我国深部煤炭资源的清洁高效利用对 缓解能源短缺、促进绿色能源转型具有十分 重要的意义。据统计,我国陆上埋深 1000- 3000 米的煤炭资源量达 3.77 万亿吨。然而, 随着埋深的增加,传统矿井开采技术面临着 一系列技术、安全和经济效益问题。煤炭地 下气化技术对解决以上问题具有很好的适用 性,近年来得到越来越多的关注。本文将对 该技术进行简要介绍,分析深部煤炭资源清 洁高效利用的机遇与挑战。
(一)煤炭地下气化技术概要及优势
煤炭地下气化技术采用输入管线将气化 剂(氧气 / 空气 / 富氧空气与水 / 水蒸气) 注入地下原位煤层,通过调整注入速度、气 化剂配比以及气化腔温度和压力,实现有控 制的燃烧和气化, 将煤炭转化为可燃气体(一 氧化碳、氢气、甲烷等)。示意图见图 1。
图 1 煤炭地下气化示意图
该技术是一种化学采煤技术,减少了将 深部原煤开采到地面的工艺环节,不仅可以 节省大量开采成本,还规避了相应的安全风 险。此外,以一氧化碳、氢气、甲烷为主的 清洁能源有助于实现能源转型,灰渣遗留在 地下可达到环境保护的效果。
(二)煤炭地下气化过程的关键问题
煤炭地下气化的空间可以划分为气化 腔、顶板岩层、底板岩层、煤层原煤、注入 井筒和生产井筒等 6 个子空间(图 2) 。目 前来讲,气化腔和顶板岩层中的问题最为复 杂和重要。
图 2 煤炭地下气化的关键问题
(1)气化腔中的关键问题
气化腔中的首要问题是化学反应问题, 对理清粗煤气组成和产量变化规律至关重 要。如图 3 所示,气化腔边壁、空腔以及底 部堆积物中均存在复杂的化学反应:空腔内的化学反应主要是流体的均相反应,以氧化 反应为主;气化腔边壁处化学反应主要包括 煤的热解反应、热解气与空腔内流体的均相 反应、煤与空腔内流体的非均相反应;底部 堆积物中化学反应与气化腔边壁处类似。
图 3 煤炭地下气化过程中化学反应
气化腔中的第二大关键问题是煤炭脱 落,对气化腔的形状及扩展速度影响极大。 气化腔边壁处煤炭脱落的原因主要有两个: 气化腔边壁处的化学反应会改变材料性质, 造成边壁损伤;气化过程所释放的热会导致 边壁材料发生膨胀,进而改变局部应力场分 布,当温度超过一定阈值时甚至会改变材料 性质,造成边壁损伤。如图 4 所示,边壁完 整性破坏会引起裂缝发育,当裂缝完成沟通 后即发生煤炭脱落。
图 4 气化腔边壁损伤和脱落示意图
气化腔中的第三大关键问题是热力学问 题,对确定不同区域的化学反应类型极其重 要。在流体高速流动和气化腔高温(一般超 过 1000 K) 影响下, 气化腔中的热传递具有 多样性,包括传导、对流和辐射,使得温度 场分布规律趋于复杂。
气化腔中的第四大关键问题是流体动力 学问题,流体流动是煤炭地下气化发生的根 本驱动力。气化腔中的流体流动非常复杂: 空腔中为自由流;边壁孔隙度和渗透率具有 强非均质性,流体流动呈现出非均匀介质渗 流特点;堆积体的孔隙和裂缝发育,流体流 动同样呈现出非均匀介质渗流特点。
(2)顶板岩层中的关键问题
顶板岩层中的关键问题是顶板完整性。 与气化腔边壁损伤类似,气化过程所释放的 热同样会对顶板造成损伤。此外,气化腔会 极大改变工区应力场。在两种因素的共同作 用下,顶板完整性可能会遭到破坏,发育裂 缝并发生弯曲和沉降。值得一提的是,顶板 完整性破坏可能会导致上部水层的地层水侵 入气化腔,水量过大时造成水淹,终止气化 过程。
(三)煤炭地下气化的挑战
煤炭地下气化过程极其复杂,涉及化学 反应动力学、材料力学、热力学、流体动力学, 给理论研究和现场应用带来一系列挑战。
(1) 深部煤炭地下气化的反应机理及主要影响因素尚不明确,亟需通过室内实验和 现场试验进行研究。目前,课题组在中石油 集团公司科技重大专项2019E-25的支持下, 研制了煤炭地下气化实验设备(图 5) ,对此进行攻关。
图 5 煤炭地下气化室内实验模拟装置
(2) 气化腔的演化叠加规律尚不明确, 亟需通过物理模拟和数值模拟进行研究。物 理模拟方面,煤炭地下气化所需高温高压条 件, 给实验装置的设计和研发带来巨大挑战, 目前相关技术仍属空白。数值模拟方面,现 有软件的数学模型对问题进行了简化,存在 很大局限性。
(3) 缺少准确高效的数值模拟软件。经 典的煤炭地下气化数值模拟软件包括利弗莫 尔实验室研发的 CAVSIM 和 UCG-SIM3D 软 件 以 及 加 拿 大 Computer Modelling Group 研发的数值模拟软件。然而,由于气 化机理认识不清、强非线性多物理场模型数 值求解难度大,以上软件的数学模型均存在 很大局限性。为推动数值模拟技术的发展, 需要借助实验方法针对具体研究问题建立多 场耦合数学模型,研制准确、稳定、高效的数值计算方法。
(4) 缺少有效的过程监测方法。与地面 煤制气不同,煤炭地下气化的气化炉(即气 化腔)安置在地层深部,给过程监测带来挑 战。为及时了解地层深部的反应速率和反应 程度,以便及时调整工艺方案,亟需结合工 艺流程、气化机理、多物理场特征,形成一 套行之有效的过程监测方法。课题组正依托 中石油集团公司科技重大专项 2019E-25, 对此进行攻关。
(5) 缺少有效的运行控制技术。气化炉 安置在地层深部,给过程监测带来挑战的同 时,还增加了运行控制的难度。如何合理调 整工艺参数以提高粗煤气的产量和热值,是 煤炭地下气化技术实现大规模商业化的关键 挑战。
(四)煤炭地下气化的机遇
(1) 煤炭地下气化的大规模商业化有助 于缓解能源短缺、加快能源转型,近年来该 技术得到越来越多的关注,中石油集团公司 已设立科技重大专项 2019E-25,给关键技 术和理论的突破带来机遇。
(2) 煤炭地下气化是新的技术创新和技 术储备点,相关技术的突破不仅能够推动煤 炭地下气化的发展,对于其他地下能源的高 效开发和利用同样具有十分重要的意义。
(3) 煤炭地下气化过程非常复杂且涉及 多个物理场,可以凝练出一系列科学问题,对多学科交叉提出重大需求,相关问题的解 决有助于推进多学科融合、推动科学发展。
(4) 近年来, 随着煤炭地下气化的快速 发展,气化腔二氧化碳埋存逐渐成为埋存研 究的热点, 有望形成新的二氧化碳埋存技术, 推动“双碳”目标实现。
刘曰武,研究员,中 国科学院流固耦合系统力 学重点实验室,主要研究 方向:渗流力学、岩土工程、 非常规能源开发。
李龙龙,副研究员, 中国科学院流固耦合系统 力学重点实验室,主要研 究方向:多孔介质渗流理 论与数值模拟、煤炭地下 气化、二氧化碳埋存。
丁玖阁,助理工程师,中国科学院流固耦合系统力学重点实验室,主要研究方向:非常规能源开发、煤炭地下气化。