作者：刘振宇
作者单位：北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室
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。
煤地下气化历经国内外 100 余年发展，最大规模为单气化通道长 100~200 m，包括辅助通道的总长度加倍，通道当量直径约 0.7~2 m，最高有效气(除 CO2+N2 外)产量不超过 1700 m3 /h。目前各种煤地上气化技术的单炉日处理煤量达 2000 t/d，有效气产量约 180000 Nm3 /h，大致是煤地下气化单通道最大规模的100 多倍;最大气流床单炉日处理煤量达 4000 t/d 级，有效气产量更高。若通过煤地下气化实现类似的产气量，则需构建总长度超过 15 km 的地下通道，工程量巨大。
无论何种煤气化技术，其速率均受传质控制，动力学表达式均可用收缩(核)反应面模型表述，即气化速率取决于穿过煤外表面滞流层的气化剂通量或与其逆向传递的产物气通量。煤中有机质气化后残留的灰层增加了滞流层的厚度，加大了传质阻力。滞流层中气化剂与气化产物的逆向分子扩散导致有效产物气在滞流层中被氧化(烧蚀)。由于地下气化的通道直径大，O2 穿过通道的距离长，所以从滞流层扩散至通道中的有效气也会被 O2 氧化。因此煤地下气化产物的 CO2 含量必然较高，属于高 CO2 排放的煤气化技术。相比而言，气流床煤气化的 CO2 排放最少，源于固定比例的煤粉和 O2 同轴射流喷入，在小空间内形成高分散 O2 包煤粉或煤粉包 O2 的剧烈湍流区域，气膜(包括灰层)极薄，温度很高，O2 迅速反应殆尽。面对目前主流大型煤地上气化技术，煤地下气化的本征速率低、工程量巨大、有效气和热量损失大、原理上难以稳定性运行等问题削弱了其竞争力。
此文的基本思路是作者 2007-2015 年间在北京化工大学化学工程学院的研究生授课中形成的，曾以大作业的形式与研究生讨论，后来又与林曦博士进行了部分实验研究和理论分析。
引用格式：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/OL].化工学报:1-9[2022-07-29].
