在氢经济的背景下，实现深层煤炭气化的大规模强化氢气生产

作者：魏子祥，姜良良，阿丽克巴·哈桑普洛尤兹班德，陈珊珊，陈艳鹏，朱一文，冯乐，刘口琦，张建生，陈张欣，法鲁克·阿里

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• 卡尔加里大学化学与石油工程系
• 英国爱丁堡大学地球科学学院格兰特研究所，爱丁堡西大街EH9 3FE
• 中国石油天然气股份有限公司石油勘探开发研究院，北京
• 中国科学院大学地球与行星科学学院计算地球动力学重点实验室，北京，中国矿业大学安全工程学院，徐州，中国
• 北京大学能源研究所，北京100871
• 清华大学能源与动力工程系，北京，中国
• 东方理工大学数字孪生研究所，宁波315200
• 美国得克萨斯州休斯顿大学石油工程系

煤炭地下气化（UCG）是一种新兴的清洁能源技术，在提高氢气产量方面具有巨大潜力，特别是在与注水相结合的情况下。之前的实验室规模研究已经探索了这一潜力，但在大规模、深层地下气化环境中驱动水辅助氢增强的机制尚不清楚。本研究使用为氢导向煤炭地下气化设计的大型深煤模型的数值模拟来解决这一差距。我们研究了单点和多点注水策略以优化氢气生产。此外，我们还开发了一种可伸缩的注水技术，以确保持续的氢气输出和有效的腔室控制。我们的结果表明，水煤气变换反应对于增加氢气产量至关重要。多点注入已被证明比单点注入更有效，在等量蒸汽的情况下，氢气产量增加了11%。可伸缩喷射的引入允许连续有效的氢气生成，日产氢率约为传统喷射方案的五倍，同期累计氢气产量增加约105%。重要的是，多点注入方法也有助于限制垂直空洞的生长，降低含水层污染的风险。这些发现支持了煤炭地下气化作为向氢经济过渡的低碳能源的潜力。

尽管人们越来越重视可再生能源，但化石燃料在全球能源消费中仍然发挥着至关重要的作用，如图1[1]所示。煤炭是一种由植物残体的生化作用形成的固体可燃有机岩石，由于其在石油、天然气和煤炭资源中的重要份额，煤炭仍然是全球能源部门的重要组成部分[2,3]。然而，在地表气化或燃烧过程中，它很容易释放出有害气体，包括硫化氢和温室气体[4]，而且由于深度深、含水量高，大部分煤炭储量无法开采。因此，合理、高效、清洁地开采丰富的煤炭资源是包括中国和印度在内的发展中国家需要考虑的关键问题，这些国家需要大量的能源¬¬[5]。煤炭地下气化（UCG）被认为是开发煤炭资源最清洁的技术之一，是一种将煤炭就地转化为合成气（合成气）的想法。合成气的主要成分是可用作能源的CH¬4、CO和H2，以及CO2和H2S[6-8]。俄罗斯首次提出

1888年，科学家门捷列夫[9]提出，煤炭地下气化方法旨在从煤炭中提取含能成分，而无需传统开采。基本过程包括通过注入井将氧气或空气等氧化剂注入地下煤层，然后从煤层另一端的生产井中提取合成气。通过控制气体注入速率，可以管理煤层中的燃烧情况，从而通过一系列化学反应（包括燃烧、热解和干馏）使原位煤气化[10-12]。由于这些反应发生在地下，煤炭地下气化工艺比传统气化炉具有许多优势，包括防止有害气体和温室气体排放以及降低劳动力成本[13]。此外，随着煤炭被转化为 合成气，煤层将在煤炭地下气化后阶段形成一个工业规模的空腔，几项研究已经证明了在这些空腔中储存二氧化碳的可行性[14-16]，从而证实了煤炭地下气化的环境效益。

预计到21世纪中叶，氢能将成为一种关键的清洁能源，因为它具有很高的发热潜力[17]和燃烧过程中的零温室气体排放[18-20]。这增加了人们对煤炭地下气化制氢的兴趣，解决了有效利用深层煤炭资源生产清洁能源的挑战[21]，同时确保低碳排放和环境保护[22]。目前，各国的研究人员都在这一领域进行了研究，但存在研究差距，例如，在煤炭地下气化的背景下，深层煤层的大规模增产氢气。

许多研究都针对中国煤炭，多年来做出了显著贡献。1995年，梁和余分析了煤炭地下气化制氢的有利条件，并提出了一种长隧道和大断面的两阶段方法来提高氢气产量¬¬[15]。2000年，杨和尹引入了第二种火源，使用双火源来维持反应温度，通过工业试验成功验证了这一概念[11]。刘等人将两阶段气化技术与同时注入氧气蒸汽进行了比较，得出的结论是，虽然前者产生的氢气略高，但后者更适合在各种煤种中连续生产氢气，包括褐煤、气肥煤和贫煤[23]。为了进一步提高氢气产量，Yang等人建议进行逆气化，包括在不同时间步战略性地撤出氧化剂注入井，以减轻还原区减少的负面影响¬[24]。Yin等人对不同煤种进行了实验模拟，得出的结论是，热解中氢气的主要来源是脂肪侧链的脱氢和缩合，由于低阶煤中官能团的数量和类型较多，氢气的产量随着煤阶的增加而减少；然而，在气化过程中，由于炭质量和碳含量随着变质程度的增加而逐渐增加，更多的反应物能够参与水煤气转化反应，导致更多的水被还原为氢气¬[25]。另一方面，Feng等人关注了注入流体条件的影响，发现与直流注入相比，旋流注入更有利于氢气的产生[26]。超越煤炭地下气化在复杂地质条件和资源受限地区 的中国煤炭、Stan´czyk及其同事证明，波兰褐煤和硬煤可以在各种氧气和蒸汽条件下产生富氢合成气[27,28]。Kapusta等人发现，褐煤中的高含水量可以消除对人工水的需求供应，有利于煤炭地下气化制氢[29]。面向氢气的欧洲地下煤气化（HUGE）项目强调，浅层煤气化具有很高的天然气风险泄漏，表明深煤层可能更适合煤炭地下气化工艺[30]。

最近，Jiang等人对煤炭地下气化背景下增强氢气生产的全球进展进行了全面回顾[8]。他们得出结论，由于大规模试点的成本过高，大多数努力都集中在实验室规模的实验上。然而，了解大规模各种物理化学现象的耦合以及深层煤层高压的影响仍然至关重要。为了弥合上述知识差距，我们构建了一个大型煤炭模型来研究煤炭地下气化中的氢气增产，改变蒸汽注入点的位置，以了解中试规模下的氢气增产机制。此外，我们探索了多点注水以获得最佳性能。随着地下空腔的扩大，我们概念化了可伸缩的注水器，以保持连续的氢气生产。

这种方法在可伸缩蒸汽注入的帮助下，有助于地下空腔保持一致性，从而带来显著的环境效益。这项研究的结果为能源系统的脱碳提供了强有力的支持，同时推动了工业的发展应用。它们不仅有助于降低氢气生产成本，还将提高氢气经济在全球能源转型中的竞争力，突显出UCG技术在实现碳中和目标方面的关键作用。然而，必须澄清的是，鉴于缺乏用于比较的中试规模数据，本研究的主要目标是鼓励未来对煤炭资源利用中的氢经济进行研究。

该模型涉及在氧化剂的尖端应用加热器

注入井两天，模拟点火过程。从第3天开始，纯氧被连续注入煤层，随着时间的推移，供应速率逐渐增加，以解释不断扩大的地下空腔。人们普遍认为，通过地下煤气化（UCG）以工业规模生产H2，需要外部水来提供所需量的元素氢。因此，在没有附近含水层的煤矿中，采用注水井通常是增加氢气产量的首选方法。然而，很少有研究探讨了煤炭地下气化背景下增强氢气生产的机制，特别是在大规模背景下。这一研究空白激发了本文的建模研究，以确定在各种注水¬-情景下提高氢气产量的最佳方法。 此外，本节还讨论了通过操纵注水井来控制多向空腔在垂直方向上生长的可行性。为了便于比较，构建了一个没有注水的基础模型。图5以横截面图的形式描绘了基础模型在第30天的空腔生长。煤炭地下气化过程的主要反应是煤热解成炭、灰分和挥发性气体。因此，如图5所示，炭浓度可以作为近似空腔边界的良好参考。值得注意的是，彩色带内的蓝色区域表示所有焦炭都已完全消耗的空隙，而外部的蓝色区域则表示完整的煤层。