王創(chuàng)業(yè)，劉 猛，葛藤澤，徐小虎，檀曉改，樊玉光，袁淑霞，熊 惠

（1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100028；2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，簡(jiǎn)稱 UCG）是一項(xiàng)新的能源開采方式，是指通過適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)，利用注入井、水平井、生產(chǎn)井，在地下創(chuàng)造適當(dāng)?shù)拿禾糠磻?yīng)工藝條件，使煤炭在地下原位發(fā)生有控制的燃燒反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)，通過煤的熱解，以及煤與氧氣、水蒸汽發(fā)生的一系列反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳和甲烷等可燃?xì)怏w及二氧化碳?xì)怏w，是集建井、采煤、氣化三大工藝為一體的煤炭清潔利用技術(shù)[1]。

煤炭地下氣化可有效避免因采煤引起的安全和生態(tài)環(huán)境問題，提高資源利用效率，變物理采煤為化學(xué)采氣，有效緩解我國(guó)“富煤”和“天然氣不足”之間的矛盾。我國(guó)埋深1000～3000m的可氣化煤炭，折合天然氣資源量為272×1012～332×1012m3[2-3]，是常規(guī)天然氣資源量的3倍，與非常規(guī)天然氣資源量的總和相當(dāng)，開發(fā)潛力巨大。由于煤炭地下氣化的能量密度、產(chǎn)氣速度和效率均遠(yuǎn)高于目前開發(fā)的非常規(guī)氣田，該技術(shù)將引領(lǐng)中國(guó)“天然氣革命”，實(shí)現(xiàn)天然氣產(chǎn)量跨越式增長(zhǎng)，有望開辟具有中國(guó)特色的快速有效供氣的戰(zhàn)略新途徑[4-5]。

煤炭地下氣化對(duì)環(huán)境的影響主要是大量二氧化碳的排放。處理產(chǎn)出氣中的二氧化碳，是煤炭地下氣化規(guī)?；a(chǎn)后必須面對(duì)的一個(gè)環(huán)境問題。結(jié)合石油石化工業(yè)的開發(fā)實(shí)踐，二氧化碳在地面進(jìn)行捕集處理后有3種處理途徑：一是用于鄰近低滲油田的驅(qū)油并埋存，實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化，提高原油采收率與埋存凈零排放；二是就近在合適的地層（或者地下氣化腔）中直接埋存，實(shí)現(xiàn)煤炭地下氣化的凈零排放；三是提純后直接利用，一般用于食品行業(yè)，制成干冰用于制冷，以及開展 CO2超臨界萃取等。

目前，國(guó)家對(duì)做好碳達(dá)峰和碳中和工作提出了目標(biāo)、要求，完善能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度的雙控制度，以及重點(diǎn)控制化石能源消費(fèi)的相關(guān)政策。以低碳排放或者零碳排放的方式，在地下原位將煤炭氣化或者氧化生產(chǎn)能源的新能源開發(fā)技術(shù)，符合我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展消費(fèi)的趨勢(shì)。本文在理想熱力學(xué)條件下，分析了整個(gè)氣化過程中零碳排放能量的轉(zhuǎn)換和利用。

1 氫能利用零碳排放系統(tǒng)

氫能利用零碳排放系統(tǒng)，即碳在地下經(jīng)過一系列的反應(yīng)后，最終生成CO2、H2及能量，將H2和能量進(jìn)行收集，在碳達(dá)峰和碳中和的要求下，將反應(yīng)產(chǎn)生的CO2用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品或重新注入地下的煤炭已反應(yīng)區(qū)，液態(tài)CO2進(jìn)行封存或轉(zhuǎn)化為固定碳(CaCO3)儲(chǔ)存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)碳中和。如圖1所示，整個(gè)過程可分為3個(gè)部分：地面原料制備過程，地下反應(yīng)過程以及地面出口氣體能量收集和回注封存過程。各物質(zhì)狀態(tài)流程如圖2所示。

圖1 氫能利用零碳排放系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 氫能利用零碳排放系統(tǒng)各物質(zhì)狀態(tài)流程圖

1.1 地下反應(yīng)過程

反應(yīng)所用的氧氣采用空氣分離裝置制備，地下初始狀態(tài)參數(shù)見表1，參與反應(yīng)的相對(duì)原子/分子質(zhì)量見表2。

表1 地下初始狀態(tài)參數(shù)

1.1.1 H2生成計(jì)算

以1mol碳為計(jì)量基準(zhǔn)，按照理想熱力學(xué)條件計(jì)算反應(yīng)過程。整個(gè)過程涉及多個(gè)反應(yīng)，包括C的完全燃燒反應(yīng)、C與CO2的反應(yīng)、C與H2O的反應(yīng)、CO與H2O的反應(yīng)以及CO的氧化反應(yīng)，即：

1.1.2 H2反應(yīng)計(jì)算

產(chǎn)生的H2部分被氧化為H2O(g)，部分與C反應(yīng)生成CH4，即：

其中，CH4完全燃燒反應(yīng)生成CO2和H2O(g)，H2O(g)與CH4反應(yīng)生成CO和H2，H2再與O2反應(yīng)生成2H2O(g)，CO更易與2H2O(g)反應(yīng)，如式(4)、(8)、(9)。

考慮到不同的溫度、壓力對(duì)氣體體積的影響，按照溫度1000K、氣化壓力4MPa計(jì)算理想氣體狀態(tài)方程，得到H2為0.037mol，CO2為0.093mol。以1mol碳為標(biāo)準(zhǔn)，各物質(zhì)生成/消耗總計(jì)見表3。

表3 各物質(zhì)生成/消耗總計(jì)

由表3可知，消耗1mol碳可產(chǎn)生0.093mol的CO2。以某4kW·h·m-3、10MPa的加壓泵為例，將CO2回注地下需耗能1.34kJ，該過程需要純氧1mol。以某0.9kW·h·m-3的空分裝置為例，分離出純氧需耗能3.24kJ。

1.2 氫能利用零碳排放系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化利用分析

理想情況下，1mol碳完全燃燒反應(yīng)可釋放熱量393.5kJ，不計(jì)氣體從地下到地面過程中的熱量損失，可獲得能量342.78kJ，碳能利用率可達(dá)91.5%。其中，可收集氫氣0.037mol，若不包括氫氣產(chǎn)生的能量，碳能利用率可達(dá)87.2%。

2 能量回收零碳排放系統(tǒng)

能量回收零碳排放系統(tǒng)，即最終從出口出來(lái)的只有CO2和燃?xì)猱a(chǎn)生的能量。收集煤炭地下燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)獾哪芰?，在碳達(dá)峰和碳中和的要求下，將反應(yīng)產(chǎn)生的CO2用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品或重新注入地下煤炭已反應(yīng)區(qū)，液態(tài)CO2進(jìn)行封存或轉(zhuǎn)化為固定碳(CaCO3)儲(chǔ)存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)碳中和。該過程簡(jiǎn)圖如圖3所示，各物質(zhì)狀態(tài)流程如圖4所示。

圖3 能量回收零碳排放系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖4 能量回收零碳排放系統(tǒng)各物質(zhì)狀態(tài)流程圖

2.1 地下反應(yīng)過程

在地面原料的制備過程中，使用空氣分離裝置制備O2。初始反應(yīng)狀態(tài)參數(shù)及參與反應(yīng)的相對(duì)分子質(zhì)量見表2、表3。

2.1.1 H2生成計(jì)算

相比氫能利用零碳排放系統(tǒng)，能量回收零碳排放系統(tǒng)可將產(chǎn)生的所有可燃物在地下完全燃燒，最后僅產(chǎn)生CO2和能量。以1mol碳為計(jì)量基準(zhǔn)，按照理想熱力學(xué)條件計(jì)算反應(yīng)過程，涉及到的化學(xué)反應(yīng)有：

2.1.2 H2反應(yīng)計(jì)算

H2部分被氧化為H2O(g)，部分與C反應(yīng)生成CH4，CH4完全燃燒反應(yīng)生成CO2和H2O(g)，H2O(g)與CH4反應(yīng)生成CO和H2，H2再與O2反應(yīng)生成2H2O(g)，如式(15)～(17)。

考慮到不同的溫度及壓力對(duì)氣體體積的影響，按照溫度1000K、氣化壓力4MPa計(jì)算理想氣體狀態(tài)方程，得到CO2為0.093mol。以1mol碳為標(biāo)準(zhǔn)，各物質(zhì)生成/消耗總計(jì)見表4。

表4 各物質(zhì)生成/消耗總計(jì)

由表4可知，消耗1mol碳可產(chǎn)生0.093mol的CO2。以某4kW·h·m-3、10MPa的加壓泵為例，將CO2回注地下需耗能1.34kJ，該過程需要純氧1mol。以某0.9kW·h·m-3的空分裝置為例，分離出純氧需耗能3.24kJ。

2.2 能量回收零碳排放能量的轉(zhuǎn)化利用計(jì)算分析

在理想情況下，1mol碳完全燃燒反應(yīng)釋放熱量393.5kJ，不計(jì)氣體從地下到地面過程中的熱量損失可獲得能量364kJ，碳能利用率可達(dá)92.5%。

3 結(jié)論

1）在碳達(dá)峰和碳中和的要求下，將煤炭地下氣化與二氧化碳捕集利用及封存（CCUS）相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)“氫能利用零碳排放”和“能量回收零碳排放”。

2）按照理想熱力學(xué)條件進(jìn)行計(jì)算，氫能利用零碳排放的碳能量利用率可達(dá)91.5%，能量回收零碳排放的碳能量利用率可達(dá)92.7%，可形成非常有價(jià)值的零碳排放的能源供應(yīng)技術(shù)。

3）煤炭的地下燃燒和氣化過程極其復(fù)雜（包括一些可逆的化學(xué)反應(yīng)），屬于多學(xué)科集成技術(shù)體系，生產(chǎn)過程對(duì)技術(shù)和工藝要求較高[6]，涉及地下地質(zhì)、鉆完井、裝備制造、高溫高壓燃?xì)饽芰炕厥铡錃獾孛嫣幚?、二氧化碳捕集（CCUS）與回注等相關(guān)的諸多技術(shù)。

4）中石油公司具有完整的地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)、地球物理探測(cè)技術(shù)系列（地震、測(cè)井）、中深層鉆井與水平井鉆完井技術(shù)[7]、氫氣處理、二氧化碳捕集與回注（CCUS）技術(shù)的整體優(yōu)勢(shì)，有望推動(dòng)中深層及深層煤炭地下氣化項(xiàng)目取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

5）利用煤炭地下氣化“地下、高溫、流體”等屬性，與石油石化企業(yè)現(xiàn)有的油氣產(chǎn)業(yè)鏈、氫能產(chǎn)業(yè)鏈、石化產(chǎn)業(yè)鏈相融合，協(xié)同發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)煤炭資源的立體綜合開發(fā)及利用。實(shí)施煤炭地下氣化產(chǎn)業(yè)與油氣產(chǎn)業(yè)的跨界融合技術(shù)示范，能夠打造未來(lái)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，加速形成零碳排放的若干氫能與儲(chǔ)能等未來(lái)產(chǎn)業(yè)。