許 浩，陳艷鵬，辛福東，東 振，尹振勇，陳姍姍，王 瓊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)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(shù)，在原位條件下，對煤炭資源進(jìn)行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學(xué)作用下產(chǎn)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(yīng)區(qū)和2種反應(yīng)類型。3個反應(yīng)區(qū)包括：燃燒區(qū)(反應(yīng)溫度800～1 200 ℃)、還原區(qū)(反應(yīng)溫度600～900 ℃)和干餾干燥區(qū)(反應(yīng)溫度200～600 ℃)，3個反應(yīng)區(qū)處于1個氣化反應(yīng)帶中，根據(jù)反應(yīng)溫度和發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不同進(jìn)行劃分，從化學(xué)反應(yīng)角度來看，3個反應(yīng)區(qū)沒有嚴(yán)格的界限，燃燒區(qū)、還原區(qū)也存在煤的熱解反應(yīng)，只是氣化通道中氧化、還原、熱解反應(yīng)的相對強(qiáng)弱程度不同[4]。2種反應(yīng)類型包括：氣化過程中氣化劑或氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物與固體煤或煤焦的非均相反應(yīng)和氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物之間的相互作用或與氣化劑的均相反應(yīng)。

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(jié)構(gòu)具有“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)，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(shè)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(shù)難度不斷增大，煤炭地下氣化技術(shù)作為通過原位轉(zhuǎn)化進(jìn)行煤炭資源利用的有效途徑，被譽(yù)為第二代采煤技術(shù)。因此，在經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域的重要研究方向之一。在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外煤炭地下氣化的發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，通過眾多實(shí)例的剖析，探討我國煤炭地下氣化順利有效進(jìn)行將面臨的關(guān)鍵問題及相關(guān)配套技術(shù)體系。

1 國內(nèi)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(jì)以來，煤炭地下氣化一直被認(rèn)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(xué)家WILLIAM Siemens在1868年向倫敦化學(xué)學(xué)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(jìn)行氣化的可能性[5]。1888年蘇聯(lián)科學(xué)家MENDELEEV設(shè)計了煤炭地下氣化的基本工藝[6]。煤炭地下氣化技術(shù)在早期得到了列寧的支持，認(rèn)為這種技術(shù)能夠消除礦工在地下礦井工作的風(fēng)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(yàn)區(qū)，并于1936年進(jìn)入工業(yè)性試驗(yàn)階段。1941年莫斯科近郊?xì)饣镜?次實(shí)現(xiàn)了無井式地下氣化，至1957年共生產(chǎn)熱值達(dá)3.347 kJ/m3的煤氣30億 m3。1957年后蘇聯(lián)單個氣化站年產(chǎn)氣量達(dá)15億 m3，南阿賓斯克氣化站至1991年累計產(chǎn)氣達(dá)90億 m3。

1906—1910年，美國化學(xué)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(shù)方案，建立了現(xiàn)代煤炭地下氣化技術(shù)的基本框架，這標(biāo)志著煤炭地下氣化技術(shù)逐漸走向成熟[7]。1912年，英國化學(xué)家WILLIAM Ramsay計劃在英國和美國進(jìn)行先導(dǎo)性試驗(yàn)，但項(xiàng)目因?yàn)槭澜绱髴?zhàn)而擱置。第二次世界大戰(zhàn)后，在蘇聯(lián)積累的經(jīng)驗(yàn)被用于美國和歐洲地下氣化煤的發(fā)展。20世紀(jì)能源危機(jī)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(xiàng)目和和試驗(yàn)項(xiàng)目，并進(jìn)行了超過30次的煤炭地下氣化試點(diǎn)試驗(yàn)，其中洛基山一號試驗(yàn)項(xiàng)目獲得了加大爐型、降低成本、提高生產(chǎn)能力和煤氣熱值等方面的成果，該項(xiàng)目具有約1萬t煤的氣化能力。

由歐洲組織進(jìn)行的第一次重大的UCG實(shí)地試驗(yàn)是1947年在摩洛哥由法國領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行的，隨后是1948—1950年在比利時的Bois-la-Dame進(jìn)行的試驗(yàn)，以及1949—1959年在英國的Newman Spinney和Bayton進(jìn)行的試驗(yàn)[8-9]。這些試驗(yàn)都是在以空氣為主要氧化劑的淺層薄煤層中進(jìn)行的，但由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)原因，多被放棄。20世紀(jì)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(biāo)放在難以開采的深部煤層[10]。1979年，德國與比利時進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)，試驗(yàn)深度達(dá)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(jìn)行了深部煤炭地下氣化的聯(lián)合試驗(yàn)[11]。該試驗(yàn)成功采用鉆孔后退式供風(fēng)方案，總氣化時間301 h，在解決技術(shù)問題的同時，證明了對于埋深較大的煤層實(shí)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(chǎn)量的擴(kuò)大以及新的天然氣田和凝析氣田的發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)沒有得到廣泛采用。直至20世紀(jì)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(shù)進(jìn)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(yùn)轉(zhuǎn)[12]。

21世紀(jì)，隨著對天然氣和化工產(chǎn)品需求的不斷增長，以及人們對采礦作業(yè)的擔(dān)憂日益加劇，全球?qū)γ禾康叵職饣呐d趣開始復(fù)蘇[13]。其中，煤炭地下氣化項(xiàng)目在澳大利亞得到了廣泛的發(fā)展。昆士蘭從1997—2003年運(yùn)營的Chinchilla項(xiàng)目是其中的大型示范項(xiàng)目，該項(xiàng)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(nèi)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(yàn)項(xiàng)目[16]，該項(xiàng)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(yán)重斷裂，使得采礦變得困難，試驗(yàn)點(diǎn)最終只產(chǎn)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(diǎn)(Control Reverse Injection Point，CRIP)工藝在阿爾伯塔開展了迄今為止目標(biāo)煤層最深(1 400 m)的工業(yè)化地下氣化現(xiàn)場試驗(yàn)[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(yīng)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(jìn)行，印度目前至少有3個煤炭地下氣化試點(diǎn)項(xiàng)目計劃進(jìn)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(jìn)行煤炭地下氣化試驗(yàn)或建設(shè)氣化站。

1.2 國內(nèi)地下氣化歷史與現(xiàn)狀

我國煤炭地下氣化試驗(yàn)始于20世紀(jì)50年代，在學(xué)習(xí)蘇聯(lián)煤炭地下氣化技術(shù)的基礎(chǔ)上，開始了國內(nèi)煤炭地下氣化技術(shù)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(jìn)行自然條件下煤炭地下氣化試驗(yàn)，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(shí)施了鉆井式煤炭地下氣化，可以在3個月內(nèi)持續(xù)、穩(wěn)定地生產(chǎn)煤氣。20世紀(jì)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(yàn)，成功產(chǎn)氣并穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了煤炭地下氣化的從試驗(yàn)到應(yīng)用。

21世紀(jì)以來，全國多個省市也開展了多次煤炭地下氣化試驗(yàn)[22-23]。2001年山東肥城曹莊完成煤礦復(fù)式爐地下氣化試驗(yàn)，產(chǎn)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(yàn)，煤層氣產(chǎn)量達(dá)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(chǎn)工藝，輔以變截面流道-羽狀煤層地下氣化爐、反向供風(fēng)氣化等工藝穩(wěn)定產(chǎn)出熱值達(dá)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(yàn)，以及富氧氣化、富氧-二氧化碳?xì)饣?、空氣氣化工藝試?yàn)，開發(fā)了移動單元后退氣化技術(shù)，獲得了相應(yīng)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了日均12.4萬m3的富氧氣連續(xù)生產(chǎn)。2010年，甘肅華亭開展了注氣工藝工業(yè)性試驗(yàn)，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(yàn)項(xiàng)目未能完成進(jìn)一步的商業(yè)化，但我國進(jìn)行的20余項(xiàng)地下氣化工程為煤炭地下氣化技術(shù)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。為實(shí)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(yán)峻考驗(yàn)，近年來多個煤炭地下氣化項(xiàng)目立項(xiàng)或重啟。貴州山腳樹煤礦地下氣化項(xiàng)目自2018年9月開始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行逾百天，總產(chǎn)氣量達(dá)到1 800萬m3[24]。準(zhǔn)格爾旗唐家會礦區(qū)煤炭地下氣化項(xiàng)目2019年末點(diǎn)火后穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，為后期大規(guī)模工業(yè)化項(xiàng)目投資建設(shè)提供了完備的技術(shù)參數(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[25]。此外，近年來中石油等公司也有意結(jié)合自身天然氣產(chǎn)業(yè)鏈開展地下氣化項(xiàng)目，以上嘗試對我國煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、推動煤炭資源高質(zhì)量綠色發(fā)展具有重要意義[26]。煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)最近一次進(jìn)入上升周期是2005—2014年，為了應(yīng)對的高油價和天然氣價格(2008年全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)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(nèi)罕有商業(yè)規(guī)模的煤炭地下氣化設(shè)施投入使用。縱觀煤炭地下氣化技術(shù)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(dāng)前，全球許多國家致力于相關(guān)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(diǎn)：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(yīng)用十分關(guān)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(shù)進(jìn)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(shù)的主要動力[30]。而且，煤炭地下氣化不需要進(jìn)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(shí)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(yàn)主要由煤礦主導(dǎo)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(yàn)的早期階段，除少數(shù)國家煤層埋深較大外，其余項(xiàng)目均在淺層進(jìn)行(表1)。

表1 典型煤炭地下氣化項(xiàng)目實(shí)施情況[5,33-34]

2 煤炭地下氣化面臨的挑戰(zhàn)

從國內(nèi)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(nèi)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(jì)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(nèi)部和圍巖發(fā)生燃燒、膨脹、破裂，應(yīng)力變形，從而導(dǎo)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(dǎo)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(xué)性質(zhì)、初始應(yīng)力條件、原地裂隙分布以及水文地質(zhì)條件等[36]。蘇聯(lián)在煤炭地下氣化試驗(yàn)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(gòu)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(nèi)物質(zhì)與上覆下伏含水層之間的物質(zhì)交換造成地下水污染，甚至氣化產(chǎn)物中的有害物質(zhì)逸散到地表[39]。氣化過程中的氣體產(chǎn)物可能通過圍巖裂隙向外滲透，此外，隨著氣化的進(jìn)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(dǎo)致地下水涌入氣化區(qū)，與殘留的煤焦、煤灰混合，從而導(dǎo)致地下水污染物濃度增加[40]。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代末和60年代初進(jìn)行的大型煤炭地下氣化項(xiàng)目的研究結(jié)果表明，由于氣化而產(chǎn)生的地下水污染物廣泛而持久，甚至在停止生產(chǎn)5年之后仍然存在[41]。美國Hanna和Hoe Creek地下氣化試驗(yàn)首次對氣化前、氣化中和氣化后的地下水污染進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)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(jī)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(jī)物種也被鑒定與UCG過程有關(guān)，包括銨、硫酸鹽、氯化物和其他少量存在的物質(zhì)(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(jì)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(chǎn)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(chǎn)物中經(jīng)濟(jì)性物質(zhì)的比例是關(guān)鍵。煤炭地下氣化過程中，氣化產(chǎn)物主要為：甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等，其實(shí)質(zhì)是煤中的固態(tài)碳與氣化劑及其產(chǎn)物之間的相互作用，影響過程產(chǎn)物的主要因素包括煤種、氣化介質(zhì)類型、工藝條件、接觸方式、氣化溫度等[45]。其中，通過調(diào)整氣化工藝來控制氣化產(chǎn)物是國內(nèi)外試驗(yàn)過程中的主要做法，如何在復(fù)雜過程中產(chǎn)出最為經(jīng)濟(jì)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(shù)

綜合國內(nèi)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(shí)施試驗(yàn)項(xiàng)目的國家較多，但大多未取得規(guī)模產(chǎn)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(dǎo)致項(xiàng)目停止；②氣化產(chǎn)氣質(zhì)量差，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)不理想[46]。另一方面，相比淺層的試驗(yàn)項(xiàng)目而言，埋深較大的煤層實(shí)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(jìn)行將面臨3個關(guān)鍵問題(圖1)：

圖1 煤炭地下氣化面臨問題與關(guān)鍵技術(shù)

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

3.1 建立氣化地質(zhì)選區(qū)評價技術(shù)

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

表2 各國煤炭地下氣化地質(zhì)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[48,50-53]

BIELOWICZ等[48]在對歐洲古近系和新近系含煤地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)了波蘭褐煤地下氣化的可能性，提出了14項(xiàng)氣化地質(zhì)選區(qū)參數(shù)。其中，認(rèn)為地質(zhì)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?gòu)造及物性、預(yù)計地表沉降與水文條件等方面。其中，要求商業(yè)性生產(chǎn)項(xiàng)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(nèi)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(jié)了美國、英國、印度等國家的氣化經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為選址時應(yīng)考慮氣化區(qū)域的地貌特征、構(gòu)造特征以及煤層和其圍巖的性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，提出了煤炭地下氣化的地質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行氣化。YANG等[50]總結(jié)梳理各國典型試驗(yàn)實(shí)例，提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的氣化地質(zhì)選址標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行氣化。

我國在煤炭地下氣化地質(zhì)選址方面也進(jìn)行了一些研究，但大多數(shù)工作并未系統(tǒng)地總結(jié)地質(zhì)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(jié)構(gòu)與構(gòu)造、水文地質(zhì)條件3個方面歸納了地質(zhì)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(chǎn)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(yīng)為煤層厚度的7～15倍；最佳水文地質(zhì)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(shù)、工業(yè)體系等因素，前期國內(nèi)外研究試驗(yàn)多為淺層項(xiàng)目。隨著環(huán)保要求的提高以及石油工業(yè)體系技術(shù)的進(jìn)步，各國更加關(guān)注深層氣化試驗(yàn)。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(biāo)較多，鄂爾多斯UCG試驗(yàn)項(xiàng)目證實(shí)了我國中深層煤炭地下氣化項(xiàng)目實(shí)施的可能。煤炭地下氣化過程中的地質(zhì)評價工作是爐址布局、氣化生產(chǎn)以及燃后處理工作的基礎(chǔ)，只有進(jìn)行扎實(shí)的地質(zhì)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(jì)性和高效性。因此，需要在國內(nèi)外地下氣化試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤炭資源賦存地質(zhì)條件，建立適用于我國的煤炭地下氣化選區(qū)評價技術(shù)。

3.2 開發(fā)適用性氣化爐建造技術(shù)

目前技術(shù)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(yīng)用于煤礦采煤區(qū)，利用井下巷道實(shí)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(shù)。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(zhǔn)備工作且產(chǎn)氣量小。無井式工藝的應(yīng)用始于1935年，近50 a幾乎所有國外氣化試驗(yàn)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(shù)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(yàn)主要在淺部進(jìn)行，主要采用垂直鉆孔建設(shè)，鉆孔貫通主要采用空氣壓裂、火力貫通，并實(shí)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(diǎn)。我國在早期實(shí)踐過程中開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(yàn)效果[20-21]。隨著石油鉆井技術(shù)的發(fā)展，美國地下氣化開始采用定向鉆孔技術(shù)建設(shè)化爐，使得氣化工作面得以增長。在此基礎(chǔ)上，在后期的發(fā)展過程中持續(xù)改進(jìn)工藝及技術(shù)，提出了CRIP等工藝，并持續(xù)向中深層推進(jìn)[55](圖2d)。煤炭地下氣化工程的關(guān)鍵在于注入井和生產(chǎn)井之間建立通道的方法，即定向井貫通技術(shù)。有井式氣化通道在礦井煤田基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)，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(shè)，難以適應(yīng)較大的地應(yīng)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(shè)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]。總體看來隨著石油工程開發(fā)技術(shù)的提高以及環(huán)保要求的日益增長，各國更加關(guān)注深層地下氣化技術(shù)。但深層煤炭氣化施工難度較大，開展的中深煤層氣化試驗(yàn)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(zhì)條件、煤層賦存情況、煤層厚度及數(shù)量、煤巖煤質(zhì)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(shù)可分類進(jìn)行，并形成適用性技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化的高效經(jīng)濟(jì)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(chǎn)物控制技術(shù)

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，除了需嚴(yán)格地質(zhì)選區(qū)，合理地選擇氣化爐建造技術(shù)外，通過合適的工藝生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的氣化產(chǎn)物同樣十分關(guān)鍵。氣化劑主要是氧氣和水蒸氣；氣化產(chǎn)物主要為：甲烷、氫氣、二氧化碳、一氧化碳等，如何控制氣化產(chǎn)物中經(jīng)濟(jì)性物質(zhì)比例，降低有害物質(zhì)比例以及對有害物質(zhì)進(jìn)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?xì)饣?、富氧水蒸氣氣化和兩階段氣化等[59]。空氣氣化通過連續(xù)注入空氣生產(chǎn)空氣煤氣，空氣易獲取、成本相對較低，但相應(yīng)通過該工藝生產(chǎn)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(chǎn)富氧煤氣的工藝，通過該工藝生產(chǎn)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(chǎn)半水煤氣的氣化工藝。通過該工藝生產(chǎn)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(chǎn)的煤氣中有效組分可達(dá)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?dú)夂脱鯕饨M合而成的氣化劑和水蒸氣分階段交替注入氣化爐來生產(chǎn)煤氣，氣化產(chǎn)物也較為理想[21-22,34]。

在上述工藝的基礎(chǔ)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(yàn)結(jié)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(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)方向。

不同變質(zhì)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(jié)構(gòu)利于高溫氣流的傳導(dǎo)，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(chǎn)生H2，提高煤氣熱值和反應(yīng)活性[65]。褐煤采用富氧二氧化碳?xì)饣に嚹芤种茪饣^程中CO2的生成，增加有效組分含量，從而提高煤氣產(chǎn)量和熱值。而且，不同變質(zhì)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?jǐn)?shù)是60%，此時氣化效率可達(dá)80%左右，但是產(chǎn)生的膠質(zhì)和煤灰容易阻礙氣化區(qū)域向垂直方向擴(kuò)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(jìn)行富氧地下氣化時，氧氣大于80%時，有效組分的體積分?jǐn)?shù)可達(dá)65%。由此可見，不同類型煤的燃燒熱解過程及產(chǎn)物控制技術(shù)需要不斷進(jìn)行針對性調(diào)整并優(yōu)化，從而提高煤炭地下氣化的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

煤炭地下氣化是指通過一定的工藝技術(shù)，在原位條件下，對煤炭資源進(jìn)行有控制的燃燒，使其在熱作用及化學(xué)作用下產(chǎn)生可燃燒氣體(包括：CH4、H2等)的過程。從國內(nèi)外的發(fā)展歷程來看，煤炭地下氣化是一項(xiàng)復(fù)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(zhì)條件相匹配的氣化爐建造技術(shù)研究開展較少，不同類型煤炭資源氣化劑與氣化產(chǎn)物的關(guān)系研究尚不明確的問題。為順利推進(jìn)先導(dǎo)性試驗(yàn)和工業(yè)化試驗(yàn)，在國內(nèi)外地下氣化試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤炭資源賦存地質(zhì)條件，建立適用于我國的煤炭地下氣化選區(qū)評價技術(shù)；系統(tǒng)開展不同類型煤炭資源的氣化技術(shù)適應(yīng)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(shù)，優(yōu)選合適的氣化工藝控制氣化產(chǎn)物中經(jīng)濟(jì)性物質(zhì)的比例，降低有害物質(zhì)比例以及對有害物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與處理，不斷調(diào)整優(yōu)化，形成針對性的氣化產(chǎn)物控制技術(shù)。在實(shí)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(jié)構(gòu)、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。