煤炭地下气化：新一代深部资源绿色高效开发技术

煤炭地下气化（UCG）是深部煤炭资源开发的有效手段，属于清洁高效开发和利用的技术范畴，与传统的采煤-地面气化相比在经济性、安全性、清洁性等方面具有明显的优势。

杨甫等分析了该技术的最新进展及发展趋势，经过发展后UCG将会真正成为新一代的深部资源绿色高效开发技术。

由于中国能源结构的不均一性、煤炭资源获取的可靠性以及随着技术发展煤炭资源综合利用的清洁性，煤炭作为基础能源的地位在相当长的时期内不会发生变化。

受开采技术制约，全国煤炭资源浪费严重，500 m以浅的煤炭资源逐步趋于枯竭，而70%的煤炭资源分布在2000 m以下深度，所以有效回收废弃资源、向深部进军开采煤炭资源是今后发展的必然趋势。

谢和平院士提出的“煤不出地面，井下无人、井下选矿、燃烧发电与地下气化一体化”生态矿山开采技术构想以及深部煤炭资源流态化开采的学术构想，初步形成了煤炭深部原位流态化开采的技术框架。

煤炭地下气化项目的安全、高效运行涉及到较多因素相互关联，是决定煤炭地下气化项目成功的关键。

气化原理及工艺

气化原理

煤炭地下气化（underground coal gasification，UCG）也被称为原位煤炭气化，是在原地条件下有控制地燃烧煤炭，产生混合气体，经地面分级后转化为各种燃料或原料。

该技术煤炭回采率高，相对于地面气化经济成本更低，环境影响小，安全性能更高，但受煤质、水文地质等条件的制约。

煤炭地下气化原理

气化工艺

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矿井式气化

矿井式气化又称有井式气化，利用井下巷道施工气化通道和气流通道，布置操作与控制设备。

施工过程中需要施工密闭墙和预留隔离煤柱，建炉过程需人工井下作业，一般适用于遗弃矿井煤资源的二次回收和煤层埋深较浅的煤层气化。

苏联爆破松动煤炭地下气化工艺示意

矿井式气化工艺主要有爆破松动煤层气化工艺、长通道-大断面-两阶段地下气化工艺和换管注气点后退式气化工艺。

矿井式煤炭地下气化示意

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钻井式气化

钻井式气化又称无井式气化，利用定向井或火力贯通、水力压裂贯通、电力贯通等特殊技术施工气化通道、气流通道，在地面布置操作、控制设备。

安格林煤炭地下气化技术方案设计示意

建炉过程无需人工井下作业，一般适用于开采低品位、地质构造相对复杂及深部煤炭资源，也可用于回收老矿井遗弃煤炭资源。

美国CRIP气化工艺过程示意

钻井式气化工艺主要有：长臂气化工艺、控制注气点后退式气化工艺、εUCGTM气化工艺、以及分离控制注气点后退-水雾式气化工艺。

DCRA气化工艺示意

气化技术进展

在实践中，综合考虑气化效率、经济性和环境因素等来评价性能的同时，不可忽视煤层地质条件、燃空区的监测和污染物的监测防治技术等对煤炭地下气化项目高效安全运行的影响。

选址评价

不同地区煤田地质构造、煤质条件、煤层赋存条件、煤层围岩性质及水文地质条件等存在差异，直接影响气化区的合理选址和气化炉的建立。

前期的一些现场试验也会导致地表沉降和地下水污染等环境问题，更加要求科学地选择地质、煤质等适宜区域。

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煤阶

煤是一种结构非常复杂、含有害元素等杂质的可燃有机岩。

煤中水分、灰分、挥发分、黏结性、灰熔点、结渣性及二氧化碳反应活性、热稳定性等都会影响煤气化结果。

煤炭地下气化，从褐煤到无烟煤都可以作为气化目标煤层，低煤阶煤相对于高煤阶煤气化反应性较强。

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2、赋存条件

煤层的赋存条件主要是煤层厚度和煤层埋深。

煤层厚度主要影响煤炭地下气化开采过程的气化效率，煤炭地下气化项目的煤层厚度一般要求大于2 m。

不同煤层厚度条件下空气气化剂吨煤气化水量对合成煤气热值的影响

煤炭地下气化项目的煤层应具有合适的埋藏深度，同时还应考虑钻井成本带来的投资回报率。

煤炭地下气化试验项目煤层平均埋深与平均厚度相关关系

埋深小于200 m的气化项目会引起地面沉降等环境问题；煤层埋深越大对含水层的污染越小；煤气热值在一定范围内随着深度的增加而增大。

富氧-水蒸气条件下不同煤层压力煤气化煤气组分

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其他条件

煤炭地下气化煤层的适宜倾角为0°~70°，气化煤层的角度变化<2°。

气化煤层距离断层>200 m，两条主要断层间的距离至少相距1000 m。

煤层水分<15%，灰分<50%，硫分<1%，直接顶板厚度>15 m，煤层渗透率（50~150）×10-3 μm2，煤炭资源量>80 Mt。

气化剂选择

现有的煤炭地下气化氧化剂主要有：空气、富氧、富氧-水蒸气或水、富氧-二氧化碳等。

使用空气产生的低热值空气煤气可作为燃料用于锅炉燃烧或发电。

使用富氧气化剂产生的煤气可作为燃料用于工业窑炉燃烧或发电，分离H2和CH4。

使用富氧-水蒸气（或水）混合物，作为燃料外，也可用于化工合成气。

富氧-二氧化碳气化剂能够有效提高出口煤气热值，而且可以根据不同的工艺方法产生出组分不同的煤气。

燃空区控制与监测

煤炭地下气化过程中，煤层燃烧后形成燃空区，其顶板岩层受高温、自身重力荷载及构造应力释放等因素的影响，产生大量裂隙并冒落，过量时会造成气化通道堵塞、地表沉陷，引起环境或安全问题，甚至导致煤气泄漏或溢出造成事故。

燃控区监测方面，目前主要采用地球物理间接监测的方法，如电阻层析成像（electrical resistance tomography，ERT）和瞬变电磁法（transientel ectromagnetic methods，TEM）。

ERT具有场源容易实现、实施简便、对现场无破坏作用、分辨率高、经济实惠、穿透深度大，通过计算机技术自动生成接近实时的层析成像图像，并通过低成本传感器监测燃烧前端和空腔图像等优点，但对于燃空区边界的确定还需借助现场数据标定。

TEM具有施工快捷、探测深度较大、抗干扰能力强、对低阻体反映灵敏和不受高阻层屏蔽等优点，随着技术的发展，势必会成为一种非常有发展前景的地下煤气化探测技术。

水平井技术

钻井式（无井式）煤炭地下气化建炉过程无需人工井下作业，适用于低品位、地质构造相对复杂及深部煤炭资源开采。

该工艺的关键技术之一是煤层贯通水平井技术。该技术在页岩油气、煤层气等矿藏的开发中得到了普遍应用。

UCG-CCUS技术

煤炭地下气化-碳捕获碳利用碳封存（UCG-CCUS）技术，符合国家能源战略需求，已经在世界范围内被广泛接受。

CCUS（carbon capture，utilization and storage）是CCS（carbon capture and storage）技术新的发展趋势，主要利用方式包括二氧化碳驱油（EOR）、二氧化碳驱煤层气（ECBM）、页岩气、食品级CO2精制以及其他方式。

中国大部分盆地具有煤、油、气共生的资源特点，在采用煤炭地下气化技术气化煤炭资源时，产生的粗煤气分离成二氧化碳、甲烷、一氧化碳和氢气，甲烷经压缩后可以生产液化天然气（LNG）或压缩天然气（CNG），一氧化碳和氢气可用于发电，二氧化碳注入下部的油层、煤层气层，在提高石油、煤层气采收率的同时实现二氧化碳地下封存，从而实现化石能源的低碳循环开采及能源的梯级综合利用。

气化产物分级利用工艺流程示意

关键问题及发展趋势

存在的关键问题

现有煤炭地下气化绝大多数现场试验均在1000 m以浅的煤层进行，除苏联安格林煤炭地下气化项目外，其余项目均已停止运行。

主要体现在5方面。

受石油、天然气资源的大规模开发利用对煤炭地下气化造成冲击。

气化规模小、产出气体热值低。

地下气化炉燃烧推进过程中燃空区上覆岩层冒落造成上部含水层的破坏，水涌入气化通道造成燃烧失败。

连续管技术障碍造成的项目停止。

受国家环保政策的影响项目关停。

要实现中深层的煤炭地下气化开采，除需有效解决上述问题，还面临着新的技术难点。

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中深部岩体的物理力学行为与浅部存在差异。

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中深部煤炭地下气化化学反应机理比浅部更加复杂，地址选区评价、反应腔的精准监测及控制工艺技术和气化产物的资源环境效应要求更严格。

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现有的煤炭地下气化工艺较为单一，缺少对气化反应区移动状态的有效控制技术。

发展趋势

煤炭地下气化过程煤层燃烧过程中存在热能浪费的情况，如若将这些热能有效利用，可以提高综合利用率。

实验室模拟的煤炭地下气化反应区温度分布特征

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实现煤与煤层气共采

煤层气以吸附气为主，煤对甲烷的解吸作用是非自发的吸热过程，增加温度有利于解吸作用的进行，煤层温度每升高1℃，煤吸附瓦斯的能力降低约为8%。

加热煤层抽采煤层气示意

煤炭地下气化与煤层气抽采相结合的方法，适用于煤层厚度>2 m的厚煤层或多层相邻叠置薄煤层，具有一定的应用局限性。

煤与煤层气共采方法示意

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相邻煤层地下气化开采稠油

理想情况下，煤炭地下气化产生的热量，可以加热相邻含油地层，由于高温作用原油黏度降低，在相同的压力梯度下更容易流向开采井，从而提高原油采收率。

相邻煤层地下气化开采稠油示意与有无UCG条件下产油速率比较

结论

煤炭地下气化技术作为开发深部煤炭资源的有效手段，经历了100多年的长足发展，在科学选址、气化剂选择、燃空区监测与污染物防治、水平井钻进及气化产物分级综合利用等方面取得了进展，积累了经验，为保障能源安全、减少煤炭开发引起的地表环境问题等方面奠定了基础，但也存在一些亟待解决的问题。

煤炭地下气化研究是一项综合性课题，需要多学科方向的学者共同努力，也需要各地质勘查、能源开发、燃气发电等企业的共同参与，尤其是国家在制定能源发展战略、立项国家科技攻关项目等方面给予政策和经费支持，全面调动企业及科研人员研发积极性，为煤炭清洁高效利用提供有力支撑。

本文作者：杨甫，段中会，马东民，田涛，付德亮，贺丹作者简介：杨甫，自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室，陕西省煤田地质集团有限公司，西安科技大学地质与环境学院，博士后，高级工程师，研究方向为盆地构造与非常规天然气地质。

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