煤炭地下气化技术发展概况xxx(xxx)摘要：本文介绍了煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）的原理，对国内外煤炭地下气化的发展方向，包括UCG—IGCC、UCG—CCS、UCG—HUG和UCG—ACF等技术进行详细地阐述，通过对煤炭地下气化工艺的描述，指出了煤炭地下气化的影响因素和煤炭地下气化的特点，认为发展煤炭地下气化是我国解决当前能源安全和环境污染的有效途径。
关键词：煤炭地下气化；发展趋势；影响因素及特点Underground Coal Gasification Technology Development Overviewxxx(xxx)Abstract：In this work, the principle of the Underground Coal Gasification is introduced.And the current developments of UCG both in china and abroad,which includes UCG—IGCC、UCG—CCS、UCG—HUG and UCG—ACF,are detailed described.By describing the underground coal gasification process,the influence facters of UCG and UCG characteristics are pointed out.Most importantly,developing the technology of UCG is an effective approach to solve the problems of energy security and environment pollution.Key words：Underground Coal Gasification；current developments；facters and characteristics由于发展中国家经济发展对能源需求增长很快，以及油、气后备资源不足引起油、气价格剧烈上升，在其它再生能源等足以替代之前，石油价格很难降下来。
在20世纪，西方国家开展“煤炭地下气化”（Underground Coal Gasification，UCG）工业试验研究，该过程大体上随油价高低而几起几落，一直没有停止。
从21世纪开始，许多国家认识论到，发展UCG是大势所趋，一些国家（如美国、澳大利亚、英国、加拿大、南非、印度等）的UCG工作进展快速，UCG的气可用于发电、制氢、清洁燃料、化工原料等，有的已开始商业化生产。
近几年煤炭地下气化（UCG）产业的发展已经出现以下趋势：（1）煤炭地下气化与联合循环发电产业的结合（UCG-IGCC）；（2）煤炭地下气化与碳俘获、利用、储存产业的结合（UCG-CCS）；（3）煤炭地下气化与制氢产业的结合（UCG-HGC）；（4）煤炭地下气化与燃料电池发电产业的结合（UCG-ACF）。
这是一个把化石燃料的煤转化成相当清洁的燃料的重要阶段。
1气化原理煤炭地下气化（Underground Coal Gasification ，UC G）集建井、采煤、气化三大工艺为一体，抛弃了庞大笨重的采煤设备和地面气化设备，实现了井下无人、无设备生产煤气，变传统的物理采煤为化学采煤，是多学科开发清洁能源和化工原料气的高新技术。
煤炭地下气化就是向地下煤层中通入气化剂，使煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体，然后将产品煤气导出地面再加以利用的一种能源采集方式。
建设时在工作面掘进出通道，与地面的钻孔相通，作为进气孔或出气孔。
井下工作面密封点火后，通过有效控制风量等技术措施，在出气孔就会获得地下煤气，经过喷淋洗涤、捕滴、捕焦、脱硫等系列工艺进行净化处理后，通过管道、储气柜送入用户。
煤炭地下气化系统主要有五部分组成：地下气化炉：由气流通道、气化通道、钻孔三部分组成；测控系统：包括对地下气化炉、地面设备状态(温度、压力、流量、组份)的自动监测和自动控制；净化系统：包括洗涤塔、捕滴、捕焦、脱硫设备；储运系统：包括储气柜和煤气加压机及输配管道等；气化剂制取系统：包括鼓风机、富氧装置和蒸汽锅炉等设备。
气化过程主要是在地下气化炉的气化通道内实现的，可燃气体的产生，在气化通道中经过三个反应区域，既氧化区、还原区、干馏干燥区，（如图1所示）主要发生如下反应：在氧化区，空气中的氧与煤层中的碳发生多相化学反应，生成一氧化碳和二氧化碳，并产生大量的热使煤层炽热并蓄热；在还原区，二氧化碳和水蒸汽与炽热的煤层相遇，在高温下二氧化碳还原为一氧化碳，水蒸汽分解为氢气和氧气，氧气与碳生成一氧化碳，氢气与碳或一氧化碳、二氧化碳生成甲烷。
在干馏干燥区，在高温热作用下无氧的气流混杂着析出的煤中的挥发物，形成焦炉煤气。
[1]2国内外发展概述2.1煤炭地下气化与联合循环发电产业的结合（UCG-IGCC）煤炭地下气化生产的气（有“空气煤气”、“水煤气”、“合成气”等，本文以下简称为“煤气”）应用于整体煤气化燃气-蒸汽联合循环发电[2]（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC），是合理使用地下气化热能的有效途径，是碳减排的重要方法。
在俄罗斯、乌兹别克早已生产2 930～4 187 kJ/m3的低热值煤气用来烧锅炉或发电，长达50多年。
乌兹别克安格连矿每年气化35万吨煤[3]，供发电之用。
在美国波德河盆地已有用UCG-IGCC发电运行多年。
南非Majuba煤矿2007年5月31日建立第一个使用UCG煤气的电站，运转第一年已生产13亿立方煤气。
在中国目前已建成UCG与发电站的连接的有华亭、新汶等矿，电站规模较小与效率尚待UGC- IGCC 方向努力。
2.2煤炭地下气化与碳俘获、利用、储存结合（UCG-CCS）据估计，一个200Mw的UCG-IGCC电站年产CO2大约为1Mt[4]。
通过对CO2的分离可以使CO2得到利用和储存。
例如，CO2可用以增高采油的回收率（美国波德河盆地[5]），余下可就地封存。
CO2可提高煤层气的回采率（英国福思湾[6]），也可封存于地下深处海相地层或相邻的煤层中（增强煤层的甲烷的产量，同时得以储存[7]）。
有文献提到，在UCG的注入井中注入钙，可使CO2成凝胶状保存。
图1 UCG与常规电厂发电的CO2排放量的比较（引自Green，2008）2.3煤炭地下气化为开辟二次能源—廉价氢能源提供实际可能（UCG-HGC）世界各国开始重视UCG制氢的意义，成为一个重要的方向。
“欧洲氢地下气化（Hydrogen Underground Gasification Europe）”项目从2007年9月开始，历时3年，经费350万欧元，在波兰南部Mikołów 的Barbara 矿，用UCG提取氢，在2010年4月已用于燃料电池发电[8]。
国内“长通道、大断面、两阶段”煤地下气化工艺是中国矿业大学余力教授等所创建的，UCG的煤气中的氢含量可高达60-70%，与国外UCG的煤气中的氢含量（7.6-31.2%，平均为17.%）相比，具有明显的优越性[9]。
2.4煤炭地下气化与AFC产业的结合（UCG-AFC）通过UCG使氢富集，然后用氢作燃料电池（Alkali Fuel Cells，AFC）的氢源。
这样一个UCG-AFC产业结合的过程是当今能源发展的一个新方向。
煤在地下被气化可生成易燃的富氢的煤气，在地面经多种净化过程后，可由压缩摇动吸附（Pressure swing absorption）方法提取，使煤气分成两部分：一部分是压缩氢、另一部分是纯CO2。
氢气可供给能源燃料电池（Energy fuel cells）发电，其副产品是水，CO2被俘获后可储存。
英国桑顿新能源公司和Waste2tricity公司宣布成立合资公司，从事由UCG 得到的氢气，通过燃料电池转化为电的商业应用。
这样一个煤电清洁模式比常规煤电站的要优越。
在澳大利亚，燃料电池生产商AFC能源公司2009年与Linc能源公司、B9煤炭有限公司签订了一个协议，开展AFC用于Linc能源公司的UCG项目，计划AFC公司的燃料电池能于2010年在Linc能源公司Chinxhilla的UCG 厂运作，如果可行，将安装较大的5万瓦的设备。
3气化工艺3.1煤层渗透气化煤层渗透气化是把煤层的一个气化区当作具有孔隙和裂隙的天然煤层，并且还考虑到，随着煤层的加热，煤层的节理性增加。
用这种方法气化时，必须点燃煤层，还需由鼓风钻孔向煤层鼓风，此时被鼓入的风，即沿煤层的天然孔隙和裂隙向排气孔渗透。
由于向点燃的煤层内供风的结果，在煤层中即可形成气化带———燃烧工作面。
同时随着煤层气化的进行，气化带逐渐发展成气化空间。
但是，利用此种气化方法，沿煤层的孔隙和裂隙通过所需的空气量时，具有较大的阻力，因此要求高压鼓风，而高压鼓风运行费用则较昂贵。
3.2通道气化首先需要在煤层内开凿一适当断面的通道，其通道的阻力应能满足经济风压下所能通过的风量。
通道气化法又称连续气化法。
所开通道应能保证由一端进风，另一端排出煤气。
4地下气化分类按开拓方式可分为有井式、无井式、混合式，西方国家多钟情于无井式，我国则注重于有井式或混合式。
按气化剂可分为富氧（纯氧）＋水蒸汽、空气＋水蒸汽，前者产合成气，后者只产燃料气。
按气化区的形状可分为“I”形和“U”形两大类。
“I”形又分为通过式和盲头式，形式简单，产量小，较适宜于无井方式；“U”形覆盖面积大，可做多种组合变化，最适宜于有井式大规模生产。
在我国目前较有前途的“长通道大断面气化方式”和“管式注气点周期后退气化方式”都属于“U”形有井式，此前所用气化剂均为空气＋水蒸汽，只能做燃料气。
5影响气化的因素5.1煤炭性质煤的性质包括煤的渗透性，受热膨胀性及传热和传质性质。
煤的渗透性随煤的品位而变，褐煤的渗透率是烟煤的1000倍，次烟煤的渗透率比烟煤高一个数量级，无烟煤的渗透性最差。
煤的膨胀性足够大，在气化时将会堵塞煤床中的气流通道，因此强粘结性的烟煤是难以进行地下气化的。
无烟煤透气性最差，活性低，难以进行地下气化，而褐煤最适宜进行地下气化。
5.2气化炉温度和鼓风速度目前常用的气化剂是空气和水蒸气。
气化过程的稳定主要决定于单位时间内起反应的碳量，而参与反应的炭量，又决定于固体碳和二氧化碳的化学反应速度，决定于与二氧化碳分子向固体碳表面的扩散速度，前者与气化带的温度有关，后者则与鼓风量有关。
鼓风量越大，扩散速度也越大，煤的气化强度增加，初级产物CO的燃烧可以部分避免，而从氧化区带出。