《煤炭科学技术》“煤炭地下气化”研究领域 | 热文精选

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《煤炭科学技术》“煤炭地下气化”研究领域 | 热文精选

来源：煤炭科学技术

为协助读者了解煤炭地下气化研究领域内的研究热点和前沿问题，促进学术交流与合作，编辑部整理了7篇《煤炭科学技术》2022年至今刊出的“煤炭地下气化”研究领域最受关注论文，以飨读者。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 27个
关键词; 40位
专家; 7篇
论文; 1361IP
点击量; 3054次
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耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺研究

作者(Author)：葛腾泽, 王创业, 刘猛, 刘丹璐, 高尔斯, 吴松, 袁淑霞, 樊玉光

摘要：煤炭地下气化注入点可控后退（Controlled Retraction Injection Point，CRIP）工艺能够实现中深层煤炭资源的清洁高效原位开采，将我国富裕的煤炭资源转化为战略或缺的燃气资源。为取代CRIP工艺中氧气和点火液的注入、提高煤层气化反应活性，基于煤炭地下气化生产工艺和微波加热技术特点，创新提出了耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺设计，将气化剂和微波发生器产生的微波经由连续油管注入到地下煤层并在目标气化区释放。通过理论分析和实验研究，从微波的产生、传输、释放、与煤层作用、以及产业发展模式等方面分析了该工艺设计在工程实践中面临的难题和解决方案。研究结果表明，耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺在技术上是可行的；在煤炭地下气化过程中加热煤层所需的热量较大，大功率磁控管可以满足工业生产规模需求；微波能够通过双层连续油管镀铜的内管外壁和外管内壁间的环形空间远距离传输到地下煤层；微波频率越高，微波功率衰减越快，2 450 MHz和915 MHz频率微波在双层连续油管中传输500 m时，其功率分别衰减至15.6%和32.1%，中深层煤炭地下气化应选用较低频率来远距离、低损耗输送微波；在双层连续油管前端的外管壁面上按一定规则割开缝隙，形成微波释能器，将微波从管线中泄漏出来辐射煤层；原煤在干燥、热解和燃烧阶段都能够较好地吸收微波能而被加热，在有氧条件下煤样温度升高到587 ℃时焦炭被点燃，最高温度可达1 080 ℃；风光电−储能−煤炭地下微波气化融合产业模式能够充分利用绿色能源，实现中深层煤炭清洁高效原位开采。研究能够为微波辅助煤炭地下气化提供理论基础和技术支持。

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煤炭科学技术

2024年第05期

87

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深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析

作者(Author)：刘淑琴, 刘欢, 纪雨彤, 郭巍

摘要：创新煤炭开发利用技术以降低煤炭从生产到利用全生命周期内的碳排放，是符合我国能源禀赋特点的煤基清洁能源路线。地下气化是深部煤炭原位开采的潜力方式之一，耦合CCS/CCUS(碳捕集与封存/碳捕集、利用及封存)的深部煤炭地下气化制氢技术路线不仅可以利用丰富的深部煤炭资源，而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于世界上唯一的千米级深部煤炭地下气化试验数据，结合Aspen Plus过程模拟，开展了深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析。与商业化的Lurgi煤炭地面气化制氢路线作对比，利用生命周期评价方法建立了2种工艺的全生命周期碳排放计算模型，比较了2种制氢路线的生命周期碳排放。评估了深部煤炭地下气化制氢的CCS/CCUS路径及碳减排潜力。研究结果表明，在氢气生产能力为12亿Nm3/a情形下，深部煤炭地下气化制氢和Lurgi煤炭地面气化制氢生命周期内的碳排放分别为3.29×106 t CO2-eq (当量二氧化碳)和3.93×106 t CO2-eq，其中以废气形式直接排放进入大气的二氧化碳量分别为2.09×106 t和2.24×106 t。在氢气生产阶段的主要碳排放源为废气，包括酸性气体脱除单元排出的废气和甲烷重整单元排出的烟气。深部煤炭地下气化制氢工艺所带来的高甲烷含量特征导致生产1 kg氢气时，甲烷重整单元烟气贡献的CO2排放量达到8.84 kg。间接排放方面，由于深部煤炭地下气化直接采用液态水作为气化剂而不需要消耗外界蒸汽，因此蒸汽消耗带来的碳排放低于地面气化。Lurgi煤炭地面气化上游包含煤炭采选及煤炭运输阶段，尽管这两阶段的碳排放占比只有6.7%，但仍然会带来2.63×105 t CO2-eq的碳排放。若深部煤炭地下气化空腔在地质安全风险评估的前提下用于CO2地质储存，储存量可以达到CO2排放总量的61.8%，若再配套47万t/a的尿素装置，即可有效利用其余的CO2，形成近零排放的深部煤炭地下气化制氢及尿素联产技术路线。研究结果为深部煤炭地下气化制氢提供了碳排放定量评价的科学依据。

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煤炭科学技术

2023年第01期

302

330
煤炭地下气化面临的挑战与技术对策

作者(Author)：许浩, 陈艳鹏, 辛福东, 东振, 尹振勇, 陈姗姗, 王琼

摘要：我国能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点。煤炭地下气化是在原位条件下，通过对煤炭资源进行有控制的燃烧获得气体资源，具有煤炭洁净化利用和低碳能源资源保障两大优势，将成为我国清洁高效现代能源体系发展的重要领域。本文系统总结了国内外煤炭地下气化的发展历程。基于众多实例的剖析，指出全球已开展的煤炭地下气化试验绝大多数都是在浅煤层进行的，安全性、环保性和经济性是煤炭地下气化规模化开展面临的挑战，相比于浅部煤炭资源，深部煤炭地下气化具有更多优势。分析认为我国煤炭地下气化的有效进行将面临3个关键问题：煤炭地下气化选区评价体系尚未建立，与地质条件相匹配的气化炉建造技术研究开展较少，不同类型煤炭资源气化剂与气化产物的关系研究尚不明确。为顺利推进先导性试验和工业化试验，亟需结合煤炭资源赋存地质条件，建立适用于我国的煤炭地下气化选区评价技术；系统开展不同类型煤炭资源的气化技术适应性研究，开发适用性的气化炉建造技术，优选合适的气化工艺控制气化产物中经济性物质的比例，不断调整优化，形成针对性的气化产物控制技术。在实现煤炭资源的安全、高效、清洁开发的同时，保障能源安全、改善能源结构、创造经济效益。

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煤炭科学技术

2022年第01期

394

741
煤炭地下气化过程中温度场及其传热特征研究进展

作者(Author)：吴财芳, 蒋秀明

摘要：煤炭地下气化（UCG）技术作为一种环境友好的采煤方法，可被用来开发深部煤层与矿井遗留的煤炭资源。当地下气化时，随着气化时间的推移，煤炭在煤层内部“燃烧”逐渐形成气化炉，炉内温度最高可达1 200 ℃。从UCG过程中的放热反应出发，综述了热量来源、温度场的变化及其传热特征等，总结了研究温度场的重要手段。分析认为，UCG是一个复杂的温热动态变化过程，在此过程中氧化还原反应、吸热和放热的可逆反应同时进行，导致了气化炉的温度场及其传热机制的复杂性。研究气化过程传热机制的方法主要有物理模拟、试验监测、理论计算和数值模拟4种，各自具有不同的适应性。其中，物理模拟的可操控性强，但是难以解决地层接触关系导致的接触热阻误差；试验监测能真实反映温度场等的变化情况，但是实际操作的经济性差；理论计算通过对气化过程的拆分，从理论角度定性定量了UCG的温度场特征，但理论计算难以考虑到温度渗流等对温度的影响；数值模拟借助计算机进行温度场的多场耦合，综合考虑了渗流、变形、温度等对传热的影响，但多场的物理耦合计算难度较大，且煤层及岩石的热物理性质随温度变化会产生较大的差异，导致数值建模的计算难度增加，制约了数值模拟方法的应用。综上所述，现有的UCG温度场的研究手段难以真实反映出气化炉的传热特征，各种研究方法只能研究特定情况下的温度变化，难以与实际情况结合。因此，基于现场试验数据，结合大型物理模拟试验与数值模拟手段，开展多物理场之间的耦合机理研究是后续煤炭地下气化的主要研究方向。另外，岩石热物理性质在高温下的变化规律及其对温度场的影响作用，也将是值得重视的研究方向之一。

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煤炭科学技术

2022年第01期

276

585
高温-热学参数耦合效应下地下气化围岩温度场扩展模拟研究

作者(Author)：刘潇鹏, 郭广礼, 董志勇, 郭超, 周峻, 李怀展

摘要：煤炭地下气化过程中产生的高温改变了燃空区围岩的热学参数，从而影响燃空区围岩温度场的传播。目前缺乏针对高温-热学参数耦合效应下的煤炭地下气化围岩温度场扩展规律的研究，造成气化过程中温度场扩展的反演计算相对失真，限制了多场耦合条件下地下气化采场围岩控制技术的发展，亟待开展相关研究。利用Fish语言对FLAC3D自带的热传导模型进行改进，建立了高温-热学参数耦合效应下温度场研究的数值模拟方法，并将其应用于煤炭地下气化围岩温度场扩展的研究中，取得以下成果:高温极大改变了煤炭热学参数的分布，同时热学参数的分布的变化也改变了温度场的扩展规律，高温与热学参数具有双向耦合特征；煤炭地下气化围岩温度场扩展经历了3个阶段，煤层燃烧过程中的高温扩展阶段，对流散热过程中的冷却扩展阶段，气化完成后不与外界产生热交换的稳定扩展阶段，热学参数的耦合作用改变了煤炭地下围岩温度场的分布，高温扩展阶段结束后温度场在顶板传播范围为3.2 m，两侧煤壁6.5 m，底板1.3 m。冷却扩展阶段温度场在顶板传播范围为12.2 m，两侧煤壁7 m，底板5.5 m；气化完成后温度场在燃空区围岩内部持续传播，继续影响燃空区围岩的长期稳定性。

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煤炭科学技术

2022年第03期

79

813
煤炭地下气化影响因素及评价方法研究进展

作者(Author)：吴蒙, 秦云虎, 李国璋, 申建, 宋雪娟, 朱士飞, 韩磊

摘要：煤炭地下气化是保障我国能源安全和煤炭清洁利用的重要潜在方向之一。分析国内外相关成果，对煤炭地下气化原理、影响因素及评价方法进行述评。适宜于地下气化的煤层需要满足的地质条件：厚度大于2 m，倾角小于70°，阻水隔热的顶底板；避开地质构造和水文地质条件复杂的区域。地下气化煤气组分受煤阶、煤质和煤层含水性等地质因素以及气化压力、温度和气化剂类型等工艺因素共同影响。空气气化条件下，随着煤化程度增强，煤气组分中CO含量升高，H2含量降低，CH4含量先升高后降低。煤气热值及煤气中CH4含量随着固定碳含量增加呈现先降低后升高的趋势，随着灰分产率增加呈现先升高后降低的趋势。煤气中CO2含量与固定碳含量、灰分产率均表现出负相关关系。气化温度和气化剂类型既影响着产气效率、煤气质量及污染物种类与含量，又可使围岩破裂、污染地下水，乃至破坏生物圈、大气圈、水圈和岩石圈生态系统的稳定。

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煤炭科学技术

2022年第08期

77

339
煤炭地下气化污染物富集和迁移规律——以王村矿煤矿为例

作者(Author)：王皓正, 梁杰, 臧志飞, 陈世琳, 赵泽, 赵歌

摘要：为了解煤炭地下气过程中污染物的富集和迁移规律，作为评估地下气化方法对生态环境造成影响的依据之一，对王村煤矿贫瘦煤地下气化进行了模型试验，搭建了气化模型试验台，模拟实际地下气化过程。对于污染物析出规律的研究，利用重铬酸盐法、纳氏试剂分光光度法、直接分光光度法测定了不同氧气浓度下COD、氨氮、挥发酚的浓度，结果表明，当氧气体积分数大于60%时，污染物析出随着氧气体积分数的增加而明显降低，在80%富氧浓度时，气化区特征污染物挥发酚质量浓度为105 mg/L、氨氮质量浓度为2.09×103 mg/L、COD质量浓度为1.11×104 mg/L；对于污染物迁移规律的研究，首先利用RTR-1000高温高压综合岩石测试系统测定了不同温度下水在底板岩层的渗透系数，结果表明,常温状态下水在底板岩层渗透系数为4.416 9×10-8 cm/s，100 ℃条件下渗透系数为5.023 8×10-7 cm/s；常温至500 ℃条件下气体在底板岩层渗透系数在1.373×10-9～1.059×10-8 cm/s。之后将之前得到的实验数据及地质、煤质参数作为边界条件和参数，利用Visual Modflow 4.1对污染物迁移进行了模拟，模拟计算年限为50 a，结果表明污染物迁移主要发生在气化结束10 a内，污染物迁移最大面积为3 515.73 m2，水平面横向最大迁移距离为10.3 m，纵向扩散距离为5.4 m，垂直方向上污染物向底板的最大渗透深度为1.37 m。

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煤炭科学技术

2022年第09期

146

235