煤炭地下氣化碳減排技術研究進展與未來探索

秦 勇 ， 易同生 ， 周永鋒 ， 楊 磊 ， 王 軍

(1.中國礦業大學, 江蘇 徐州 221116；2.貴州省煤田地質局, 貴州 貴陽 550025)

化石能源利用是人類活動主要碳排放源，我國2021 年煤炭利用碳排放占化石能源消費排放量的70%以上[1]。我國能源資源稟賦及能源結構以煤為主，單純依靠去煤來實現碳中和不切實際，必須突破顛覆性技術，在未來碳中和能源體系中實現煤炭工業持續發展[2]。煤源碳排放來自兩大環節：一是煤炭開采、運輸和堆放過程，碳排放主要源自煤中瓦斯，以CH4為主[3]；二是煤炭轉化利用過程，如煤炭燃燒[4]和煤化工[5]，這是涉煤CO2排放的最重要環節。煤炭地下氣化(UCG)作為集建井、采礦、轉化“三位”為一體的變革性煤炭開采技術[6]，促進能源消費結構從以煤為主轉變為以燃氣為主[7]。UCG 工藝具有約束煤炭開發與轉化利用全過程碳排放的聯動功能，本質上是一種潔凈煤技術[8-9]；該工藝提供了一種高碳能源“碳約束”利用方式[10]，被認為是煤源CO2減排的可能解決方案[11-15]。

21 世紀以來，國內外就UCG 工藝技術的CO2減排原理、策略和途徑開展了大量研究[16-18]，早期研究聚焦在CO2捕集與封存(CCS)，后來發展為捕集、利用與封存(CCUS)并重，整個研究歷程中均在尋找通過UCG 工藝技術調控來減少CO2產物的可能途徑，相關研究成果奠定了UCG 減排工藝技術未來發展的重要基礎?；仡橴CG 減排研究現狀和進展，評述UCG 減排策略和途徑，討論UCG 減排科技瓶頸和探索方向，有助于推進UCG 減排科學技術探索向縱深發展。

1 UCG 碳減排基本原理與策略

UCG 是地下人工高溫、壓力條件與煤炭不完全燃燒耦合作用的過程。煤作為碳密度最高的沉積有機質，燃燒體現為劇烈氧化反應，會比其他等能量當量化石燃料的常規轉化利用過程釋放出更多的碳氧化合物，特別是溫室氣體CO2。為此，UCG 過程與煤的其他轉化利用過程一樣，釋放CO2不可避免，UCG生成的CO2(UCG-CO2)減排必須依賴人工干預。另一方面，相對于煤炭其他開采和利用方式，UCG 的煤炭資源與CO2潛在封存地點高度一致[19]，合成氣生產和利用過程中產生的CO2排放明顯減少[11,20]，UCG產品氣作為燃料對大氣的污染比傳統煤炭燃燒要少得多[21]，即UCG 工藝本質上是一種清潔煤技術[8]?？偨Y研究歷史，國內外迄今提出過3 類UCG-CO2減排策略，分別為地下空間封存、資源化利用和氣化過程調控減碳，根據基本原理可歸納為物理/物理化學封碳、化學減碳2 個方面，耦合構成了5 種具體的減排途徑(表1)。其中，CO2轉化利用最為經濟實用且有持續發展潛力，根據化學反應類型和目標產物的不同分為CO2還原、CO2氫化、CO2脫氧、CO2礦化4 類具體減排技術。

表1 UCG 碳減排基本原理與基本策略Table 1 Basic principles and strategies for UCG carbon emission reduction

UCG 地下空間碳封存包括氣態封存和固態封存2 類具體途徑，儲集空間為UCG 燃空腔、爐腔圍巖孔隙－裂隙系統及燃燒殘渣孔隙等。氣態封存通過地面處理裝置捕集和分離UCG 過程中產生的CO2，然后將其回注到UCG 地下空間以超臨界狀態儲集和封存[17,22]。英國研究者早期認為，在深度超過800 m(實現超臨界狀態 CO2封存所需的壓力)的UCG 人工高滲透性區域儲存 CO2極有吸引力，將CO2注入 UCG地下空間比注入深部鹽水層更為容易[22-23]。氣態CO2在UCG 地下空間的封存依靠非/低滲透性地層的壓力封閉，其中燃燒殘渣和煤焦對CO2的吸附效應與范德華力有關，故氣態封存不僅依賴于物理作用，也具有物理化學封存效應，原理上與傳統的深部煤層CCS 沒有實質性差異。固態封存是將UCG-CO2回注到地下空間進行礦化，生成的含碳礦物沉淀封存在UCG 地下空間[24-27]。礦化封存的儲集空間仍為物理空間，但礦化固碳過程則屬于化學封存范疇。

CO2是一種用途極其廣泛的資源[28]，針對UCG特點對CO2進行資源化利用是能源企業更易主動接受的碳減排途徑。實際上，CO2已廣泛應用于油氣開采，如CO2驅油提高采收率(CO2-EOR)[29]、注CO2增產煤層氣(CO2-ECBM)[30]等，這些利用過程同樣兼具CCS 的功能；在利用CO2制備材料和原料方面也開展了諸多探討和實踐，如CO2加氫制備高附加值化學品和燃料[31-32]等。針對UCG 過程產生的CO2，研究者提出了將CO2作為氣化劑或調節劑回注到UCG 爐內參與氣化反應的初步設想(CO2-UCG)[23,25]，認為該設想可能兼具減排CO2和改善UCG 生產的雙重功效，并且CO2在UCG 運行過程中可以循環利用，使得CO2排放量大為降低[20]。這一設想的基本原理在于CO2與白熾碳在UCG 爐內溫度、壓力及催化劑耦合作用下的各種反應，如回注的CO2被半焦中碳元素還原生成CO，CO 在水蒸氣氛圍中經水煤氣變換反應又生成H2和CO2[32]。

客觀而言，無論CCS、CCU 還是傳統的CCUS，對于碳減排來說都是“治標不治本”，屬于成本高昂的“被動式”減排。顯然，“治本”需從源頭著手，通過UCG 原位(地下)調控來主動改變合成氣組分，減少CO2產物，筆者稱之為“碳調減(Carbon Regulation and Reduction)”，縮寫為CRR(表1)。通過對供風方式和注入劑配方的調控，一方面減少合成氣中CO2體積分數或約束含碳氣體體積分數，提高有效組分乃至無碳有效組分體積分數，如H2、CH4和CO；另一方面，爐內生成的過量CO2可以替代氣化劑，減少CO2注入量，具有CO2利用和減排的直接經濟效益；同時，合成氣中CO2通過捕集和富集，可以再次作為氣化劑回注到UCG 爐。如果煤質一定，UCG 合成氣組分和品質主要取決于爐內反應溫度、壓力和氣化劑種類及其供給方式。然而，直接控制爐內溫度十分困難，常用的合成氣品質調控措施是供風方式與氣化劑配方的交叉結合[33]。

地球存在4 類碳庫：一是封存于巖石圈中的黑碳，主要以碳酸鹽礦物形式存在；二是在大氣中以CO2形式存在的灰碳；三是存在于海洋水體的藍碳；四是陸地生態系統中的綠碳[34]。人類活動排放的溫室氣體，如CO2，也稱為褐碳[35]?；姨己秃谔际荂O2的2 種應用屬性[36]。地球生物圈面臨的“碳危機”在本質上是人類活動改變了自然界碳循環格局，動員與釋放黑碳，導致灰碳或褐碳濃度增加。CRR 通過抑制煤中黑碳的釋放直接降低碳排放，主動實現灰碳或褐碳減排，可能取得經濟/社會效益“雙贏”的可持續減排效果；CCS/CCU 或CCUS 則是在黑碳釋放后被迫減排，社會效益較好，但必須被動承擔減排成本。因而，從可持續發展視角來看，CRR 顯然在各類UCG 減排策略中更具探索價值；CCS/CCU 或CCUS 則是當前UCGCO2專用技術尚未成熟局面下的“無奈之舉”，且該類技術在常規封存、原材料制備及油氣增產中均有應用實例[37]，可供近期UCG 減排實踐借鑒。

2 UCG 碳減排途徑探索

合成氣一旦從UCG 爐中生產出來，利用分離富集的CO2在地面制備燃料、原料及材料的原理和技術方法與地面煤化工或油氣化工無異，不再贅述。下面，針對表1 所列的其他4 類UCG 減排措施，評述國內外關于UCG-CO2地下空間氣態封存、礦化封存與利用、作為氣化劑回注增產、合成氣組分原位調控的研究進展，為UCG 減排工藝技術發展提供綜合參考。

2.1 UCG-CO2 地下空間氣態封存

將人類活動產生的CO2以物理態封存在地下空間，是最原始和最樸素的碳減排策略，UCG 減排同樣如此。TAKYI 等[18]近期綜述UCG 低碳排放研究及技術發展現狀，認為UCG-CCS/CCU 是一種具有經濟效益的減排技術，封存可滿足防泄漏最低標準，深部UCG 空間可實現CO2永久封存，封存地質載體可以是本煤層、覆巖及UCG 燃空腔，1 500 m 以深UCG產生的所有CO2都可回收封存。以此為基礎，凈化后的UCG 合成氣可用于聯合循環燃氣輪機發電或燃料電池，合成氣以氫氣為主時可實現零排放，以氫氣和甲烷為主時為近零排放[38]?；仡櫻芯繗v史，UCGCO2地下空間氣態封存探索內容集中在封存介質、封存空間、封存能力、評估方法等方面，少數研究討論了封存機制。

2010 年，紐卡斯爾大學RODDY 等[22]提出在深度超過700～800 m 的UCG 高滲透性區封存CO2的設想，指出UCG 過程擾動所留下的地下高滲透性區域壓力較低，上覆非滲透性巖層可將該區域與地表隔離，從而可以在同一地點兼顧煤炭能源回收和CO2封存；粗略估計認為，在800 m 深處封存容量可達被氣化煤炭占用體積的4～5 倍，覆巖滲透性裂隙可增大存儲容量，實際存儲容量取決于地層壓縮性，需通過實驗或詳細建模加以確定。隨后，不同研究者表達了類似觀點[17,39-41]，認為要使CO2保持超臨界狀態，封存深度至少大于800 m[42]；1 000 m 深度的單個UCG 燃空穴能夠儲存1 700～4 500 t CO2[43]，煤炭及其氣化殘渣對CO2的二次吸附將進一步提高儲存能力[44]。

2011 年，紐卡斯爾大學YOUNGER 首次從4 個方面系統分析論證了UCG-CO2地下空間氣態儲存的可行性[23]。一是儲存狀態，CO2只有在被充分壓縮至超臨界狀態時才能在地層中有效地封存[45]，這時它具有液體的密度但保留了氣體的可壓縮性。二是封存地質體滲透率，認為受擾動的UCG 燃空腔圍巖的滲透率比枯竭油氣藏及深部咸水層滲透率大1～3 個數量級，CO2可注入性強。三是封存地質體孔隙度，氣化過程在煤中每個碳原子上添加2 個氧原子以產生CO2，存儲超臨界CO2所需的孔隙體積比固體煤最初體積增大約4 倍，UCG 空腔本身不能提供足夠的儲存空間，但考慮燃空區覆巖拉伸變形區高度、巖石及裂縫孔隙度，相當于原始煤層厚度 20 倍的垂向空間就可容納UCG 產生的所有CO2。四是儲集體密封性，燃空區覆巖拉伸變形區上方形成的壓力拱可有效屏障CO2垂直運移，但拉伸變形區邊界斷層和UCG 鉆孔最有可能存在CO2泄露風險，必須重點關注和積極應對。

UCG 地下空間CO2氣態儲存介質主要為氣化煤層空間及氣化影響范圍內的地質體，儲集空間為孔隙-裂隙-空洞系統，封存的CO2呈超臨界游離態和吸附態。其中，吸附態CO2封存能力與原煤性質、氣化條件及氣化程度有關?；诘聡? 件煤樣在800 ℃、10 L/min 空氣流條件下開展氣化實驗，發現煤焦CO2吸附容量增幅達45.52%～74.31%，增幅隨原煤煤級增高而顯著減小[46]。依托加拿大4 件煤樣，在800、900和1 000 ℃及大氣壓條件下以5 ℃/min 升溫速率進行氣化實驗，發現煤焦CO2吸附容量是原煤性質和氣化條件的函數，亞煙煤的煤焦吸附能力最高，3 個實驗溫度下其殘渣樣CO2吸附容量分別為2.08、2.43 和1.95 mmol/g，吸附能力具有一定的煤級依賴性，但吸附等溫線仍然符合DR 和DA 模型[47]。分析我國氣煤和無煙煤模型實驗結果，3 個反應區殘渣的孔隙性與原煤差異顯著，干餾區(200～600 ℃)殘渣的孔比表面積和孔容大于原煤，還原區(600～900 ℃)殘渣孔比表面積和孔容小于原煤，表明UCG 煤焦和殘渣的CO2儲存能力還受氣化條件的影響[24]。

UCG 燃空腔圍巖及鄰近煤層物理性質和穩定性事關CO2封存可行性，多位學者從損傷力學角度對此開展過研究。在250、500、750 和1 000 ℃條件下預裂砂巖，然后進行多步加載和卸載蠕變實驗，發現預處理溫度對穩定蠕變速率沒有明顯影響，巖石試樣滲透性隨預處理溫度增高而增大，先期裂紋在熱膨脹壓縮作用下閉合，經歷UCG 較高溫度預處理的巖層具有更好的儲集性和可注入性[14]。建立了UCG 爐煤柱應力分布及CO2封存預留煤柱失穩模型，發現煤柱實際承載應力隨封存應力增大而呈線性降低，認為原因可能是封存膨脹應力增大致使上覆巖層向上彎曲，煤柱與巖層有效接觸面積減小，導致煤柱承載能力減小[48]。開展煤樣加熱-CO2封存模擬實驗，發現受熱煤樣裂縫密度、形態與礦物組成之間存在直接關系，石英、菱鐵礦等彈性模量和剛度較大礦物的存在是受熱煤樣較大裂縫相對發育的主要原因；CO2氛圍會引起煤樣裂縫孔隙度和滲透率增加，對于煤層CO2封存具有積極效應；在150 ℃時煤樣裂縫密度最大，是最適宜CO2回注的煤層溫度[49]。

模型實驗無法系統考慮UCG-CCS 各類影響因素，數值模擬可在一定程度上彌補這一不足?？紤]UCG爐炭壁和碎礫底板的不同情景，建立UCG 燃空腔三維模型，從飽和度、吸附性、遷移距離和速度、煤吸附和膨脹4 個方面，模擬分析了10 000 d 期間超臨界CO2在腔內的傳質行為[46]。研究認為，UCG 燃空腔極高的滲透性導致注入開始就會出現顯著的CO2浮力流，邊界殘留物層無法限制CO2的輸導；低滲透性覆巖的封堵迫使CO2橫向擴散，浮力作用下的CO2向上傳輸受到煤吸附膨脹的限制，是封存CO2的有利因素；煤的吸附和膨脹對CO2傳質行為影響復雜，CO2在炭壁和碎礫底板上的早期吸附表現為上升水流騰出孔隙空間而促進浮力流動，后期吸附引起的煤膨脹導致煤滲透率降低而抑制注入的CO2逸散，這種現象隨時間延長而變得顯著，有利于安全封存。進一步導入多物理場因素開展數值模擬，認為煤基質具有相當強的捕獲機制，UCG 地下空間內多組分系統中的CO2傳輸現象可在50 a 內進入穩定；煤層割理網絡變化只局部存在，對CO2整體運移幾乎沒有影響，封存長期建?？珊雎愿罾硪蛩氐挠绊?；注入后的CO2傳輸特性基本不變，使得穩態外推和簡化物理建模成為長期定位CO2傳質行為的2 種有效方法，可用于數千年尺度的CO2封存數值模擬[50]。

地質選址是UCG-CO2地下空間氣態封存可行與否的關鍵。利茲大學SHENG 等以保加利亞深煤層為背景開展研究并取得系統認識[51]：其一，建立了地質、地質力學、水文地質、環境、技術經濟模型和UCGCCS 選址評價平臺，用于形成和評估UCG-CCS 方案；其二，制定了一系列技術要求，涉及UCG-CCS 選址、封存容量估算、UCG-CCS 工程(表2)、方案經濟可行性和環境影響評估等；其三，評估了選定地點的UCG地面沉降和地下水污染風險，為保障封存工程安全性提供基礎；其四，初步確定多布魯賈區塊作為UCGCCS 選址，區塊周邊以斷層為界，煤層深度在1 100～1 500 m，可氣化煤炭資源量超過750 萬t。同時建議：初步選定的UCG-CCS 場地應滿足UCG 選址標準，并且具有最大的CO2封存潛力；氣化通道與斷層之間至少保持150 m 的安全距離，以避免重新激活任何潛在斷層以及隨之而來的UCG 氣體、污染物及CO2泄漏；UCG 生產期間高溫和合成氣成分可能會腐蝕生產井，回注CO2應使用UCG 注入井而不是生產井。

表2 保加利亞多布魯賈區塊深煤層UCG-CO2 封存井設計要求[51]Table 2 Design requirements for UCG-CO2 storage wells in deep coal seams in Dobruja, Bulgaria[51]

小結上述，先前研究重點關注的是UCG 地下空間氣態CO2可注入性、封存容量、封存安全性三大問題，多數認為超臨界CO2封存在800 m 以深UCG 地下空間具有可行性，UCG 活動改造使得地下空間封存容量和可注入性同時增大，上覆非滲透性巖層有利于CO2橫向注入傳輸及垂向安全封存，但也指出UCG地下空間封存容量受煤層、煤質和氣化條件的影響。也應看到，少數研究者仍持懷疑觀點，認為UCG 地下空間允許注入的容量不足以封存UCG 所產生的CO2，注入速率遠遠低于商業要求速率，且注入-封存過程存在安全和經濟問題，可能致使商業封存無法實現(后述)。同時，UCG 地下空間氣態CO2封存可行性還需關注氣化爐結構、氣化方式等工程因素的影響，專用工藝技術與關鍵裝備尚未發展；先前研究均局限于理論探討、模型實驗和數值模擬，結合選址來評價封存可行性的案例極其有限。重要的是，相關研究均未考慮與經歷過高溫疊加影響的閉爐后地質條件相結合，目前關于封存安全性和可持續性的認識尚未經受任何現場實踐的驗證。

2.2 UCG-CO2 地下空間礦化封存

CO2礦化封存概念由瑞士學者SEIFRITZ 在1990年首次提出[52]，被認為是具有大規模CO2封存潛力及應用前景的減排途徑[53]，屬于“化學封存”范疇[54]。這種途徑通過CO2與金屬氧化物發生化學反應生成穩定的碳酸鹽礦物，封存不受地質體穩定性和封閉性苛刻要求的約束，包括超臨界CO2封存對深度/地層壓力的要求，幾乎不存在泄露問題，可望實現永久封存。關于地面和一般地下條件CO2礦化封存的研究成果較為豐富，ANJANA 等[55]近期對其基本原理和技術進展做了全面評述。UCG-CO2地下空間礦化封存的基本原理與此類似，不同之處在于疊加了UCG 特有的高溫環境和煤焦約束。

在UCG 氣化過程中同時礦化封存CO2的研究探索尚不多見，最早文獻來自中國礦業大學(北京)梁杰團隊。2008 年，該團隊利用半焦在O2體積分數30%氣化劑條件下開展CO2回注模型實驗，發現回注可提高合成氣可燃組分濃度，認為UCG 過程中CO2回注減排工藝理論可行[17]。在此基礎上，該團隊進一步提出將UCG-CO2作為氣化劑與含鈣氣化灰反應生成碳酸鈣進而固碳封存的設想，模型實驗發現氣化灰和模擬咸水均可與CO2發生礦化反應，最終將CO2轉化為碳酸鹽礦物；氣化灰粒徑越小，碳酸鹽化固碳率就越高；在模擬咸水介質中，氣化灰對CO2的固化率遠高于其在蒸餾水介質中的固化率，表明咸水的存在有利于提高礦化固碳程度；適當提高反應溫度和反應壓力，均有助于礦化固碳率的提高；在150 ℃、2.50 MPa、反應時間1 h、氣化灰粒徑小于75 μm 的條件下，氣化灰在模擬咸水中的CO2固化率最高，可達1.65%[27]。研究也指出，UCG-CO2回注會稀釋氣化爐中可燃氣體，縮小UCG 爐中煤氣爆炸極限的范圍，有利于氣化安全穩定進行[56]。

代爾夫特理工大學EFTEKHARI 等[26]2012 年設想，將UCG 與CO2礦化(CaO)、傳統的CO2原位分離以及天然礦物硅灰石(CaSiO3)改性技術相結合，可能開發深部煤層UCG-CO2減排新技術。該團隊以零排放為目標，利用化學平衡模型分析UCG 工藝參數對合成氣組成的影響，進而將其用于有效能分析。數值模擬結果表明：深部UCG 可以最佳提取的煤化學?為52.00%～68.00%，但胺分離技術零排放情景提取的化學?回收率為負數，表明利用當時的CCS 技術實現零排放并不可行，原因主要在于CO2捕集效率較低；利用UCG-CO2和CaO 原位合成碳酸鹽礦物，可提高H2的產率，化學?回收率約80%，理論可行，但暫無成熟技術可用；利用硅灰石改性(CaSiO＋CO2＝CaCO3＋SiO2)的減排效果好于CaO 方法，但反應速率太慢，且同樣面臨實用技術難題。

UCG 清潔產品制備的實現，取決于煤的熱解還原和氣化劑反應過程。為此，選取溫度、CO2分壓及灰分3 方面因素開展數值模擬，分析了灰巖、煤矸石對UCG 過程中焦炭-CO2反應性的影響，取得某些有意義的認識[56]。如果氣化劑總流量不變，增大CO2分壓會有效提高焦炭-CO2反應活性；在溫度1 100 ℃且其他氣化條件恒定時，褐煤煤焦、煙煤煤焦、脫灰褐煤煤焦的反應性系數依次減小，分別為0.15、0.13 和0.10，灰分中堿金屬對焦炭-CO2氣化反應的影響較焦炭結構更為明顯；在化學反應控制階段，褐煤灰分對CO2氣化反應影響更大，原因在于褐煤是一種高鈉煤，而鈉對焦炭-CO2氣化反應的催化作用較強；無論焦炭-CO2氣化反應處于化學反應控制還是擴散控制階段，其活化能都隨CO2分壓的增大而減小。同時發現，加入灰巖與煤矸石均會提高煤的反應活性：煤矸石內堿金屬在高溫下揮發，通過改變煤的化學結構起到催化作用，通過降低反應活化能而提高煤的反應性；灰巖高溫煅燒產生的大量CO2增大了CO2分壓，增強了氣體外擴散，從而降低反應活化能，提高了煤的氣化反應性；同時加入灰巖與煤矸石，反應系數提高更為顯著[56]。實質上，灰巖中Ca 可破壞煤焦芳香結構，增大了煤焦無序化程度和減少羥基官能團，導致煤焦化學反應活性顯著增強[57]。

王雙明院士團隊認為，CO2地下高效封存必須具備3 方面基本條件：一是煤層上部存在未受開采擾動的地質密閉層；二是構建功能性充填空間；三是具備由功能性充填體圍限的封存載體物性條件[54]。以此為基礎，提出了以化學封存為主兼顧物理封存的UCG 地下空間和殘余物CO2封存模式，利用氣化灰渣(電廠粉煤灰)中大量堿土金屬氧化物水化后的金屬陽離子與CO2溶于水形成的碳酸根離子發生碳酸化反應，生成礦化物質；認為礦化封存可在封存CO2的同時實現采空區充填，有利于封存地質體長期穩定。CHEN 等[24]最近強調，UCG 氧化殘渣含有可熱解礦物，焙燒后的煤層頂板巖石會冒落，爐渣和巖石碎礫適合將CO2碳酸鹽化固定。

總體來看，UCG-CO2地下空間礦化封存潛在2 方面優勢：一是就地礦化，反應空間內所含的堿土金屬元素能夠永久固定CO2，疏松多孔的地下空間結構能使CO2與碳酸水充分接觸，利于礦化反應持續進行；二是金屬元素化合物在礦化過程中的催化加速作用，有助于提高合成氣有效組分的產率和產量。然而，某些與機理理解、途徑可行性和技術經濟性相關的關鍵問題尚未受到關注。例如，CO2礦化需要碳酸水溶液，連續高效氣化卻對供水需求有特定約束，氣化/礦化同步過程涉及到碳酸鹽化與煤炭氣化2 個分過程中的水分平衡機理和協同條件，影響氣化、礦化雙效率的提高。再如，合成氣提純后的混合尾氣以CO2和N2為主，利用混合尾氣固定CO2顯然更為經濟，但目前對UCG 地下空間條件下的多相氣體協同礦化行為、固碳效率和過程機理缺乏必要的了解。又如，UCG 氣化過程、閉爐殘熱、閉爐冷卻3 個階段均可進行CO2礦化封存，但不同階段CO2高效經濟礦化封存的適應性及調控措施目前幾乎未見探討。進一步而言，如果在閉爐冷卻后回注CO2封存，則礦化過程顯然不如就在地面場地進行，因為地面礦化的工況條件更為簡單且封存容量幾乎無限。就此理解，UCG-CO2地下空間礦化封存最佳時機研究似應聚焦在UCG 氣化過程和閉爐殘熱2 個階段。

2.3 UCG-CO2 回注利用與封存

這里的回注與UCG-CO2地下空間氣態封存和礦化封存沒有實質性差別，不同之處在于通過回注促進煤層氣/合成氣產量的提高，提產剩余的CO2再以氣態或固態化合物形式封存在地下。在此方面，迄今的探討研究主要集中在如下2 個方向：

(1) 回注UCG-CO2提高煤層氣產量。

CO2注入驅替常用于煤層氣增產(E-CBM)[58]，業界近年來關注到利用UCG 活動來增產煤層氣(UCGECBM)的可能性[59]。其中，將UCG-CO2回注到被氣化煤層的上覆下伏鄰近煤層，利用CO2競爭性吸附優勢驅替煤層甲烷以提高煤層氣井產量(UCG-CO2-ECBM)，同時可將注入的部分CO2封存在地下煤層，豐富了UCG-CCUS 技術內涵，實質上也屬于UCGCO2地下空間氣態封存的一種特殊方式，而且在技術和經濟上可能比單純的UCG-CO2地下空間氣態封存更為可行。該方面研究工作不多，零星文獻來自少數國家作者和學術刊物。

2005 年，WANG[60]在王作棠教授指導下率先設想從UCG 制氫尾氣中分離CO2并回注煤層，在壓注CO2氣體過程中通過置換、驅動效應提高煤層氣的解吸程度和解吸速率，維持和促進煤層氣的快速持久流動，從而提高煤層氣采收率；同時，通過CO2回注控制UCG 爐內生產壓力，控制上覆巖層彎曲下沉帶地下水的漏失，降低UCG 生產對地下水的污染風險。

2015 年，印度理工學院PRABU 和MALLICK[61]討論了UCG 技術與E-CBM 集成的技術可行性，期望降低UCG 和CBM 鉆井成本，同時在氣化過程中將回注吸附在煤層中的CO2釋放出來，然后使CO2與煤發生氣化反應，以提高合成氣品質和產量，實現深部UCG-ECBM 經濟運行。為了達到這一目的，PRABU和MALLICK[61]提 出 了2 階 段UCG-CO2-ECBM 設想(圖1)：第1 階段，采用合適的井型，將不同來源(包括UCG-CO2)CO2注入煤層，利用CO2-ECBM 原理提高煤層氣采收率；第2 階段，煤層氣開采到一定程度后，將煤層氣井轉化為“U”型UCG 氣流通道并點火氣化，吸附在煤層中的CO2釋放到燃燒腔中作為氣化介質，通過氣化反應提高合成氣中有效組分濃度和產量。PRABU 和MALLICK[61]也強調指出，CO2作為ECBM 驅替劑和UCG 氣化劑在UCG-CO2-ECBM 一體化工藝中可能發揮重要作用，但必須對一體化工藝技術開展實驗室和工程試點研究，以闡明該設想的技術原理，評估其工程可行性。

圖1 UCG-ECBM 一體化工藝設想示意 [61]Fig.1 Schematic diagram of integrated UCG-ECBM process concept[61]

近年來，UCG-CO2-ECBM 設想得到國際能源界持續關注。2018—2021 年期間，歐盟以3 個礦區為候選地點實施了MEGAPlus 計劃，旨在評估深度 ＞ 900 m煤層的CBM-UCG 聯采生產潛力。該項目將UCGECBM 實施劃分為3 個時段[62]：一是煤層氣預采，在UCG 之前先抽采待氣化煤層天然氣，屬于煤層氣常規抽采，目的是充分開采煤層氣資源并最大限度降低UCG 點火安全風險，即“先抽后燒”；二是CBM 與UCG 同時生產，合成氣從UCG 出氣井產出，而氣化輻射熱促進解吸的本煤層富甲烷氣從專用直井生產，相當于煤層氣熱采，即“邊燒邊抽”；三是UCG 閉爐后上覆煤層氣抽采，利用UCG 出氣井向上覆若干煤層施工多層水平定向井，用于煤層氣開采，即“先燒后抽”。

為了評估上述設想的可行性，卡迪夫大學AN 等[63]采用數值模擬方法，研究了3 個地點預設UCG 爐及其圍巖的傳熱傳質行為。結果表明，UCG 擾動區覆巖滲透率和初始飽和狀態是決定合成氣滲流速度和燃空腔覆巖影響范圍的主要因素，如果UCG 氣化行為和圍巖變化能按預期控制，3 個地點的CBM-UCG 活動不太可能對環境造成負面影響。該項成果盡管是以UCG 環境風險評估為目的，但采用的傳質指標氣體為UCG-CO2，所得認識對UCG-ECBM 工藝技術發展具有啟示。其中，UCG 燃空腔覆巖坍塌和開裂為CO2進入上覆煤層提供了通道，但CO2在上覆煤層中的橫向運移范圍有限；氣化持續100 d 之后，CO2向上運移距離一般小于8 m，高滲透率覆巖情況下可達14 m，近距離煤層E-CBM 可借助由爐腔滲入的CO2，遠距離煤層則需借助CO2地面回注；對于氣化煤層上覆鄰近煤層，煤層氣增產可借助UCG 余熱與CO2驅替的耦合作用。

無論UCG-ECBM 還是UCG-CO2-ECBM，顯然都有可能直接產生附加經濟效益，與單純的UCG-CO2氣態封存和礦化封存相比其生命力更為強大。但是，目前該方向研究仍然停留在設想細化階段，相對深入的研究也主要局限于CO2的可注入性及傳質特征，這與UCG-CO2的氣態封存研究沒有實質性區別，推進該設想向可操作性方向實質性邁進的研究成果極少見及。究其原因，可能在于欠缺對基礎性和系統性2方面的深入考慮?；A性依賴于對3 類關鍵因素的深刻理解；一是UCG 熱傳遞規律及其影響因素，包括熱傳導、熱對流、熱輻射以及3 者之間相互關系，以支撐UCG 工況下的煤層氣熱采工藝技術創新；二是UCG 擾動區傳質傳熱通道，特別是煤層水平長井眼卸壓以及煤層氧化/干燥/干餾裂縫特征和發育機理，以幫助理解UCG 活動誘導的卸壓增滲效應；三是回注CO2和原地氣化生成CO2的滲吸和釋放行為，包括在氣化之前、氣化過程和氣化之后的CO2傳質特征及影響因素，為評估CO2對煤層氣的驅替效應和煤層固碳效果提供基礎依據。系統性則指“先抽后燒、邊燒邊抽、先燒后抽”3 個階段的銜接時機、銜接條件及工藝協同，以及各個階段地質條件-爐型結構適應性以及對應的階段組合，如“先抽后燒+邊燒邊抽”、“邊燒邊抽+先燒后抽”等。

(2)回注CO2改善UCG 合成氣生產。

常溫氣化介質在UCG 爐中的吸熱效應會降低氣化效率，過熱蒸氣作為氣化介質適合氣化生產，但蒸氣生產和運輸成本較高，而將在井口從UCG 合成粗氣中分離出來的過熱CO2作為UCG 氣化介質則可避免這些缺點[64]；回注的CO2有利于提高爐內CO 還原率，進而生成熱值更高的合成氣[65-67]。同時，如果在UCG 產品氣燃燒或者燃氣發電過程中只采用純氧助燃，燃燒廢氣由于富CO2而可作為氣化劑直接注入UCG 工作面，降低CO2排放的同時也節省了碳捕獲費用[20]。

CO2是一種有效的UCG 氣化增強劑，在CO2模式下運行的UCG 具有極大實用前景[68]。在富氧UCG中，水分與碳的整體反應性增強了燃燒早期階段氧化還原反應，形成的CO2在煤層水分耗盡條件下可與相鄰碳位發生反應，據此改進了Boudouard 平衡模型[18]。利用此模型計算，CO2部分取代蒸氣可提高氣化劑中CO2體積分數，增強CO2與熱煤之間的還原反應；反應平衡溫度是該過程中的一個關鍵因素，受氣化劑中(蒸氣＋CO2)/O2體積之比的影響，CO2對氣化爐的降溫作用比蒸氣更有效率[69]。高灰原煤的碳比率相對較低，以蒸氣作為UCG 氣化劑維持燃燒十分困難，使用CO2作為氣化劑則可以避免此類問題[70]。在800～1 050 ℃間以CO2作為介質氣化印度煤，提高了合成氣中CO/H2比率及熱值；相對于過熱蒸氣，以CO2作為預熱介質可降低生產成本[71]。但是，內蒙古寶利褐煤模型實驗結果顯示，CO2/氧化劑摩爾比升高，UCG 合成氣熱值隨之逐漸降低；在O2體積分數較低情況下，在氣化劑中摻混CO2后，氣化效果變差[72]。

UCG 能量轉換效率是獲得碳減排定量數據的基礎。DUAN 等建立了2 個氣化效率新參數用于評估UCG 能量轉換效率，發現一定量的CO2有利于改善UCG 的綜合氣化效率和熱氣綜合氣化效率，而一定量的純O2雖然可以改善UCG 的綜合氣化效率，但對熱氣綜合氣化效率沒有直接影響，指出每個UCG 過程必須有一個最佳的蒸氣或CO2與O2的比率，以最大限度地提高能量轉換效率[73]。采用熱重分析儀，在35～900 ℃、10 ℃/min 加熱速率、氣化劑(CO2或空氣)供給速率100 mL/min 條件下分析印度尼西亞10個煤樣，測得空氣氣化條件下的Arrhenius 常數、活化能分別為55 643～114 245 min-1和46.26～96.98 kJ/mol，在CO2氣化條件下這2 個熱動力學參數則分別為15 301～61 339 min-1和12.72～109.71 kJ/mol，這些數據為進一步探索UCG-CO2可行性提供了基本信息[74]。

氫氣作為一種無碳二次能源，是未來綠色能源體系的重要組成部分[64]。耦合CCS/CCUS 的UCG 制氫技術路線不僅可將煤炭原位高效轉化為富氫氣體，而且通過回注利用和封存UCG-CO2而可能具有經濟效益優勢[75]。鑒于此，國內外研究者均關注到UCGCO2回注制氫與封存的發展前景。VAIRAKANNU和KUMARI[76]提出一種UCG 合成氣清潔發電模式，首先通過化學循環重整(CLR)將UCG 合成氣轉化為純氫，然后將純氫用于質子交換膜燃料電池系統(PEMFC)發電；在與CLR-PEMFC 集成的O2/CO2氣化介質條件下，CCS 凈效率可達43.60%。XIE 等[77]研究指出，采用兩段法可生產富H2氣體，利用CO2作為氣化劑則可生產富CO 氣體。印度東北部低灰煤CO2/O2氣化介質UCG 模型實驗結果顯示，在干燥煤層條件下也可以生成CO 體積分數達40%的產物氣；與N2氛圍相比，煤在CO2氛圍下的熱解速率更高；焦油與CO2的反應性由于干重整反應可在較低溫度的熱解區進行，煤中無機質通過灰分催化促進了CO2氣化反應[78-79]。與定點注入法相比，CO2-O2移動注入點法顯著提高了合成氣品質，高灰煤合成氣熱值可提高12.60%[80]。

為此，若能將上述工藝耦合起來，在滿足富CO 合成氣生產需求的同時，也可為UCG 制氫尾氣CO2減排利用提供有益嘗試。劉淑琴團隊[75]在此方面做了系列性開創探索，分析UCG 制氫中有效能變化，提出了UCG 制氫技術路徑[64]，對比分析UCG-H2工藝相對于SCG(煤炭地面氣化)-H2工藝的技術經濟優勢[81]，核算了深部UCG 制氫碳減排潛力[82]。同時著重指出：UCG 能效隨著氣化劑H2O/O2和O2/CO2體積比的增加而增大，能量累積消耗隨H2O/O2比的增大而減小，但隨O2/CO2比升高而增加[75]；深部UCG 制氫耦合燃空腔儲碳并聯產化學品或協同深部驅油/驅替煤層氣，有望形成CO2近零排放的規?；统杀局茪浼夹g路徑[64]。

上述研究工作從3 個方面展示，回注CO2可改善UCG 合成氣生產效果，有可能達到UCG 生產降本增效的目的。其一，采用井口合成氣分離出的過熱CO2代替蒸氣作為氣化劑，可提高UCG 熱利用效率和能量轉換效率。其二，以回注方式提高氣化劑中CO2體積分數，可增強氣化過程中的還原反應而生產富CO 合成氣，在為UCG 高效制氫提供原料氣的同時，間接實現碳減排。第三，以CO2作為氣化劑，有利于高灰煤地下氣化，為劣質煤炭資源原位轉化提供了一條潛在的可行途徑。也應看到，回注形成高體積分數CO2氣化介質有利于減排，但降低了強氧化劑O2體積分數而可能導致合成氣熱值虧損，探索UCG 合成氣品質與氣化劑中CO2/強氧化劑比例的合理閾值及其與地質條件-氣化方式之間關系，同時研發配套工藝并進行現場驗證，乃是需要關注的重點探索方向。

2.4 UCG 合成氣組分定向調控減碳

UCG 本質上是一個非穩定過程，燃空腔生長、氣化通道沿線煤質的固有變化、涌水量、灰渣層堆積等許多因素，都會影響氣化反應的速率[71]。如果煤質一定，UCG 合成氣品質主要取決于爐內反應溫度、反應壓力、氣化劑種類及其供給流量和供風方式[83]。例如，合成氣中CH4體積分數在很大程度上取決于煤質和壓力狀態，煤階增高以及高壓氣化均有利于CH4生成，壓力可增進還原區焦炭的還原氣化過程[63,84-86]。然而，直接控制爐內溫度十分困難，合成氣成分主要調控措施是供風方式與氣化劑種類的交叉結合，即：UCG 運行控制主要為供風方式調節和注入劑配方調節，以及這2 類基本措施的相互耦合[33]。顯然，前述UCG-CO2回注如果與氣化過程同時進行，則除了單純的封存功能之外，也具有調控UCG 運行狀態的功能，即通過氣化劑組成來調控合成氣組成。相關研究大部分認識相互一致，也有少數研究得出了截然相反的結論。

(1)氣化劑配方對合成氣CO2體積分數的定向調控。

改變氣化劑配比可定向控制UCG 合成氣成分，該方面研究成果頗多。例如，純O2氣化的碳排放量比CH4燃燒的碳排放量大約3 倍[27]，添加蒸氣作為氣化劑可以顯著提高UCG 制氫能力[87]。再如，氣化爐中適量水的存在對氣化有利，但是水量過多會降低還原區溫度，進而降低CO2還原率，導致合成氣中CO2體積分數升高；控制CO2體積分數的關鍵在于找到一個O2、水蒸氣和CO2之間合理比例，UCG 過程中O2和水蒸氣供給量需隨工況變化而調節，故CO2回注量也需相應調整[25]。又如，風流有效空氣動力學活性系數(Ka= 0.5n(CO)/[0.5n(CO) +n(CO2)]，%)用來衡量氣化劑向煤表面傳導的充分程度，表示多相還原反應(CO2+C→CO)所生成可燃組分在合成氣中的百分比，其中，n(CO)為CO2與煤中碳反應生成的CO 量，mol；n(CO2)為所生成合成氣中的CO2量，mol[88]。

合理配比氣化劑，可有效控制合成氣CO2體積分數?；趦让晒藕置篣CG 模型實驗，利用O2/CO2作為氣化劑，UCG 爐內溫度相對較低(最高1 200 ℃)，有效組分CO 和H2體積分數得到提高；氣化劑中CO2能夠抑制氣化過程中CO2的生成，在氣化劑CO2體積分數40%～50%條件下，合成氣CO 和H2體積分數均在25%左右，CO2體積分數小于50%[72]。采用燃空腔反應熱力學平衡化學計量模型以及熱-水-化學-機械耦合框架相結合的數值模擬方法，證明增加蒸氣注入量可以降低UCG 系統的溫度以及CO 和N2濃度，同時有利于H2、CH4和CO2的生成[89]。相似材料模型實驗結果顯示，在氣化劑O2體積分數低于60%時，合成氣CO 體積分數隨O2體積分數增大而持續上升，而當O2體積分數大于60%時出現合成氣CO 體積分數下降現象，表明CO2分壓的增大導致煤層反應界面碳吸熱還原反應占比增大，爐內溫度受之影響而降低，進而影響反應產物的生成[90]。與此相反，OTTO 和KEMPKA[91]基于吉布斯函數最小化熱化學計量平衡模型分析，認為合成氣組成范圍在不同操作條件下是一致的。

氣化劑組成不同，UCG 過程潛在排放的CO2數量也有所不同。分析富氧氣化工藝中CO2循環利用帶來的CO2排放量，發現隨著氣化劑中O2體積分數的提升，CO2排放量先升后降；在O2體積分數50%左右條件下，CO2利用比例最高，減排效果最為顯著[90]。研究神木煙煤在不同氣化劑和供氣流速下的UCG 產物組成特征，發現將O2供給速率從10 L/min 增加到15 L/min 時，焦油濃度在反應區較低而在出口處較高，但合成氣中碳排放量減少；將空氣介質流量從10 L/min增加到50 L/min 時，焦油產率與O2氣化相比顯著降低，且同樣可降低合成氣中碳排放[92]。同時，受氣化劑組成的影響，富氧-CO2氣化工藝的煤灰催化效果明顯優于富氧-蒸氣氣化工藝的煤灰，表明灰渣中堿金屬及其氧化物對水煤氣變換反應具有催化選擇性，進而影響CO2生成[93]；O2與從灰分/焦炭界面產生的CO 發生反應而形成CO2，提高了灰層局部溫度，并將焦炭反應從沒有灰層時的氧化反應轉換為存在灰層時的Boudouard 反應，即焦炭和CO2之間產生了化學反應[94]。

定向調控合成氣CO2體積分數的另一種表現形式，是氣化劑對3 帶(氧化帶、還原帶和干餾干燥帶)擴展過程的影響。模型實驗發現[93]，當氣化過程穩定運行時，隨著注水量的增大，富氧-CO2氣化工藝中氧化區面積占整個氣化工作區面積的比例保持在10.79%～18.96%、還原區面積比/氧化區面積比為2.26～3.72，富氧-水氣化工藝的氧化區面積比例為21.82%～31.99%、還原區面積比/氧化區面積比為1.58～2.49，指示注水過程對氧化區的氧化強度影響較小，可以保持氣化反應需求溫度并有效控制氧化區的擴展速率，確保還原區對熱量的要求不超過氧化區的最大負載，合成氣熱值較高且相對穩定，氣化效率較高，產物中CO2體積分數較低。

上述進展均局限于實驗室研究，而中國礦業大學王作棠團隊依托重慶中梁山和甘肅華亭2 個礦井式UCG 項目做了可貴的現場系列探索[95-97]。結果顯示：其一，隨著氣化劑中O2體積分數升高，合成氣CO 和CO2總體積分數逐漸增加；其二，空氣連續氣化的合成氣有效成分和熱值最低，蒸氣和氧氣的添加可以增加有效成分和熱值；其三，在純O2+CO2注入條件下，向爐內添加純O2可以明顯提高反應區溫度，添加CO2則有利于生成CO 的還原反應；其四，生成的過量CO2可以減少和替代CO2回注量，合成氣中高體積分數CO2通過捕集可以作為氣化劑再次回注UCG 腔，對CO2利用和碳減排具有實際意義；其五，氣化劑中汽氧比增加有助于轉化反應(CO＋H2O→CO2＋H2＋41 kJ/mol)，導致合成氣CO 體積分數降低，而H2和CO2體積分數升高；其六，如果煤質相同，合成氣中CO 和CO2總體積分數與合成氣產率呈反比關系。由此驗證，合成氣中CO2體積分數和產率可通過氣化劑種類定向調控，過量CO2可回注用于地下氣化，UCG 可以成為集清潔能源生產與碳減排為一體的潔凈煤技術。

(2) 注入方式對合成氣CO2體積分數的定向調控。

國內外嘗試過多種氣化劑注入(供風)工藝調節方式，包括交替注入等，研究目的雖然聚焦在提高并穩定UCG 合成氣品質，但相關認識對CO2體積分數定向調控仍有所啟發。我國在此方面的探索包括注入方向、注入壓力、注入階段等，推動了CO2體積分數定向調控技術進展。其中，余力和梁杰團隊通過模型實驗和現場實踐，發展了多種UCG 合成氣組分定向調控方法[33,75,93,98-101]。

EFTEKHARI 等[102]2015 年將穩態模型擴展為瞬態模型，用來描述深部薄煤層在空氣和蒸氣交替注入方式下的氣化行為?；谠撃Ｐ烷_展數值模擬，發現在空氣注入階段儲存的熱量只能在有限時間內維持后續蒸氣注入階段的煤炭氣化；在蒸氣注入階段，低壓氣化的合成氣流量和H2體積分數很高，但更高壓力下盡管H2體積分數仍然很高，而煤的轉化率顯著降低；與氧氣/蒸氣交替注入相比，注入蒸氣-氧氣混合物并不能提高煤轉化率，且最終產物含有更多的含碳化合物而不利于減排。該團隊后續的注入數值模擬對比分析進一步指出，深部薄煤層資源UCG-CCS 零排放轉化在目前技術狀態下是不可行的，但可以通過提高CO2過程的能源效率予以彌補[12]。王張卿[93]2016 年以烏蒙褐煤、新疆長焰煤和鄂莊煙煤為研究對象，分析了氣化通道結構和注氣方式的氣化效果，認為后退式氣化工藝對CO2體積分數的控制效果最好，滲流通道工藝次之，自由通道工藝控制效果最差。

我國多個UCG 項目開展過供風方式調控現場試驗。山東孫村、新河2 個現場項目輔助通道供風調控試驗結果顯示，與不供風條件相比，供風氣化使合成氣中CO2體積分數分別降低了21%和19%，有效空氣動力學活性系數提高了10%以上[83]。1999 年，劉淑琴等[98]結合唐山劉莊UCG 項目，實施了我國首個UCG-CO2體積分數定向調控的多項供風工藝現場試驗。其中，壓抽結合氣化、反向供風氣化均將合成氣中CO2體積分數由單純正向壓風的19.49%降至10.39%，降幅高達87.58%；在雙火源兩階段氣化試驗中，單火源水蒸氣氣化合成氣CO2體積分數約25%，雙火源水蒸氣氣化合成氣CO2體積分數只有15%左右，降幅同樣約達67%。由此得出結論，壓抽結合供風方式降低了還原區壓力并提高了CO2還原速度，氣化后期反向供風氣化可以形成新的氣化條件使CO2進一步還原，雙火源氣化顯著提高了還原區溫度而有利于CO2還原反應，從而達到顯著降低合成氣中CO2體積分數的減排目的[98]。

余力等[103-104]早期提出了循環供氣的2 階段UCG 方法：第1 階段，注入空氣或富氧空氣蓄熱，氣化爐在空氣強力注入下運行以實現高熱量存儲，合成氣熱值較低，CO2體積分數較高；第2 階段，停止空氣注入，僅供應蒸氣并使其與白熾碳發生反應，以生產H2體積分數大于40%的富氫合成氣。分析新河煤模型實驗結果，合成氣中CO2和CO 平均體積分數在第1階段(注入空氣)分別為9.90%和5.95%，在第2 階段(注入水蒸氣)分別為10.85%和7.07%，2 個階段的CO/CO2平均體積分數比分別為0.60 和0.65，且第2階段合成氣平均熱值顯著高于第1 階段平均熱值[103]。由此啟示，2 個階段氣化介質對氣化效果的影響各有利弊，注入水蒸氣提高了煤的還原效率和合成氣熱值，但CO2生成體積分數相對較高，結合2 個階段氣化介質特點改善氣化劑配比則有可能控制合成氣CO2體積分數。

為了驗證上述初步認識，余力團隊[105]基于同一地點(新河)煤樣，組合2 個階段氣化劑優點形成新的供風方案并用于模型實驗。結果顯示：同為93%氧體積分數氣化劑，與富氧正向供風相比，富氧-水蒸氣供風產生的合成氣中CO2體積分數明顯增高，CO/CO2體積分數比隨之降低；就富氧-水蒸氣供風系列來看，合成氣CO2體積分數隨氣化劑氧體積分數的降低而趨于增高，CO/CO2體積分數比隨之降低；若氣化劑氧體積分數相同，反向供風合成氣中CO2體積分數顯著高于正向注入，CO/CO2體積分數比與此相反(表3)。

上述模型實驗及現場試驗成果，明確了關于UCGCO2體積分數定向調控原理和措施的認識：氣化劑氧體積分數水平是調控合成氣中CO2體積分數的核心參數，提高氧體積分數可有效提高爐內煤的還原程度進而降低CO2釋放水平；如果供氧條件相同，則正向注入抑制CO2釋放的能力強于反向注入。然而也可看到，在同樣供氧條件下，水蒸氣作為氣化劑的加入雖然明顯提高了合成氣H2體積分數，但同時也降低了CH4體積分數，控制CO2釋放與定向獲取合成氣關鍵有效組分的調控措施不甚協調，氣化劑配比需要結合產品氣特定用途和生產成本綜合選擇。

3 UCG 碳減排探索方向

UCG 碳減排探索起始于20 世紀90 年代[21,98]，21 世紀以來的20 余年間顯著發展，近10 a 研究成果大量涌現[106]。在各類CO2地質封存空間中，UCG 燃空腔成為近年來研究熱點[107]。在此期間，除了少量現場專項試驗[76,83,95-98]之外，研究工作多局限于模型實驗和數值模擬，技術、環境、成本等諸多問題仍需進一步探討。也應看到，少數研究也對UCG-CCS/CCUS技術可行性提出質疑。例如，針對英國東北部Ellington 煤礦埋深1 800 m 水平地質條件，評估了裂縫滲透率對UCG-CO2注入的影響，認為盡管CO2的注入能力和溶解能力可以得到改善，但允許注入的容量空間只有UCG 生產和捕獲CO2體積的40%，可注入速率比商業要求速率( ＞ 100 t/a)低近40 倍，且UCG-CCS存在安全和經濟問題，致使商業封存無法實現[108]。英國《New Scientist》雜志環境顧問PEARCE 甚至發出疑問，如果沒有CCS，UCG 能否持續發展[109]。為此，UCG 碳減排科學與技術探索依然任重道遠。

面對UCG 減排未來挑戰和解決方案，仁者見仁，智者見智。英國地質調查局CHADWICK 等[110]早在2008 年就指出，CO2封存已確定的主要環境風險包括CO2泄漏、在地層水中的溶解和被地層熱力學等因素驅替；強調UCG-CCS 耦合強化了UCG 或CCS 本身固有的風險，如CO2注入對燃空腔施壓而導致圍巖裂縫擴展等，要求的封存地質條件更為復雜。在推進任何大規模UCG-CCS 提案時需要克服4 方面主要障礙，包括環境風險管理、政府許可、公眾接受程度和規模性示范成本[22]；UCG 項目經濟性極大程度上取決于合成氣利用路線及CO2處理方式和成本[111]。王雙明等[54]將UCG 開采擾動空間CO2封存的技術難題歸納為4 個方面，包括煤層采后CO2蓋層封閉性評價、封存功能性空間構筑、擾動空間探測與封存潛力評價、CO2充注調控與封存效果監測評估。

碳地質封存場地應滿足某些一般要求，如靠近CO2來源、儲集地質體滲透率足夠高、封存容量大、儲集地質體密閉性好(保證CO2封存約1 000 a)等[45]。目前關于UCG-CCS 潛在風險的量化認知不足，需要加強表征研究[45]，包括：低排放對社區環境影響及其恢復力，CO2注入后背景苯系物(BTEX)污染水平恢復時間，鉆井和固井材料對1 000 ℃以上高溫和CO2酸性的長期耐受性，CO2羽流監測技術，煤氣化及其副產品生產，燃空腔尺寸和幾何形狀，高溫對巖力學性質的影響，CO2/CH4/BTEX/鹽水混合物的流體特性，裂縫發育特征與地層導電率、應力－滲透率關系，裂縫擴展應力閾值及擴展距離，煤對CO2的吸附后效(膨脹性和滲透性)等。

誠然，先期UCG 減排探索取得長足進展，對表1所示的各方面策略和途徑都有程度不等的理論認識。然而，幾乎所有探索在技術上均不完全成熟，多數工作憑研究者興趣而自由開展，缺乏系統的技術思路和整體方案；關于UCG 減排技術原理和工程實踐的認識多停留于概念或呈“碎片”狀，完整的知識體系有待形成；關于UCG 減排行為乃至可行性的某些認識截然相反，需要進一步研究予以證實或證誤；技術細節和工藝路線均需進一步完善，商業化技術體系尚未形成。同時，缺乏對UCG 減排井下關鍵專用工具和裝備的研發，近年來未見針對UCG-CCS/CCUS 技術的現場工藝驗證，UCG 減排尚未納入國家“雙碳”戰略管理層面。鑒于此，筆者提出“立足可行，聚焦短板，扎實推進，保障實現”的UCG 減排技術研發宏觀思路，期望明確未來探索方向，推進技術體系的形成。

依據上述思路，建議從4 個方向進一步開展UCG 碳減排探索(表4)：

表4 UCG 碳減排技術發展瓶頸和探索方向Table 4 Development bottlenecks and exploration directions of UCG carbon emission reduction technology

(1)立足可行，優先發展UCG-CO2地下轉化利用技術。從技術難度、經濟效益、環境風險、封存安全4 個方面綜合考量，不同UCG 減排策略具有不同的實現可行性，由此決定了特定策略的發展價值和優先順序。

如前所述，UCG-CO2地下空間物理封存是一種傳統設想，注封壓力、封存地質體密封性等地質條件要求苛刻，潛在泄露而污染地下水和大氣的風險，回注及功能性封存空間建造成本高且不產生任何直接經濟價值，企業可能無法承受而難以持續，屬于UCG 減排的底層策略?；刈⒌V化封存盡管可有效規避苛刻地質條件要求且基本上無泄露風險，UCG 過程中的定向催化可能促進合成氣增產，但回注成本同樣較高，可持續性有待進一步論證，是UCG 減排的中層策略。UCG-CO2回注轉化利用盡管同樣需要回注成本，適應UCG 運行過程或閉爐后封存地質條件變化的專用回注工具有待研制，但具有新生附加值和封存剩余CO2的雙重效益，可持續前景相對較高，屬于UCG 減排的高層策略。CRR 在將UCG-CO2原位轉化利用的同時可節省捕獲和回注成本，合成氣品質和產量提高會產生可觀的附加值，幾十年來UCG 生產調控研究和實踐形成的諸多理論和技術基礎可資借鑒，是一種技術工藝經過初步驗證且生命力強大的減碳策略，為UCG 減排的頂層策略。

顯而易見，關注中層策略、著力高層策略、優先頂層策略是UCG 減排技術發展的最佳戰略選擇。換言之，優先發展UCG-CRR 技術，著力發展UCG-CCUS技術，適當關注UCG-CCS 技術。同時，可結合各類減排途徑的特定優勢，探索UCG-CRR 與UCG-CCUS/CCS 協同減排的技術經濟可行性。

(2)聚焦短板，著力突破UCG 減排科學與技術瓶頸。

回顧前述進展，無論單純的地下封存還是利用-封存一體化，UCG 減排科技發展均存在共性瓶頸和特殊性短板(表4)。共性瓶頸在于封存評價模型及工藝技術的工程驗證，包括注封安全性、封存復合體及其多物理-化學場對高溫作用地質響應、不依賴功能性空間構筑的封存地質體密封性保障、地下流體泄露及封存體密閉性動態監測技術與手段、模型評估與現場信息交叉驗證等。

不同層次UCG 減排策略特殊性短板各異，科技需求有所不同。底層策略存在回注經濟性和封存安全性2 個短板，CO2捕集是成本較高的關鍵原因之一，回注從合成粗氣分離出來的多元(CO2/H2S/N2)混合氣是降本增效的可探索途徑，多元殘余氣體系與地質流體/固體耦合反應行為與機制、封存空間容量及其構成、低成本回注關鍵技術與配套工藝是實現底層策略的探索方向。中層策略短板主要表現為催化降碳-礦化固碳協同行為和機理尚不明了，探索方向主要包括不同預熱溫度CO2工況下金屬化合物催化降碳效應、催化降碳-礦化固碳協同機制和地下空間CO2高效低成本礦化技術。高層策略短板在于高效封存與降碳機理和工藝路線，殘留及原位煤體CO2吸附膨脹降滲行為與可注入性、回注CO2與爐內高溫氣體耦合降碳行為、CO2回注－利用工藝路線與關鍵技術等是其主要探索方向，后者包括“先抽后燒、邊燒邊抽、先燒后抽”等工藝的優化和適應條件。頂層策略需突破的科技瓶頸為減排-合成氣提質協同機理和關鍵技術，重點探索方向包括減排-提質協同目標下的UCG 工況及合成氣組分調控機制、工況智能調控模型、工況監測關鍵工具與裝備等。

在環境風險、封存安全可控的前提下，本著“先易后難，效益內補”的基本原則，未來探索顯然應該優先考慮技術難度相對較小、基礎工藝技術經過現場初步驗證、附加收益相對較高的UCG 減排技術方向。為此，建議優先研究攻克UCG 減排-合成氣提質協同機理和關鍵技術難題?；蛘哒f，發展UCG 定向調控關鍵技術的實質，就是在聚焦碳調減(CRR)原理基礎上研發UCG-CCUS 關鍵技術，與單純UCG 技術的不同之處在于強調CRR 科學技術瓶頸的實質性突破。

(3)扎實推進，UCG 減排技術探索步步取得實效。任何產業技術的成熟發展，必須尊重理論-實踐-再實踐的科學技術發展規律，通過耐心細致的試錯-容錯-改錯的完善歷程，容許試錯，最終才能形成成熟可行的適用技術，急功近利往往使得技術研發半途而廢或功虧一簣。UCG 減排技術研發同樣如此，諸多案例為此提供了實證。

我國迄今已經實施或在建UCG 現場項目30 余個，多為單爐半工業性試驗后即行終止，只有山東新汶通過多輪多爐連續試驗而曾經實現小規模商業化生產[112]。美國Hanna 系列UCG 現場試驗歷經14 a(1975—1988 年)，先后施工6 座UCG 爐開展6 輪工藝技術試錯和驗證，最終形成集連續后退式可控注入點－平行水平井一體化技術(P-CRIP)，成為現代UCG 工藝技術的基本格架[113-114]。

鑒于此，建議各級政府和相關大型企業將UCG及其減排作為一項在保障能源安全基礎上實現碳中和的長遠戰略[115]，論證制訂近期、中期、長期相結合的UCG 減排科技發展專項行動計劃，分階段立項持續支持，結合工藝驗證、先導試驗和示范工程，步步為營取得實質性成效，最終形成可商業化推廣的UCG碳減排工藝技術體系。在目前至2030 年期間，重點結合UCG 工藝驗證和示范工程項目，選擇地質條件合適的地點，優先啟動實施UCG-CRR 先導試驗和工程示范。

(4)保障實現，探索構建UCG 減排鼓勵扶持措施體系。任何一個產業的發展，離不開法制建設和制度創新的支撐[116]。UCG 減排商業化進程亟待各方協同推進，政府鼓勵扶持措施體系建設首當其沖，具體表現為碳中和戰略與碳管理、科技行動專項計劃、專業人才培養“三位一體”的支撐體系。

20 世紀后期至21 世紀初，北美提出的所有UCG項目都將CCS 作為碳管理戰略的一個組成部分[10]，歐洲同樣也將碳減排作為UCG 行動計劃制訂的一個重要考慮[45]。國家能源局等將UCG 技術研發列入《“十四五”能源領域科技創新規劃》重點任務榜單[117]，但強調的是非常規油氣勘探開發，未將UCG 減排明確納入立項背景，UCG 減排技術發展驅動力有待強化；貴州省、新疆自治區政府近年出臺UCG 技術產業化鼓勵政策，設立省級重大科技專項予以支持，但經費缺口較大，且沒有確定后續支持措施。UCG 及其減排工程技術涉及地質、采礦、工程熱物理、化學工程、環境工程等多個學科，專業人員需要具備復合型知識結構，然而我國目前尚無高校開設UCG 本科專業，先導或工業試驗現場絕大部分工程技術人員為“半路出家”，研究及工程技術人員嚴重短缺。

鑒于上述現狀及國家需求，建議各級政府和相關大型企業協同發力，將UCG 減排科技納入碳中和發展戰略和碳管理體系，形成UCG 減排技術研發的濃厚氛圍；加大UCG 及其減排科技經費投入力度，將UCG 減排技術創新納入各級政府和大型企業重大科技計劃；鼓勵有條件的高校按規定程序論證增設UCG 與碳中和交叉學科專業，創建UCG 減排高素質專業人才培養基地。

4 結 論

(1) UCG 與碳減排的相互融合，有望成為滿足當前清潔能源需求至碳中和到來之前過渡階段的優秀綠色能源技術，甚至在未來更長的碳中和歷史時期發揮重要作用。全球能源界為此開展了多年探索，從相關成果中可初步歸納出UCG 減排策略體系，包括UCG 地下空間氣態封存、地下空間礦化封存、燃料/原料/材料地面制備、回注利用與封存、合成氣組分原位調控5 條途徑。UCG 減排需從源頭著手，通過地下原位調控減少CO2產出，抑制煤中黑碳釋放直接減碳，實現灰碳或褐碳減排，可能形成生命力更強的UCG“主動”減排技術，相關策略和途徑統稱為“碳調減(CRR)”。

(2) UCG 減排科技探索已取得實質性進展，奠定了未來商業化技術體系的必備基礎。UCG-CO2地下空間氣態封存探索較多，主要集中在封存介質、封存空間、封存能力、評估方法等方面，少數研究涉及封存機制，封存安全性和經濟性有待進一步論證。UCGCO2地下空間礦化封存不受地質體穩定性和封閉性苛刻條件的約束，潛在固碳和轉化產氣的雙重效果，氣化過程中同時礦化封存CO2的成果尚不多見，UCG特有的高溫環境和煤焦疊加因素是其研究重點。UCG-CO2回注利用與封存的前期探索集中在回注CO2提高煤層氣產量和改善UCG 合成氣生產狀況2個方面，利用后剩余的CO2再行封存，近年來開展了UCG 制氫尾氣CO2減排利用系列性探索。UCG 合成氣組分定向調控作為一種主動減排策略，通過控制氣化劑及其注入方式來定向調控UCG 合成氣中CO2濃度，理論研究成果較多且經過現場初步驗證，有望成為集清潔能源生產與碳減排為一體的實用潔凈煤技術。

(3)多數研究者對UCG 減排可行性持樂觀認識，個別研究者持懷疑觀點，實現UCG 減排技術商業化應用任重道遠。分析研究現狀及存在短板，提出了4個未來探索方向：一是立足可行，優先發展以UCGCRR 為重點的UCG-CO2地下轉化利用技術；二是聚焦短板，著力突破UCG 減排-合成氣提質協同機理和關鍵技術瓶頸；三是扎實推進，優先啟動實施UCGCRR 先導試驗和工程示范，探索步步取得實效；四是保障實現，探索建立由碳中和戰略與碳管理、專項科技行動計劃、專業人才培養構成的“三位一體”UCG減排政策支撐體系。