创新点
（1）通过对比不同设计参数下的煤炭地下气化模拟实验结果，分析了不同气化通道类型及气化剂参数对气化过程的影响。
（2）采用分层位温度监测法，绘制温度云图并计算气化腔发育速率，对气化区域进行更加直观的描述。
（3）初步提出了一种基于化学计量理论的煤炭地下气化过程能量回收评价方法并验证了其有效性。
煤炭地下气化燃空区发育及能量回收评价
单位：1. 河南理工大学 能源科学与工程学院；2.西安科技大学 西部煤炭绿色开发国家重点实验室；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
背 景
煤炭地下气化是一种新型、绿色、低碳、环保的开采方式，其工艺流程是从地面向煤层钻井，在煤层中构建气化通道，通过注气井向煤层注入气化剂（空气、氧气、水蒸气等）使煤层进行有控制的燃烧，经历煤的氧化、还原等一系列气化反应过程生成气化煤气通过生产井排出地表。煤炭地下气化过程中燃空区的形成及衍化是一个动态过程，是气化通道随着燃烧以及氧化不断膨胀，并伴随大量裂隙的产生及不断扩展垮落的结果。若冒落空间过大，可能引起气化区域上方岩层过度破坏（过量移动、开裂甚至地表沉陷），气化区周边的裂隙也有可能贯通地表或地下水源，从而导致气体泄漏、污染环境等危害并影响地下气化的正常进行。并且，在研究中由于地下气化系统以及实验方式的差异也会导致不同的气化结果，对差异化规律的研究也是研究气化过程中十分重要的课题。同时对气化燃空区的拓展衍化和整个气化过程的能量回收评估，对于实现高效的煤炭地下气化具有十分重要的意义。
摘 要
气化燃空区的发育状况监测以及能量回收的评价对于实现高效的煤炭地下气化（UCG）以及气化过程的精确监测与控制十分重要。在人工煤层构建2种不同类型的气化通道模型（链接孔模型/同轴孔模型），依次进行3次大型UCG模拟实验，通过分层位温度监测法观察气化过程中燃烧带和燃空区的发育衍化，研究了不同的气化剂组成（O2，CO2，H2O等）、配比、流速等实验操作参数作用下对生成气化产物中煤气成分及热值的影响，同时建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法，并评估整个地下气化过程的气化效率、煤炭消耗量与煤产气量等。
研究结果表明：分层位温度监测能反映气化过程中燃烧带以及燃空区的发育情况；气化区域的衍化范围以及衍化速率与气化通道的类型密切相关，2次链接孔模型实验所得的衍化范围与速率的结果均为同轴孔模型实验的2倍以上。
地下气化过程中的高温环境更有利于气化过程的持续进行，在高温条件下生成煤气中可燃气体的组分比例增高；煤炭的消耗量以及能量回收率与采用的气化通道类型也密切相关，链接孔模型实验生成的气化燃气相对同轴孔模型热值较高，并且链接孔模型实验的能量回收率也高于同轴孔模型实验。
图 片
生产孔结构示意
地下气化实验系统示意
气化炉垂直剖面
3次实验中氧气体积分数与气体流速
热电偶部署方式
3次实验气化过程中的温度曲线
3次实验气化过程中的高温区域衍化
3次实验中气化区域衍化范围与速率
3次实验中气体成分曲线
研究方向
煤炭地下气化、矿山压力及岩层控制、矿山动力灾害
主要成果
主要从事与煤炭地下气化、高精度微震监测、矿山压力与岩层控制等相关的研究工作，取得多项创新性成果。双碳目标下我国天然气近中期消费将持续增长，中深层煤炭地下气化有望成为国内天然气供给的重要接替领域之一，目前正与中石化、中石油等大型石油天然气企业合作进行和深部煤层地下气化相关的技术开发工作。设计研发了“同轴型煤炭地下气化试验模拟装置”、“气化区点热源激光点火系统”和“基于法相加载的深部煤炭地下气化大型三维模拟试验系统”等；创立了“煤炭地下气化的化学计量回收评价理论”，使用化学计量法和基于过氧平衡原则评估整个气化过程的能量回收，包括气化煤气速率、气体量、发热量、气化煤量和气化空间体积等；基于MS/AE实时监测数据，结合矩张量分析、狄罗妮三角剖分及体素分析等评价煤炭地下气化区煤岩体的破坏活动，并对气化区破坏发育及时空演化的整个过程可视化。本研究对于实现深部煤炭资源绿色开采和地下气化技术的安全应用具有一定学术意义和实用价值。
苏发强，荆士杰，高喜才，等. 煤炭地下气化燃空区发育及能量回收评价[J]． 煤炭学 ，2021，46（11）：3682-3691．
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