效組分含量，從而提高煤氣產量和熱值。而且，不同變質程度的煙煤需要采用有針對性的氣化劑[56,66-67]。例如，焦煤富氧水蒸氣氣化氧氣的最佳體積分數(shù)是60%，此時氣化效率可達80%左右，但是產生的膠質和煤灰容易阻礙氣化區(qū)域向垂直方向擴展。氣煤選用富氧水蒸氣氣化時，水蒸氣與氧氣之比為1.5～2.0時可以獲得良好的合成氨原料氣。瘦煤進行富氧地下氣化時，氧氣大于80%時，有效組分的體積分數(shù)可達65%。由此可見，不同類型煤的燃燒熱解過程及產物控制技術需要不斷進行針對性調整并優(yōu)化，從而提高煤炭地下氣化的經(jīng)濟性。

4 結 語

煤炭地下氣化是指通過一定的工藝技術，在原位條件下，對煤炭資源進行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學作用下產生可燃燒氣體(包括：CH4、H2等)的過程。從國內外的發(fā)展歷程來看，煤炭地下氣化是一項復雜的系統(tǒng)性工程，面臨著煤炭地下氣化選區(qū)評價體系尚未建立，與地質條件相匹配的氣化爐建造技術研究開展較少，不同類型煤炭資源氣化劑與氣化產物的關系研究尚不明確的問題。為順利推進先導性試驗和工業(yè)化試驗，在國內外地下氣化試驗所得經(jīng)驗的基礎上，結合煤炭資源賦存地質條件，建立適用于我國的煤炭地下氣化選區(qū)評價技術；系統(tǒng)開展不同類型煤炭資源的氣化技術適應性研究，針對不同深度、不同條件的煤炭資源，開發(fā)適用性的氣化爐建造技術，優(yōu)選合適的氣化工藝控制氣化產物中經(jīng)濟性物質的比例，降低有害物質比例以及對有害物質進行監(jiān)測與處理，不斷調整優(yōu)化，形成針對性的氣化產物控制技術。在實現(xiàn)煤炭資源安全、高效、清潔開發(fā)的同時，保障能源安全、改善能源結構、創(chuàng)造經(jīng)濟效益。