煤炭地下气化地下水质量影响评价及数值模拟研究

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煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification,简称UCG)作为一种安全性高、污染少、成本低、效率高的新一代采煤方法,深受世界各国重视。它是将处于地下的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,综合开发清洁能源与生产化工原料的新技术。其实质是仅仅提取煤中的含能组分,而将灰渣等污染物留在井下。  煤炭地下气化存在潜在的地下水污染风险,它除了产生H2、 CO和CH4等有效可燃组分之外,还会产生苯、萘、酚、多环芳烃等有机污染物,如果这些物质进入邻近含水层,将会造成地下水污染,威胁用水安全。  鉴于煤炭气化污染地下水的风险不明确,且缺乏这一过程污染地下水的模拟预测研究。本文在充分收集和分析煤炭地下气化相关研究成果及研究区概况的基础上,构建了煤炭地下气化污染风险评价指标体系,采用传统水环境质量评价方法对研究区地下水水质进行评价,建立研究区数值模拟水流和溶质运移模型,选取三类煤炭气化典型污染物(无机类、有机类和重金属)开展污染物预测模拟研究,对比分析气化后三类污染物在地下水中的运移扩散过程。研究结果将为煤炭地下气化污染物防治提供一定的理论依据。  研究取得的主要结论如下:  (1)结合煤炭地下气化水文地质一般情况,从其对周围环境影响的角度出发,考虑地下水环境、地表水环境、大气环境及人体健康四个方面,构建了煤炭地下气化污染风险评价指标体系;  (2)传统水环境质量评价方法不能很好的区别研究区气化区上下游地下水环境质量的差异,难指示煤炭地下气化对地下水环境影响大小。而场地影响指数及单项污染指数则可较好表征煤炭地下气化对地下水环境质量影响的程度,尤其适用于典型地下水污染组分背景浓度值较高的情况;  (3)煤炭地下气化可使气化区影响范围内地下水环境受到一定影响,水质总体变差,且硫酸盐、氯化物、溶解性固体为主要污染因子,对上述三类污染因子在地下水污染防控中应给以重点考虑;  (4)煤炭地下气化过程可概化为点火到气化开始、气化结束短时间内、气化结束长时间内三个阶段,第一阶段主要产生的气态污染物可用Darcy及Fick方程分别描述其运动及浓度变化,气化结束短时间内简化认为燃空区污染物运动介于层流及管道流之间,使用Brinkman方程进行描述,气化结束长时间内可概化为以燃空区为中心的面源污染,使用传统的数值模拟手段进行研究;  (5)煤炭地下气化产生的典型污染物,硫酸盐、挥发酚和铬污染含水层后,对下游的地下水影响过程不同:硫酸盐在20年时间可污染下游500m左右的区域;挥发酚被含水介质吸附且发生一阶降解,其浓度基数小,对下游影响较小;重金属铬在含水层中发生吸附作用,存在吸附饱和的过程,可影响下游区域约106 m。三类污染物均有随与源距离增加,浓度减少的趋势,其中源浓度越小,且存在吸附降解作用,其浓度下降的越快。
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