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摘 要：我国能源结构以煤炭为主的局面在短时间内还难以改变。而传统的煤炭开采、运输、使用方式均会排放大量的温室气体。如何让煤的开采和使用变得干净、少污染，将煤炭资源低碳化利用成为当务之急。而发展煤炭地下气化是我国解决上述问题的最佳途径。本文就煤炭地下气化技术基本概念、原理、发展状况及低碳形式下下大力推进煤碳气化技术作进一步的阐述。
关键词：低碳形式；推进；煤炭气化技术
所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。
“富煤、少气、缺油”的资源条件，决定了中国能源结构以煤为主，低碳能源资源的选择有限。我国电力中，水电占比只有20%左右，火电占比达77%以上，“高碳”占绝对的统治地位。尽管太阳能、风能等可再生能源在大力发展中，但一时都很难充当主角。因此，我国能源结构以煤炭为主的局面在短时间内还难以改变。而传统的煤炭开采、运输、使用方式均会排放大量的温室气体，并引发一系列的环境问题。如何让煤的开采和使用变得干净、少污染，将煤炭资源低碳化利用成为当务之急。而发展煤炭地下气化是我国解决上述问题的最佳途径。
1 煤炭地下气化技术
1.1. 煤炭地下气化的基本概念：
煤炭地下气化（Underground Coal Gasification）就是向地下煤层中通入气化剂，将煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，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。它将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，将物理采煤转变为化学采煤，即把高分子固体煤转变为低分子结构的可燃气体，抛弃了全部庞大而笨重的采煤设备与地面气化设备，并大幅度减小了建井规模，具有安全好、污染少、投资小、成本低、效率高、见效快等优点[1]。
1.2 煤炭地下气化的基本原理：
煤炭地下气化的基本原理，与一般煤炭气化一样，是把煤炭的固体有机物通过热力和化学作用变为可燃气体，其区别在于地下气化过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的，如图1所示。该过程可在气化通道中形成以下三个区域[2]：
图 1 地下气化示意图
1、2 钻孔 ；3 水平通道；4 气化盘区；5 火焰工作面；6 崩落的岩石；
Ⅰ 燃烧区 Ⅱ 还原区 Ⅲ 干馏区 Ⅳ 干燥区
（1）由进气孔鼓入气化剂（有效成分是O2和水蒸气），并在进气侧点燃煤层，气化剂中的O2遇煤燃烧产生CO2，并释放大量的反应热，使还原区煤层处于炽热状态，当气流中O2浓度接近于零时，氧化区结束。
（2）在还原区CO2与炽热的C 还原成CO，H2O（g）与炽热的C 还原成CO、H2等，由于还原反应是吸热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度降低到不能再进行还原反应时，还原区结束。
（3）经过还原区的气流温度还相当高，对下流煤层进行加热使其热分解，而析出于馏煤气，此区域则称为干馏干燥区。
经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分（主要是H2、CO、CH4）的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见，可燃气体的产生主要来源于三个方面即水蒸气的分解，CO2的还原和煤的热解，这三个方面作用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气的组分和热值[2]。
1.3 地下气化炉地下气化的物质基础：
地下气化炉地下气化的物质基础是地下气化炉，组成地下气化炉的四个要素是进气孔（通道）、排气孔（通道）、气化通道和气流通道。地下气化炉按施工方法可分为以下三种形式[3]：
（1）有井式：有井式是地下气化系统全部采用井工作业来进行构筑，鼓风系统、初步冷却、降尘系统也安置于井下峒室，进、排气孔是井筒，气化通道是人工掘进的煤巷。
（2）无井式：无井式就是地下气化炉的准备工程量全部采用在地面钻孔作业，供风、排气和净化系统也全部安置于地面气化站中，生产运行也全部在地面操作。其气化通道贯通方法有火力渗透法、电力贯通法、水压贯通法、气力贯通法、定向贯通法、原子能爆破法、化学液爆破法等。
（3）综合式：综合式就是地下气化炉的准备工程采用井工作业完成，地下气化的生产运行采用地面操作。
2 国内外煤炭地下气化的发展概况：
2.1 国外煤炭地下气化的发展：
（1）1868年,德国科学家威廉．西蒙斯首先提出了煤炭地下气化（UCG）的概念 （2）1888年,俄罗斯化学家门捷列夫提出了煤炭地下气化的基本工艺
（3）1907年,通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸汽的UCG 技术在英国取得专利权
（4）1933年,苏联开始进行UCG现场实验。1942～1960年建成5个实验性气化站
（5）20世纪50年代，美、英、日、波、捷等国也都进行了UCG实验。70～80年代，美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日本等国都进行了实验
2.2 国外UCG技术的发展前景展望：
预测UCG技术发展的商业化前景是困难的，国外大多数专家仍把它看作长期的目标。关键在于何时解决技术上的问题，以及何时能同煤气天热起竞争。政府的政策也是一个重要因素，因此，各国面临的情况也不同。欧盟地下气化工作组1999年的工作报告认为：若能解决现技术上的问题且经济上可行，UCG技术有望在10～15年内实现商业化。
2.3 国内煤炭地下气化的发展：
我国于50年代末，在安徽、山东、河南、黑龙江等省进行了煤炭地下气化的实验，取得了一定的成绩和经验。1984年，中国矿大余力教授总结了国内外煤炭地下气化的经验，结合我国煤炭的开采状况，提出了井综合式《长通道、大断面、两阶段》地下气化新工艺。该工艺1987年被列为“八五”国家科技公关项目；1994年通过了煤炭部的技术成果鉴定。 目前国内UCG技术存在的问题：（1）气源稳定性差。即煤气产量、煤气组分、煤气热量难以实现长期连续稳定的供给。（2）缺乏对有害物质的检测和环境效益的评价。（3）大量低热值空气煤气放空增加了二氧化碳的排放，于国家可持续发展的方针政策相悖。（4）现有的UCG技术，无论哪种技术模式都不成熟，还需要进一步改善和发展，要达到产业化生产要求，还需攻克一些关键技术。（5）距产业化开发还有一定距离。（6）缺乏多学科协作公关
3 今后地下气化技术发展建议
（1）目前我国的地下气化技术仍处于工业试验阶段，有很多问题需要去研究和探索。因此国家和有关部门应给予大力支持，制定相应的政策，提供一定的措施和资金，推动这方面的研究工作。并应组织协调，做好攻关工作，以期在较短的时间内，使地下气化技术真正 用于生产和应用。（2）煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。当前为了寻找煤炭的新出路，加强煤炭 综合利用的研究，很多企业都看好煤炭地下气化技术，但应在开展项目之前要落实用户，否则将得不到应有的效果。（3）提高热值和生产适合于用户的气体组分是气化技术的关键。目前地下气化生产的空气煤气热值偏低，因此使应用范围受到限制。为了提高煤气热值和稳定气体组分，在过去的试验中采用生产半水煤气、水煤气和富氧煤气等工艺，但目前这些工艺在技术装备上，尚需要进一步开展研究。（4)对地下气化炉燃烧和运行进行有效的控制，是煤炭地下气化稳定产气和得到相对稳定的气体组分的保证手段。目前控制系统仍然比较简单，研究单位应进一步开展攻关，为地下气化炉建立起1套行之有效的测控系统，并应重点放在燃烧位置和燃烧速度的控制技术上,其中可靠的传感元器件是很重要的。(5)地下气化炉和地面设施的安全技术是搞好地下气化的保障。要采取充分和必要的措施，防止泄漏。还应做好防爆和防火工作，并制定严格的规程，确保安全产气(6)开展燃烧后地下气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究，适时解剖1～2台气化炉，了解燃烧后炉体内的状况和地面的塌陷规律，这对于提高对煤炭地下气化技术认识，修 改炉型设计和改进运行规律的控制将起到很大作用。
(7)建立煤炭地下气化试验研究基地，选择1～2个有代表性的煤种(烟煤、无烟煤等)，煤层(厚度、倾角等)和用户(民用燃料、发电、化工原料)作为试验基地，开展多项技术攻关与研究，在成功的基础上进行推广应用。
我国能源结构以煤炭为主，这在较短时间内还难以改变，因此，在发展低碳能源的同时，大力推进煤炭资源的低碳化利用尤其重要。煤炭地下气化不仅可以提高矿井的采出率，而且可以高效洁净地利用煤炭资源，在煤炭的开采、运输及利用过程中均可实现低碳化甚至无碳化，是一种理想的低碳能源技术。此外，地下气化开采煤炭资源具有良好的经济效益和社会效益，发展煤炭地下气化的意义深远。
参考文献
[1] 余 力. 煤炭地下气化学术论文选集[C]. 北京：中国矿业大学出版社，2003：1-2.
[2] 沈 芳，梁新星，毛伟志，等. 中国煤炭地下气化的近期研究与发展[J]. 能源工程，2008，（1）：5-10.
关键词：低碳形式；推进；煤炭气化技术
所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步。
“富煤、少气、缺油”的资源条件，决定了中国能源结构以煤为主，低碳能源资源的选择有限。我国电力中，水电占比只有20%左右，火电占比达77%以上，“高碳”占绝对的统治地位。尽管太阳能、风能等可再生能源在大力发展中，但一时都很难充当主角。因此，我国能源结构以煤炭为主的局面在短时间内还难以改变。而传统的煤炭开采、运输、使用方式均会排放大量的温室气体，并引发一系列的环境问题。如何让煤的开采和使用变得干净、少污染，将煤炭资源低碳化利用成为当务之急。而发展煤炭地下气化是我国解决上述问题的最佳途径。
1 煤炭地下气化技术
1.1. 煤炭地下气化的基本概念：
煤炭地下气化（Underground Coal Gasification）就是向地下煤层中通入气化剂，将煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，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。它将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，将物理采煤转变为化学采煤，即把高分子固体煤转变为低分子结构的可燃气体，抛弃了全部庞大而笨重的采煤设备与地面气化设备，并大幅度减小了建井规模，具有安全好、污染少、投资小、成本低、效率高、见效快等优点[1]。
1.2 煤炭地下气化的基本原理：
煤炭地下气化的基本原理，与一般煤炭气化一样，是把煤炭的固体有机物通过热力和化学作用变为可燃气体，其区别在于地下气化过程主要是在地下气化炉的气化通道中实现的，如图1所示。该过程可在气化通道中形成以下三个区域[2]：
图 1 地下气化示意图
1、2 钻孔 ；3 水平通道；4 气化盘区；5 火焰工作面；6 崩落的岩石；
Ⅰ 燃烧区 Ⅱ 还原区 Ⅲ 干馏区 Ⅳ 干燥区
（1）由进气孔鼓入气化剂（有效成分是O2和水蒸气），并在进气侧点燃煤层，气化剂中的O2遇煤燃烧产生CO2，并释放大量的反应热，使还原区煤层处于炽热状态，当气流中O2浓度接近于零时，氧化区结束。
（2）在还原区CO2与炽热的C 还原成CO，H2O（g）与炽热的C 还原成CO、H2等，由于还原反应是吸热反应，使煤层和气流温度逐渐降低，当温度降低到不能再进行还原反应时，还原区结束。
（3）经过还原区的气流温度还相当高，对下流煤层进行加热使其热分解，而析出于馏煤气，此区域则称为干馏干燥区。
经过这三个反应区以后，生成了含可燃组分（主要是H2、CO、CH4）的煤气，气化反应区逐渐向出气口移动，因而保持了气化反应过程的不断进行。由此可见，可燃气体的产生主要来源于三个方面即水蒸气的分解，CO2的还原和煤的热解，这三个方面作用的程度，正比于反应区温度和反应比表面积，同时也决定了出口煤气的组分和热值[2]。
1.3 地下气化炉地下气化的物质基础：
地下气化炉地下气化的物质基础是地下气化炉，组成地下气化炉的四个要素是进气孔（通道）、排气孔（通道）、气化通道和气流通道。地下气化炉按施工方法可分为以下三种形式[3]：
（1）有井式：有井式是地下气化系统全部采用井工作业来进行构筑，鼓风系统、初步冷却、降尘系统也安置于井下峒室，进、排气孔是井筒，气化通道是人工掘进的煤巷。
（2）无井式：无井式就是地下气化炉的准备工程量全部采用在地面钻孔作业，供风、排气和净化系统也全部安置于地面气化站中，生产运行也全部在地面操作。其气化通道贯通方法有火力渗透法、电力贯通法、水压贯通法、气力贯通法、定向贯通法、原子能爆破法、化学液爆破法等。
（3）综合式：综合式就是地下气化炉的准备工程采用井工作业完成，地下气化的生产运行采用地面操作。
2 国内外煤炭地下气化的发展概况：
2.1 国外煤炭地下气化的发展：
（1）1868年,德国科学家威廉．西蒙斯首先提出了煤炭地下气化（UCG）的概念 （2）1888年,俄罗斯化学家门捷列夫提出了煤炭地下气化的基本工艺
（3）1907年,通过钻孔向点燃的煤层注入空气和蒸汽的UCG 技术在英国取得专利权
（4）1933年,苏联开始进行UCG现场实验。1942～1960年建成5个实验性气化站
（5）20世纪50年代，美、英、日、波、捷等国也都进行了UCG实验。70～80年代，美国、德国、比利时、英国、法国、波兰、捷克、日本等国都进行了实验
2.2 国外UCG技术的发展前景展望：
预测UCG技术发展的商业化前景是困难的，国外大多数专家仍把它看作长期的目标。关键在于何时解决技术上的问题，以及何时能同煤气天热起竞争。政府的政策也是一个重要因素，因此，各国面临的情况也不同。欧盟地下气化工作组1999年的工作报告认为：若能解决现技术上的问题且经济上可行，UCG技术有望在10～15年内实现商业化。
2.3 国内煤炭地下气化的发展：
我国于50年代末，在安徽、山东、河南、黑龙江等省进行了煤炭地下气化的实验，取得了一定的成绩和经验。1984年，中国矿大余力教授总结了国内外煤炭地下气化的经验，结合我国煤炭的开采状况，提出了井综合式《长通道、大断面、两阶段》地下气化新工艺。该工艺1987年被列为“八五”国家科技公关项目；1994年通过了煤炭部的技术成果鉴定。 目前国内UCG技术存在的问题：（1）气源稳定性差。即煤气产量、煤气组分、煤气热量难以实现长期连续稳定的供给。（2）缺乏对有害物质的检测和环境效益的评价。（3）大量低热值空气煤气放空增加了二氧化碳的排放，于国家可持续发展的方针政策相悖。（4）现有的UCG技术，无论哪种技术模式都不成熟，还需要进一步改善和发展，要达到产业化生产要求，还需攻克一些关键技术。（5）距产业化开发还有一定距离。（6）缺乏多学科协作公关
3 今后地下气化技术发展建议
（1）目前我国的地下气化技术仍处于工业试验阶段，有很多问题需要去研究和探索。因此国家和有关部门应给予大力支持，制定相应的政策，提供一定的措施和资金，推动这方面的研究工作。并应组织协调，做好攻关工作，以期在较短的时间内，使地下气化技术真正 用于生产和应用。（2）煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。当前为了寻找煤炭的新出路，加强煤炭 综合利用的研究，很多企业都看好煤炭地下气化技术，但应在开展项目之前要落实用户，否则将得不到应有的效果。（3）提高热值和生产适合于用户的气体组分是气化技术的关键。目前地下气化生产的空气煤气热值偏低，因此使应用范围受到限制。为了提高煤气热值和稳定气体组分，在过去的试验中采用生产半水煤气、水煤气和富氧煤气等工艺，但目前这些工艺在技术装备上，尚需要进一步开展研究。（4)对地下气化炉燃烧和运行进行有效的控制，是煤炭地下气化稳定产气和得到相对稳定的气体组分的保证手段。目前控制系统仍然比较简单，研究单位应进一步开展攻关，为地下气化炉建立起1套行之有效的测控系统，并应重点放在燃烧位置和燃烧速度的控制技术上,其中可靠的传感元器件是很重要的。(5)地下气化炉和地面设施的安全技术是搞好地下气化的保障。要采取充分和必要的措施，防止泄漏。还应做好防爆和防火工作，并制定严格的规程，确保安全产气(6)开展燃烧后地下气化炉体结构变化及地面沉降状况的研究，适时解剖1～2台气化炉，了解燃烧后炉体内的状况和地面的塌陷规律，这对于提高对煤炭地下气化技术认识，修 改炉型设计和改进运行规律的控制将起到很大作用。
(7)建立煤炭地下气化试验研究基地，选择1～2个有代表性的煤种(烟煤、无烟煤等)，煤层(厚度、倾角等)和用户(民用燃料、发电、化工原料)作为试验基地，开展多项技术攻关与研究，在成功的基础上进行推广应用。
我国能源结构以煤炭为主，这在较短时间内还难以改变，因此，在发展低碳能源的同时，大力推进煤炭资源的低碳化利用尤其重要。煤炭地下气化不仅可以提高矿井的采出率，而且可以高效洁净地利用煤炭资源，在煤炭的开采、运输及利用过程中均可实现低碳化甚至无碳化，是一种理想的低碳能源技术。此外，地下气化开采煤炭资源具有良好的经济效益和社会效益，发展煤炭地下气化的意义深远。
参考文献
[1] 余 力. 煤炭地下气化学术论文选集[C]. 北京：中国矿业大学出版社，2003：1-2.
[2] 沈 芳，梁新星，毛伟志，等. 中国煤炭地下气化的近期研究与发展[J]. 能源工程，2008，（1）：5-10.