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文|焉子看世界
编辑|焉子看世界
前言
煤炭地下气化 (UCG) 已成为一种很有前途的技术，能够从太深或不经济而无法使用传统方法开采的煤炭储量中提取能源。UCG 涉及通过点燃地下煤层将煤炭原位转化为有价值的合成气。
在地下气化领域，了解灰床内气体传质和反应的复杂性至关重要。灰床是煤炭地下气化的副产品，由矿物残渣和未燃烧的碳组成。这些床对于地下气化过程的效率和安全性起着至关重要的作用。研究这些灰床内的气体传质和反应具有重要意义，因为它直接影响合成气的组成、热量产生和环境影响。
煤炭地下气化是怎样的一种方式呢？而灰床又有什么化学反应呢？
煤炭地下气化
地下煤气化 (UCG) 是一种革命性的方法，可以从对于传统采矿方法来说太深、难以接近或不经济的煤矿中提取能源。该过程涉及通过受控燃烧反应将煤原位转化为有价值的合成气（syngas）。与需要开挖煤层的传统采矿不同，煤炭地下气化在地表以下作业，无需进行破坏性和环境破坏的露天采矿活动。
UCG 需要在煤层中钻孔，然后注入氧气和蒸汽或空气。煤进行部分燃烧，产生合成气，合成气是氢气、一氧化碳、甲烷和其他微量气体的混合物。该合成气随后可用于发电、燃料生产或化学合成。
与传统煤炭开采方法相比，地下煤气开采具有多种优势。首先，它利用了由于地质复杂性或与采矿相关的安全问题而尚未开发的煤炭储量。其次，煤炭地下气化通过捕获和利用传统采矿过程中会释放到大气中的甲烷来减少温室气体排放。最后，其地下运营最大限度地减少了土地干扰并减少了地表影响，
在整个地下煤气化过程中，由于不完全燃烧和煤中存在的矿物质含量，煤层内会形成灰床。该灰床在整个气化过程中起着至关重要的作用。它充当多孔介质，促进合成气的流动，并有助于调节地下室内的温度和压力。
此外，灰床有助于保留挥发性气体，从而延长停留时间，从而进一步促进气化反应。然而，灰床的成分和物理性质可能会因煤类型、温度、压力和矿物质的存在等因素而有很大差异。
尽管 UCG 前景广阔，但它也面临着挑战。主要挑战之一是灰床的管理。灰床的组成和特性直接影响气化效率和合成气质量。如果灰床变得过于致密或压实，它会阻碍合成气的流动并导致气化率降低。相反，过度多孔的灰床可能无法充分保留挥发性气体，导致合成气产率较低。
另一个关键挑战是灰床不稳定和沉降的可能性。当煤气化时，灰床的体积和结构会发生变化，这可能导致地面沉降。这带来了重大的安全风险，包括地面不稳定、表面变形和潜在的水污染。管理沉降并确保周围地质构造的稳定性需要全面的工程和监测策略。
污染物管理是煤炭地下气化运营中的另一个挑战。灰床可以捕获重金属和灰颗粒等污染物，如果释放到地下水或周围土壤中，可能会对环境产生不利影响。开发有效的方法来捕获和管理这些污染物对于防止环境危害至关重要。
灰床中的气体传质
地下煤气化 (UCG) 灰床内的气体传质是一个关键现象，它显着影响 UCG 过程的效率和有效性。灰床是由煤气化副产品形成的多孔且可渗透的层，充当气体移动和反应的介质。
灰床内气体的传质决定了化学反应的速率、产生的合成气的成分以及整体工艺性能。了解和优化这种气体传质过程对于提高合成气质量、最大限度地提高能源产量和最大限度地减少环境影响至关重要。
UCG灰床中的气体传质受到几个关键因素的控制，每个因素在影响过程的速率和效率方面都发挥着关键作用：
灰床的孔隙率和渗透性是决定灰床储存和传输气体能力的基本特征。孔隙率是指灰床中空隙空间的分数，而渗透性表示其允许气体流过的能力。更高的孔隙率和渗透率有利于更大的气体储存和运动，从而提高传质速率。然而，过高的孔隙率可能导致气体保留效率低下，影响所需化学反应所需的停留时间。
灰床内气体的成分和不同气体之间的浓度梯度显着影响传质。不同浓度的气体倾向于从浓度较高的区域移动到浓度较低的区域。在煤炭地下气化中，氧气和蒸汽等气体被注入煤层，并通过化学反应产生合成气。注入气体、产生的合成气和其他副产物之间的浓度梯度决定了传质反应的方向和速度。
温度和压力对气体行为和传质速率产生深远的影响。升高的温度通常会增加分子的动能，从而增强其流动性和反应性。此外，温度变化会驱动热梯度，影响气体运动并影响化学反应速率。另一方面，压力影响气体的密度和可压缩性，从而影响它们在多孔灰床内的扩散速率。
数学模型在理解和预测 UCG 灰床中气体传质方面发挥着关键作用。这些模型使研究人员和工程师能够模拟气体、多孔灰床和正在发生的化学反应之间的复杂相互作用。已经开发了各种模型来表示灰床中的气体传质，每个模型都侧重于该现象的特定方面。
一维扩散模型：这些模型将灰床简化为一维切片，并将扩散视为传质的主要机制。它们可以深入了解床内气体的浓度分布以及气体通过床所需的时间。
两相流模型：这些模型考虑了毛细管作用、润湿性和相对渗透率等因素，考虑了灰床内气体和液体的同时流动。当灰床同时含有气体和液体时，它们尤其重要。
计算流体动力学 (CFD) 模型： CFD 模拟使用数值方法来求解流体流动和质量传递的控制方程。它们提供了对灰床内复杂流体动力学的详细见解，捕获湍流、传热和物质传输等因素。
反应传输模型：这些模型通过结合灰床内发生的化学反应超越了传质。考虑到反应动力学和热力学等因素，它们提供了气体成分如何随着反应的进展而演变的全面视图。
灰床中的化学反应
地下煤气化 (UCG) 灰床内的化学反应是合成气生产过程的核心。当煤就地气化时，多孔灰床内会发生各种反应，将煤和其他含碳材料转化为由氢气、一氧化碳和甲烷组成的有价值的合成气。这些反应复杂且动态，理解它们对于优化煤炭地下气化操作和合成气质量至关重要。
在煤炭地下气化中，并非煤中的所有碳都在过程的初始阶段气化。部分燃烧后，一些残余碳残留在灰床内。这些残留的碳可以与注入气体中存在的氧气发生燃烧反应。这些燃烧反应产生的热量有助于 UCG 过程的整体能量平衡。
UCG灰床中的关键反应之一是焦炭和其他含碳材料的蒸汽气化。将蒸汽注入煤层与剩余的碳发生反应，产生氢气和一氧化碳。这种气化反应是吸热反应，这意味着它需要热量才能进行。因此，它在调节地下气化过程的温度和影响整体能源效率方面发挥着至关重要的作用。
合成气的形成涉及一系列复杂的反应，将煤和其他碳质材料转化为富氢气体。甲烷、氢气、一氧化碳和其他微量气体通过水煤气变换、布杜反应和甲烷形成反应等化学反应产生。这些反应取决于温度、压力和气体成分等因素，所有这些因素都会影响各种气体的平衡浓度。
UCG灰床内化学反应的动力学受到几个关键因素的影响，包括温度、压力和气体成分。了解这些因素的相互作用对于控制 UCG 过程中的反应速率和效率至关重要。
温度对反应动力学有着深远的影响。一般来说，由于分子能量和碰撞频率增加，反应在较高温度下进行得更快。在地下气化中，较高的温度可以增强蒸汽气化反应，促进碳质材料转化为合成气成分。然而，过高的温度也会导致合成气组分发生不需要的副反应或热降解。
压力通过改变气体浓度和系统密度来影响反应动力学。升高的压力会影响反应平衡并改变产物分布。在 UCG 中，较高的压力可能会增加气体在液相中的溶解度，从而影响其反应的可用性。适当的压力管理对于维持所需的反应速率和实现最佳的合成气成分至关重要。
灰床中存在的气体成分直接影响反应动力学。不同的气体对于参与特定反应具有不同的亲和力。例如，蒸汽在气化反应中起着核心作用，而氧气则有助于燃烧反应。杂质或污染物的存在也会影响反应的选择性和效率。正确控制气体成分对于引导反应获得所需产品至关重要。
UCG灰床内的某些反应可能会受到催化剂或促进剂的存在的影响。这些物质可以通过提供具有较低活化能的替代反应途径来加速反应。催化剂可以提高蒸汽气化和合成气形成反应的效率，最终提高合成气质量和产量。
研究气体传质和反应的实验技术和研究方法
实验技术在揭示地下煤气化 (UCG) 灰床等系统内气体传质和反应的复杂性方面发挥着至关重要的作用。这些实验提供了对反应动力学、物质传递以及各种参数的影响的见解。采用多种实验装置在受控环境中研究这些现象，使研究人员能够操纵条件并收集有价值的数据。
实验室规模的反应器系统通常用于模拟 UCG 灰床内发生的气固反应。这些系统使研究人员能够控制温度、压力和气体成分等因素。固定床反应器、流化床反应器和活塞流反应器通常用于模拟与 UCG 工艺相关的条件。
TGA 是一种广泛用于研究气固反应的技术。它涉及使样品经历受控的温度变化，同时测量其重量随时间的变化。在 UCG 研究中，TGA 可以提供有关气化反应动力学和逸出气体成分的信息。
GC 用于分析气体浓度和成分随时间的变化。它将气体混合物分离成单独的成分，使研究人员能够量化不同气体的存在。气相色谱对于研究气体反应的进程至关重要，包括碳质材料向合成气组分的转化。
GC-MS结合了气相色谱仪的分离能力和质谱仪的鉴定能力。该技术非常精确，即使在复杂的混合物中也可以识别单个气体种类。
FTIR 用于分析气体的红外吸收，从而提供有关其成分的信息。它可以识别分子中的官能团并检测气体浓度的变化。
气体传感器和探头，例如电化学传感器或光学传感器，可以实时监测特定气体种类。这些传感器可以直接放置在实验装置内，以跟踪反应过程中气体浓度的变化。
最近的一项研究项目揭示了 UCG 灰床反应的实验研究。该研究的重点是研究灰床中残留碳的蒸汽气化以产生合成气成分。研究人员利用实验室规模的流化床反应器来模拟地下气化条件。来自煤气化残渣的灰床样品经历了不同的温度和蒸汽浓度。
采用气相色谱法监测气体成分的变化。随着温度升高，蒸汽气化反应速率加快，导致逸出气体中氢气和一氧化碳浓度升高。研究人员还利用 TGA 来测量灰床与蒸汽反应时的重量变化。重量损失与气化程度相关，验证了反应动力学。
尾声
对地下煤炭气化（UCG）灰床内气体传质和反应的探索已成为可持续能源生产进步的基石。通过深入了解控制煤炭地下气化过程的因素之间错综复杂的相互作用，我们释放了利用煤炭储量同时减轻环境影响的潜力。
化学、工程和环境因素的协同作用强调了这项研究的重要性，当我们站在能源变革时代的门槛时，必须发出响亮的行动呼吁。UCG 研究的旅程还远未结束。
研究人员、工程师和政策制定者之间的持续合作对于完善现有知识和开发创新解决方案以克服挑战至关重要。通过培养跨学科合作伙伴关系、分享见解和拥抱技术进步，我们可以共同推动 UCG 技术达到新的高度。
参考文献：
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我国煤炭应急保障现状与发展对策 杨春娟; 赵星星 中国煤炭 2023
我国煤炭行业发展方式变革方向与路径研究 郑德志; 任世华; 秦容军; 张亚宁; 焦小淼 中国煤炭 2023
