煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展

煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题.在众多相关技术中,煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力.然而,由于室内实验和现场试验的实施成本非常高,气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制.近年来,运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具,得到越来越多的关注.由于煤炭地下气化过程极其复杂,数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战.对此,本文开展了以下工作:对煤炭地下气化过程进行了详细分析,阐明各个运行空间的物质和关键问题,厘清煤炭地下气化的本质;归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题;详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程;介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用,并指出其发展趋势.本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.

煤炭地下气化腔CO_(2)埋存的研究进展及发展趋势

CO_(2)捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段.在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例.为推动该埋存方式的发展,文章从以下3方面开展工作.(1)介绍UCG和CO_(2)气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段.(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO_(2)埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO_(2)运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO_(2)与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响.(3)阐明CO_(2)气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势.在以上工作的基础上,建议国家出台相关政策鼓励和支持UCG及后续的CO_(2)气化腔埋存,丰富CCS体系,推动煤炭资源的清洁化和低碳化利用.

钻井式煤炭地下气化技术的发展及关键力学问题

煤炭地下气化技术是有希望解决我国能源危机的重要手段之一,是煤炭资源高效清洁利用的有效手段之一,是拓展天然气资源实现战略资源接替的有效方法之一。本文通过调研国内外煤炭地下气化技术,将煤炭地下气化技术分为两类,即钻井式技术和巷道式技术,并重点叙述了钻井式煤炭地下气化技术开发模式。钻井式煤炭地下气化技术的发展可分为4个阶段:(1)基础理论研究阶段;(2)钻孔式技术开发模式阶段;(3)不同贯通方法直井钻井开发模式阶段;(4)水平井钻井开发模式阶段。本文分别对钻孔式、直井钻井式以及水平井钻井式等3种煤炭地下气化技术开发模式的技术核心进行了论述。通过对比不同技术开发模式的使用状况,对其优劣进行了评价。在总结煤炭地下气化技术开发模式发展历程的基础上,指出了地下煤气化技术的发展趋势,对我国将要到来的煤炭地下气化商业化开发局面有积极的指导意义。