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創新點
（1）透過對比不同設計引數下的煤炭地下氣化模擬實驗結果，分析了不同氣化通道型別及氣化劑引數對氣化過程的影響。
（2）採用分層位溫度監測法，繪製溫度雲圖並計算氣化腔發育速率，對氣化區域進行更加直觀的描述。
（3）初步提出了一種基於化學計量理論的煤炭地下氣化過程能量回收評價方法並驗證了其有效性。
煤炭地下氣化燃空區發育及能量回收評價
作者：蘇發強1,2,3，荊士傑1，高喜才2，浦 海3，範偉濤1，於光磊1，武俊博1，鄧啟超1，張 濤1
單位：1. 河南理工大學 能源科學與工程學院；2.西安科技大學 西部煤炭綠色開發國家重點實驗室；3.深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室
背 景
煤炭地下氣化是一種新型、綠色、低碳、環保的開採方式，其工藝流程是從地面向煤層鑽井，在煤層中構建氣化通道，透過注氣井向煤層注入氣化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）使煤層進行有控制的燃燒，經歷煤的氧化、還原等一系列氣化反應過程生成氣化煤氣透過生產井排出地表。煤炭地下氣化過程中燃空區的形成及衍化是一個動態過程，是氣化通道隨著燃燒以及氧化不斷膨脹，並伴隨大量裂隙的產生及不斷擴充套件垮落的結果。若冒落空間過大，可能引起氣化區域上方岩層過度破壞（過量移動、開裂甚至地表沉陷），氣化區周邊的裂隙也有可能貫通地表或地下水源，從而導致氣體洩漏、汙染環境等危害並影響地下氣化的正常進行。並且，在研究中由於地下氣化系統以及實驗方式的差異也會導致不同的氣化結果，對差異化規律的研究也是研究氣化過程中十分重要的課題。同時對氣化燃空區的拓展衍化和整個氣化過程的能量回收評估，對於實現高效的煤炭地下氣化具有十分重要的意義。
摘 要
氣化燃空區的發育狀況監測以及能量回收的評價對於實現高效的煤炭地下氣化（UCG）以及氣化過程的精確監測與控制十分重要。在人工煤層構建2種不同型別的氣化通道模型（連結孔模型/同軸孔模型），依次進行3次大型UCG模擬實驗，透過分層位溫度監測法觀察氣化過程中燃燒帶和燃空區的發育衍化，研究了不同的氣化劑組成（O2，CO2，H2O等）、配比、流速等實驗操作引數作用下對生成氣化產物中煤氣成分及熱值的影響，同時建立了基於化學計量理論的能量回收評價方法，並評估整個地下氣化過程的氣化效率、煤炭消耗量與煤產氣量等。
研究結果表明：分層位溫度監測能反映氣化過程中燃燒帶以及燃空區的發育情況；氣化區域的衍化範圍以及衍化速率與氣化通道的型別密切相關，2次連結孔模型實驗所得的衍化範圍與速率的結果均為同軸孔模型實驗的2倍以上。
地下氣化過程中的高溫環境更有利於氣化過程的持續進行，在高溫條件下生成煤氣中可燃氣體的組分比例增高；煤炭的消耗量以及能量回收率與採用的氣化通道型別也密切相關，連結孔模型實驗生成的氣化燃氣相對同軸孔模型熱值較高，並且連結孔模型實驗的能量回收率也高於同軸孔模型實驗。
圖 片
生產孔結構示意
地下氣化實驗系統示意
氣化爐垂直剖面
3次實驗中氧氣體積分數與氣體流速
熱電偶部署方式
3次實驗氣化過程中的溫度曲線
3次實驗氣化過程中的高溫區域衍化
3次實驗中氣化區域衍化範圍與速率
3次實驗中氣體成分曲線
作者簡介
蘇發強，男，1984年6月生，河南焦作人，博士/博士後，副教授，青年骨幹教師，就職於河南理工大學能源學院採礦工程系。2013年畢業於日本國立室蘭工業大學，2016年底取得日本大學院助理教授職位，並於日本工學院（北海道）兼任講師，2017年4月回國。至今發表學術論文60餘篇，30萬字英文獨著1部，其中SCI/EI 檢索20多篇，日本能源類權威期刊2篇，申請及授權國際和國家專利十餘項。現為能源類國際期刊OA JOURNAL ENERGIES編委，獲日本MMIJ（The Mining and MaterialsProcessing Institute of Japan）頒發的最佳論文賞，2016年3月受邀在日本東京大學工學部做特邀報告。參與完成日本文部科學省國家基礎專案兩項。獲中國安全科技進步獎“一等獎”1項，中國煤炭工業協會科技“二等獎” 1項，中國煤炭工業協會科技“三等獎” 1項，綠色礦山科學技術“二等獎” 2項。
研究方向
煤炭地下氣化、礦山壓力及岩層控制、礦山動力災害
主要成果
主要從事與煤炭地下氣化、高精度微震監測、礦山壓力與岩層控制等相關的研究工作，取得多項創新性成果。雙碳目標下我國天然氣近中期消費將持續增長，中深層煤炭地下氣化有望成為國內天然氣供給的重要接替領域之一，目前正與中石化、中石油等大型石油天然氣企業合作進行和深部煤層地下氣化相關的技術開發工作。設計研發了“同軸型煤炭地下氣化試驗模擬裝置”、“氣化區點熱源鐳射點火系統”和“基於法相載入的深部煤炭地下氣化大型三維模擬試驗系統”等；創立了“煤炭地下氣化的化學計量回收評價理論”，使用化學計量法和基於過氧平衡原則評估整個氣化過程的能量回收，包括氣化煤氣速率、氣體量、發熱量、氣化煤量和氣化空間體積等；基於MS/AE實時監測資料，結合矩張量分析、狄羅妮三角剖分及體素分析等評價煤炭地下氣化區煤巖體的破壞活動，並對氣化區破壞發育及時空演化的整個過程視覺化。本研究對於實現深部煤炭資源綠色開採和地下氣化技術的安全應用具有一定學術意義和實用價值。
來源：
蘇發強，荊士傑，高喜才，等. 煤炭地下氣化燃空區發育及能量回收評價[J]． 煤炭學報，2021，46（11）：3682-3691．
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