作者：克里夫·马利特（Cliff Mallett） 地下煤气化协会（Underground Coal Gasification Association）主席/ 碳能源公司技术总监

化石燃料无疑仍是全球最主要的能源来源。过去300年间，化石燃料支撑了工业的增长和人类生活水平的提高。然而，要寻求一种低碳并且环保的方式来继续利用化石燃料已成为全球首要挑战。

地下煤气化（Underground Coal Gasification，UCG）技术或许是一种可以有效管理碳排放和减轻其他环境影响的能源生产方式。通过气化煤炭，并将合成气产品转变为氢气（H2）和可以安全封存的二氧化碳（CO2），能够成功实现脱碳。

关于煤炭气化的研究已经开展了一个多世纪。在19世纪末和20 世纪初，英国许多城市建设了小型的煤制气作坊，用开采的煤炭生产煤气（Coal Gas，即合成气）。煤气通过管道输送给家庭和企业。煤气，又称民用燃气（Town Gas），如今统称为合成气（Syngas），是一种混合的可燃气体，含有氢气（H2）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）等。

地下煤气化技术的发展，归功于世界各地科研与创新人员的研究。根据记录显示，地下煤气化的概念最早由威廉·西门子（William Siemens）于19 世纪后期提出。他与兄弟一起发明了第一座煤气化炉，并建议将其置于地下。

1910 年，地下煤气化技术出现了重要进展。一位美国工程师发明了与现代地下煤气化非常接近的技术，并获得专利。1912 年，英国化学家威廉·拉姆齐（William Ramsay）提议将地下煤气化作为一种避免燃煤污染物排放的技术方案，因为当时煤炭燃烧造成了城市大气污染。他认为，这种煤基合成气将成为未来的重要能源。

正当拉姆齐准备进行地下煤气化技术示范时，第一次世界大战的爆发打断了他的计划。此后，直到20 世纪30 年代，苏联开始大量开展地下煤气化实验，全世界对此的兴趣才被重新燃起。然而，20 世纪60 年代，苏联发现了大型的天然气与石油资源，地下煤气化的实验规模因而被大幅缩减。近年来，研究又重新呈现增长势头，包括中国、美国、加拿大、阿根廷和智利等国都在着手开展地下煤气化示范项目。

UCG: 在地下煤层提取能源

大多数煤基能源提取能量都是利用其中的碳与氧气（O2）反应，从而产生二氧化碳（CO2），并以热的形式释放出能量。倘若增加反应过程中的O2 含量，那么燃烧过程会更加充分，几乎所有的碳都会转化成CO2。当煤炭在氧气不足的环境中气化时，一部分煤炭转化成热和CO2，这部分热会促使其余的煤炭转化为合成气。地下煤气化过程产生的合成气蕴含的能量是煤炭原有能量的80％。

要在地下气化煤炭，需要先向地下煤层钻孔，然后将O2 或者空气通过钻孔注入到煤层中，通过点火井点火后，煤炭开始气化，并在转化成合成气过程中逐渐形成反应腔，产生的合成气通过另一个钻孔（即生产井）提取出来。许多地下气化炉的设计已经经过示范验证，最新的设计来自澳大利亚的碳能源公司，公司的一个示范项目已经持续生产高质量合成气达20 个月以上。由此证实，单一煤炭气化面可持续气化的时间能维持10 年。

UCG 进展

在地下气化煤炭的主要原因是其能源生产成本较低。地下煤气化技术生产合成气的成本为1 ～ 3 美元/GJ，具体成本取决于煤炭赋存条件和使用空气还是氧气作氧化剂。此外，UCG 还具有以下优势：

（1）地下煤气化适用于大范围的深层煤炭开采，通常这部分煤质较差，不适于传统方式开采（传统方式开采的煤层通常在地下1000 米以内）。这些埋藏较深的不可开采煤炭资源储量预计等于甚至超过当前全球可采煤炭资源总量，因此，地下煤气化技术很可能改变全球能源供应格局。
（2）煤炭将能量以合成气的形式生产出来，运用现有的处理方式很容易对其进行净化，且便于通过管道运输。
（3）合成气具有多种用途，可用作电厂燃气轮机的燃料用于发电，或作为生产化肥、柴油、汽油或烯烃和塑料等甲醇衍生化合物的原料。合成气也可被进一步加工，转化为天然气。
（4）与煤层甲烷提取方式相比，同一煤层通过地下煤气化技术生产出来的能量要高60 倍。
（5）地下煤气化对地表环境影响很小，并且能在最大程度上减少废弃物排放，因此整体环境影响较小。
（6）可以避免煤矿工人在地下作业出现的健康与安全问题。

UCG 安全可控

20 世纪初期，有关地下煤气化的试验积累了许多宝贵经验，使得研究人员与技术供应者可以提高地下煤气化技术的效率，降低对环境的影响。关于地下煤气化技术的焦点问题是能否避免影响地下水的质量。现代地下煤气化技术进行了许多改进，确保将消除潜在污染作为气化过程与关闭过程的一部分重要内容，同时监控并调整运营压力以保护地下水。

从早期试验与之后的研究中演变而来的一个特殊关注点是“洁净反应腔（Clean Cavern）”的概念。这是指气化炉通过运营阶段与随后的关闭过程（关闭过程中，气化炉会持续产生蒸汽，输出至地表）产生的蒸汽可以进行自我净化。另一个重要实践是确保气化炉中气体的压力总是低于气化反应腔周围地下水的压力。这样，地下水可以持续不断地流入气化反应腔，含有潜在化学物质的液体就不会进入周围岩层。气化反应腔的压力由运营者通过地面压力阀进行控制。

此外，在煤层气化过程中反应腔的高温可以消除许多潜在有害的有机副产物。气化炉运营停止时，气化反应腔中的地下水压力被降至接近大气压水平（远低于反应腔周围压力），以增加流入反应腔的地下水量，利用反应腔的余热，生成水蒸气。反应腔中的副产物中有相当大一部分以蒸汽形式通过生产井被带至地表燃烧掉。这一方法目前已成功运用于美国、西班牙、澳大利亚和南非的示范项目。

历史上与地下煤气化相关的另一个关注焦点是了解与预测地表沉陷的能力。地下煤气化过程会在地下造成比传统煤炭开采的采空区小一些的反应腔，由于与传统煤炭开采方式造成的采空区类似，因此反应腔的空洞也容易理解，因而可以通过现代计算机三维模拟建模准确预测出来是否会造成地表塌陷。与传统地下采煤类似，地表沉陷在地下煤气化运营开始前就能预测出来，如果预测该处会发生地表沉陷且会在很大程度上影响当前或将来地表土地的利用或地面基础设施，那么就不会在该处继续开展地下煤气化项目。

2008 ～ 2014 年，澳大利亚昆士兰州政府对地下煤气化试点项目进行了最为严格的长期环境影响评估。州政府任命了一个独立科学专家组（ISP），用时4 年对地下煤气化试点项目运营进行评审，并在其提交的《关于地下煤气化试点试验的独立科学专家组报告》（2013 年6 月）中得出结论：“与现有的其他资源利用方式相比，地下煤气化技术原则上能够以社会接受的和保证环境安全的方式运营。”

昆士兰州的独立科学专家组进行评估时，地下煤气化试点项目的气化炉反应腔还没有关闭，也没有对地表土进行复垦。但在2014 年年底，独立科学专家组告知政府，碳能源公司已成功关闭其气化炉，并利用气化反应腔中的蒸汽对反应后的空洞进行清洁，不会产生任何环境与健康风险。地下水质量将快速自然地恢复到项目开展前的水平，不需要再进行主动修复措施。

UCG 技术要求

工业过程需要精确、可控的条件来达到最佳的安全运营状态，地下煤气化也不例外。地下煤气化项目在建设或运营前，需要通过勘探方式满足地下气化炉运营所需的一系列条件要求，例如，合理的选址非常重要，在项目开展建设前必须要满足特有的水文地质条件。

首先，气化煤层必须上覆有不可渗透岩层，气体的浮力促使其向上移动，因此，除非煤层受到页岩或粘土层等不透气岩层限制，否则产生的气体会消失。其次，由于煤层总是具有一些渗透性，气体可以沿着煤层横向移动，因此煤层周围的地下水压力必须高于气化炉的压力才能防止气体流出气化炉反应腔。在选址过程中还有一些其他要求，如保持足够的地下水压来促使气化过程发生，煤层要达到一定厚度来维持气化温度，要对上下含水层进行适当的分离。

现场试验与数学建模有助于开发合适的水文模型对水源供应风险进行预测。与地面沉陷模型一样，如果在勘探阶段预测到不利影响，地下煤气化项目将不会继续推进。

与其他资源生产行业类似，地下煤气化需要进行适当的开发前勘探与调查来确保当地水文地质条件适合该技术的应用。

UCG 是新兴技术

直到近几年，地下煤气化领域才开始陆续取得一些进展，此前进展很少。乌兹别克斯坦的一座商业化地下煤气化工厂已经运营了很多年，但有关运营或产品的具体资料一直没有公诸于众。而煤炭赋存丰富的发达国家选择运用传统的开采方式开采浅层的煤炭资源。此外，采用传统的地下煤气化方式很难获取持续生产的高质量合成气。

纵观世界历史上近百个地下煤气化项目，其发展面临的主要难题可以归纳如下：
（1）缺乏场址地质相关知识。
（2）钻探钻孔缺乏准确性。
（3）运营过程中气化参数制定不合理。
（4）缺少气化对地下反应腔周围环境影响的理解。

然而，近几年，地下煤气化技术方面的重大创新解决了此前面临的问题。这些进展有助于进行适当的选址调查和地下煤气化设计建模，也有助于对与产品气有关的参数和在勘探过程中除场地因素以外的环境影响问题进行识别。此外，地下煤气化运营商可以对地下气化过程进行实时控制。所有这些进步都有助于对地下煤气化反应的变化进行解释，同时做出适当的调整。

自2000 年以来，澳大利亚、中国和南非使用创新技术用于较长周期的地下煤气化试点项目，最终证实深煤层的气化成本较低且环保。这些试验结果进一步证实，地下煤气化面临的重大挑战已经得到解决。中国也将煤炭地下气化技术写入《能源发展“十二五”规划》中。

技术进步与创新使地下煤气化可能成为未来能源结构中的一项重要技术。然而，地下煤气化非技术领域的一些问题，如政府监管、社区理解与参与、项目融资等也需要不断改善。

鉴于地下煤气化生产合成气的成本可以远低于其他能源生产方式，加上环保特性，这对投资者来说是一个重要机遇，可以利用煤炭实现低排放发电、合成天然气以及其他燃料、煤化工产品生产等。

满足能源需求

当前，全球特别是亚洲和非洲等新兴经济体能源需求持续增长。与此同时，全球也面临降低能源生产成本与增加能源来源的压力，以及社会对降低能源相关的环境影响要求。

将石油开采与采矿技术结合使用，验证了商业规模的地下煤气化项目可以安全生产并持续供应高质量合成气。近期，地下煤气化领域又取得了进步与创新，几个新的商业地下煤气化项目即将开工。一旦第一个商业化项目取得成功，相信后续将有大量项目跟上，届时地下煤气化产业将成为全球能源生产的重要部分。