苏发强副教授：煤炭地下气化燃空区发育及能量-石油天然气学报

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苏发强副教授：煤炭地下气化燃空区发育及能量

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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

作者：苏发强^1,2,3，荆士杰¹，高喜才²，浦海³，范伟涛¹，于光磊¹，武俊博¹，邓启超¹，张涛¹

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。

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