摘要：煤炭地下气化(UCG)就是将煤炭在原位进行有控制的燃烧，通过煤的热解以及煤与氧气、水蒸气发生的一系列化学反应，产生H2，CO和CH4等可燃气体的过程，UCG也被称作“气化采煤”或“化学采煤”。作为新一代化学采煤技术，UCG集建井、采煤、转化工艺于一体，是对传统物理采煤技术的重要补充，实现了地下无人生产，避免了人身伤害和矿井事故发生；避免了煤炭开采、运输环节带来的粉尘污染，气化后的矸石、灰渣留在地下，减少了地表固体废弃物堆积带来的环境影响，在一定程度上防止地表沉降；UCG技术适用于难采煤层、低品位煤层，特别是深部煤层的原位开采与转化，提高了资源利用率，并能带动煤炭、电力、化工等传统产业的发展。鉴于煤炭地下气化技术的显著优点，世界许多国家相继投入了大量的人力和物力进行研究和使用，取得了丰硕的成果。我国也由实验室基础理论研究、现场试验研究，逐步向工业化生产迈进。
关键词：煤炭地下气化；技术；工程科技
1煤炭地下气化技术进展
1.1长壁式气流法煤炭地下气化技术
长壁式气流法煤炭地下气化技术气化炉一般由一个进气井、一个出气井和一条连接进、出气井的气化通道组成。气化通道是人工掘进的煤巷或煤层定向井。其特点是进气点和出气点是固定的，分别位于气化通道的两端，一个井进气，另一个井出气，利用气流流动速度控制气化工作面的移动。当气化工作面由进气孔向出气孔移动时称为正向气化，当气化工作面由出气孔向进气孔移动时称为逆向气化。正向气化是气相流动方向与气化工作面移动方向相同的气化方式，煤层点火和初始气化位置位于进气井与气化通道的交叉点，注气点为气化剂与气化反应区最早接触的位置，随着气化过程的进行，当气化剂不断地从进气口输入到气化工作面后，气化反应区随气流方向前进而逐渐移动到气化通道末端，即出气孔附近，使还原区和干馏干燥区缺失，不能满足氧化区生成的CO2还原和水蒸气分解反应的需要，煤气质量下降。此时可将原出气孔改为进气孔，原进气孔改为出气孔，进行反向气化，重新形成氧化区、还原区和干馏干燥，维持气化过程的连续。根据煤层厚度及宽度可多次进行正向和反向气化，以实现高的煤层气化率。逆向气化是气相流动方向与气化工作面移动方向相反的气化方式，逆向气化时煤层点火和初始气化位置位于出气孔与气化通道的交叉点，通过控制气化剂的流量来控制气化剂在气化区的流速，当煤层燃烧的放热量大于下游带走的热量时，气化工作面(火焰)则逆着气流方向移动。试验表明当气体流速小于1m/s时则会出现逆向气化。逆向气化要控制气流速度，因此单工作面产能受到了限制。长壁式气化工艺的优点是控制方法简单，只需通过控制进、出口参数来控制气化过程。但由于气化通道相对较长，通道易发生堵塞，影响了煤气产量和气化过程的稳定性，同时工作面的移动是依靠气流流动自然推进，可控性差。因此长壁式气化工艺适用原始气化通道截面较大的气化炉，如矿井式气化。
1.2可控后退注入点(CRIP)气化工艺
可控后退注入点(CRIP)气化工艺基本单元由长距离煤层水平钻孔和垂直钻孔构成，注气井为煤层水平井，生产井为垂直井或水平井，注气井沿煤层底部钻进并与生产直井对接连通。注气井内下放注气管，气化过程采用注入点可控后退，即在水平钻孔内集成点火装置，当气化空腔扩大到无法维持化学反应条件，引起煤气质量下降时，一个气化周期完成，然后将注气点后撤，重新在新鲜煤层中点火形成新的气化过程。气化周期不断重复进行，沿煤层水平形成多个气化空穴。注入点沿注气井的一次受控后退就是一个CRIP操作。CRIP工艺的核心在于通过水平移动注气解决了垂直钻孔注气后期，由于氧气向通道壁面扩散速率下降以及煤气与通道内自由氧燃烧引起的煤气质量下降问题。CRIP工艺尝试运用的水平定向钻井技术比使用垂直井技术更有优势，该工艺通过增加煤层内水平段长度，提高气化单元的煤炭覆盖量。此外，相对于连通直井气化工艺，水平井可以将气化剂如氧气的注入控制在煤层底部，从而有效提高了煤炭资源利用率。
CRIP工艺的设计将顶板岩层对气化效率的影响降低到最小。气化初期，注入点附近被周围煤层包围。随着气化的进行，燃空区开始向上和向前发展，顶板煤层和围岩暴露出来。暴露出来的顶板引起能量损耗，导致煤气质量下降。当煤气质量下降到一定值后，开始执行CRIP的后退操作并进入下一个注气点。在新的注气点，点火器烧熔注气套管，与暴露出来的新鲜煤层进行反应，随着注入氧气在煤层壁面与燃空区的分布量保持相对恒定，将产生一个相对持续的稳定运行过程。每一个气化周期，随着时间的推移，气化区空腔的体积增长率急剧下降，大约70%的空腔体积在气化炉运行的前10d形成。假定空腔体积增长是由对流热量传递机理形成，随着通道截面逐渐变大，煤气流量降低，空腔增长变得相当缓慢。与连通直井气化工艺相比，CRIP工艺的显热损失显著减小，同时其他的热损失(包括气态产物的地层逸散)也明显降低。CRIP工艺同时能够解决推进式气化造成的通道及钻孔焦油堵塞等工程问题。CRIP气化工艺的提出及成功试验，为现代煤炭地下气化工艺奠定了技术基础。
2煤炭地下气化工程科技
2.1规模化生产地下气化炉结构及构建技术
①多通道集气地下气化炉合理的进、出气通道、气化通道布置，以及不同煤层气化工作面的合理间距；②高温出气井结构、固井材料；③定向井气化通道施工方式、支护方式及通道畅通维护技术。
2.2地下气化连续稳定控制技术
目前在不同的煤层地质条件下，注气点合理的移动速度和控制指标还不清楚，为此要研究注气管后退注气(水)气化稳定控制工艺，包括：①煤层气化温度场、压力场、浓度场扩展速度及影响因素；②后退移动注气点气化区分布与扩展控制技术；③后退移动注气点移动速度及控制指标；④富氧－水连续气化工艺参数及控制工艺。
2.3煤炭地下气化安全技术
想要构建完善的矿井式气化安全技术体系，要研究：①密闭墙的结构及施工方法；②不同煤层条件和气化压力下气化炉保护煤柱的宽度、热力影响下裂隙发育和渗透性变化规律；③地下气化混合煤气的爆炸极限和影响因素；④矿井水力联系及控水技术；⑤矿井气化系统安全监测点布置及监控系统；⑥气化炉运行安全操作规程。
2.4煤炭地下气化多联产技术
要进行煤气的梯级利用，高质量的合成气用于化工合成，低质量的煤气用于燃烧发电，实现多联产利用。煤炭地下气化多联产系统一般包括4个部分：地下气化段、煤气净化与变换段、化工合成段和燃气－蒸气联合发电段。在油田附近的地下气化站，可将CO2用于驱油。
3结语
21世纪以来，随着国际能源紧缺，煤炭地下气化技术在世界范围内重新受到关注并得到快速发展，通过引入石油工程手段实现大规模地下建炉和气化过程的精准导控，促进现代煤炭地下气化技术逐步发展。因此在对深部煤层资源进行综合地质条件评价、环境影响评价、煤炭地下气化适用性评价的基础上，采用煤炭地下气化技术开采深部煤炭资源，在目前的能源价格体系下，具有良好的发展前景。
参考文献
［1］郭广礼，李怀展，查剑锋，等．无井式煤炭地下气化岩层及地表移动与控制［J］．煤炭学报，2019，44(8)：2540－2546．
［2］邹才能，陈艳鹏，孔令峰，等．煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义［J］．石油勘探与开发，2019，46(2)：195－204．