全流程地下煤气化的高效氢生产策略：微波改性与移动气体注入的协同效应

《International Journal of Hydrogen Energy》：Efficient hydrogen production strategy for full-process underground coal gasification: Synergistic effect of microwave modification and mobile gas injection

氢能制备与煤气化效率提升研究。通过微波处理改变煤体孔隙结构和热传导特性，结合移动气态注入优化反应区扩展路径，协同提高地下煤气化中氢气富集合成效率。实验表明，4.5分钟微波处理后配合0.4mm/min移动注入，使氢气含量达36.06%，有效产气时间提升35.43%。

　　

董迈凡|秦博涛|冯乐乐|董杰|Saeideh Babaee|李怀展|沈健

中国矿业大学瓦斯与火灾控制重点实验室，徐州，221116，中国

摘要

地下煤气化（UCG）技术能够在高温环境下将煤炭转化为二次燃料（高热值合成气）。用于氢生产的UCG是一种低成本且基于煤炭的氢生产途径，符合中国的国情。然而，深部煤炭的致密孔结构和较差的热导率是UCG中的常见问题，导致富含氢的合成气生产效率较低。在这项工作中，提出了包括微波改性和移动气体注入在内的全局优化策略，以调整温度分布并增强UCG中的气化反应强度。当微波改性时间从0分钟增加到4.5分钟时，煤炭样品的比表面积首先从4.64平方米/克增加到7.82平方米/克，然后降至4.96平方米/克；热量释放量最初从23537焦耳/克增加到23816焦耳/克，随后降至23076焦耳/克。当微波时间从0分钟增加到1分钟时，合成气的总产量增加；而当微波时间进一步增加到4.5分钟时，合成气的产量性能下降。当使用移动气体注入方法进行反应区重建时，移动速度应根据腔体膨胀情况来确定。在本研究的条件下，0.4毫米/分钟的移动速度有利于提高气体产量并优化高温区的膨胀。实施全局优化策略后，气化性能显著提高，最大H₂含量提高到36.06%，有效气体生产时间增加了35.43%。

引言

能源对人类生活至关重要，而煤炭是主要的能源来源。随着全球碳减排目标的提出，使用传统能源（如煤炭）面临着严峻挑战。为了实现可持续发展，清洁高效地利用煤炭变得十分必要。地下煤气化（UCG）技术能够在高温环境下将煤炭转化为二次燃料（高热值合成气），展现出低碳、经济和环保的诸多优势[[1], [2], [3]]。同时，用于氢生产的UCG是一种低成本且基于煤炭的氢生产途径，符合中国的国情。然而，深部煤炭的致密孔结构和较差的热导率是UCG中的常见问题[4,5]，导致富含氢的合成气生产性能较差。研究人员也尝试通过改变气体注入参数（如流速和气氛）来提高气化效率，但结果仍不令人满意[6,7]。因此，需要额外的方法来提高UCG生产富含氢的合成气的效率。

微波处理是一种良好的煤炭改性方法，可以通过增加孔隙率和渗透性，甚至改变化学结构[[8], [9], [10]]来提高气化效果。许多研究人员研究了微波辐射对气化行为的影响。冯等人[11]研究了煤在微波预处理前后的氧化行为，发现随着微波时间从0秒增加到240秒，交叉点温度先降低后升高，而燃烧反应速率先增加后降低。Ellison等人[12]研究了微波气化特性，发现微波处理后的煤样品的合成气产率和碳转化效率高于未经微波处理的煤。冯等人[13]通过热分析仪研究了微波对煤燃烧反应性的影响，发现点火温度几乎没有变化，而燃尽温度随微波时间的增加而显著降低。顾等人[14]也研究了微波热解煤的燃烧特性，发现微波过程通过降低燃烧反应的活化能提高了煤的燃烧性能。尹等人[15]通过非等温热重分析研究了微波辐照煤的燃烧动力学，发现烟煤的活化能降低了3.15千焦/摩尔，无烟煤的活化能降低了4.55千焦/摩尔。总之，微波改性通过诱导煤炭中的水分蒸发和有机物裂解，改善了煤炭的物理和化学性质，从而有效提高了煤样品的气化反应速率。

此外，微波在油砂、油页岩和石油领域的应用也取得了良好的效果，节省了成本并提高了石油产量。这表明微波技术在能源资源的开发和利用方面具有广泛的应用潜力。此外，研究人员还讨论了微波辐射在深部煤层中的应用可能性[[19], [20], [21]]。他们设计了同轴天线作为微波源，在外管上制造了一些小孔作为深部煤层中的微波输出端口。因此，微波改性可以作为气化前的强化方法，并应用于未来的UCG实际领域，以提高煤的气化效率。

除了煤炭的微波改性外，反应区重建也很重要，因为气化腔会随时间膨胀，导致气体产量不稳定。为了解决这个问题，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员[22]提出了一种可控的移动气体注入方法来重建反应区，以改善气化行为。借助地面上的移动设备，当初始注入位置周围的煤炭几乎反应完毕时，注入点会向后移动，使更多的新鲜煤炭参与反应[23]。该方法已在多个国家的现场测试中得到应用，如西班牙[24]、澳大利亚[25]、加拿大[26]、美国[27]和中国[28]，取得了令人满意的结果。一些研究人员[29], [30], [31], [32], [33]]讨论了气体注入的移动标准、距离和方向对气化性能的影响。苏等人[29,30]研究了在弱气化反应发生时，以300毫米的固定间隔向后移动注入的产品气体质量，发现产品气体的热值可以提高到约5 MJ/Nm³。Kashyap等人[31]研究了在腔体温度和合成气质量变差时，向前移动40毫米的注入方法对印度煤的气化行为的影响。与固定注入方法相比，移动气体注入方法可使合成气的热值提高33.5%。Hamanaka等人[32]比较了在富氧空气中，以每小时移动300毫米的速度进行前后移动注入的低灰分和高灰分煤的行为。发现两种煤样品的产品气体质量都得到了改善。王等人[33]研究了新疆烟煤的气化特性，当合成气热值暂时降低时，注入位置向后移动了500毫米。发现合成气的热值从6.5 MJ/m³提高到7.83 MJ/m³，腔体膨胀率从2.92增加到11.63。总之，移动气体注入方法确保了更多的新鲜煤炭始终参与注入位置附近的反应，从而保持了气体生产的稳定性和高质量，并提高了腔体的膨胀率。

上述研究具有很高的价值和重要性，为微波改性和移动气体注入的方法提供了深入的见解。尽管这两种方法彼此无关，但可以按时间顺序结合使用。也就是说，首先对煤层进行微波改性，然后在气化过程中进行移动气体注入，从而叠加增强效果。此外，仍有许多改进空间可以提高气体生产的质量。首先，现有关于微波处理煤的气化行为的研究主要集中在粉煤上，对大块煤的研究相对较少。其次，气化中的气体移动注入大多采用间隔向后移动的方法，而连续向前移动的研究较少。此外，关于微波处理和移动气体注入结合技术的研究也很少。

因此，在本工作中，对原始煤柱进行了微波改性，并构建了带有连续移动气体注入的气化实验系统。研究了微波处理煤样品的质量传递和热传递性能。此外，还研究了不同微波时间、移动注入速度和蒸汽含量下合成气成分、合成气热值和温度分布的气化特性。这项工作为提高UCG生产富含氢的效率提供了全流程优化策略解决方案，具有广泛的应用和工业化前景。

章节摘录

煤柱

煤样取自中国陕西省的红岩煤矿，并加工成50毫米×100毫米的标准煤柱。值得注意的是，本工作中选择的煤柱尺寸是基于实验设备条件、经济成本和行业标准的综合考虑。所选煤柱是从大块原煤切割和加工而成的，而不是从煤粉压制而成的，以便更准确地保留孔隙结构

煤柱的表面温度和质量损失

图4(a)显示了不同微波时间处理的煤柱的表面温度。随着微波时间从0分钟增加到4.5分钟，煤的温度从室温升高到约124摄氏度，而温度上升速率逐渐减小。这是因为在微波的影响下，煤中的极性分子（如H₂O）迅速响应，增强了它们的振动频率。此外，极性分子之间的碰撞频率也增加了

气化行为评估

为了评估不同操作参数对气化性能的影响，采用了随机森林回归模型进行定量分析。本工作中的随机森林回归模型是基于11个案例的实验数据构建的，共有7682组样本数据。输入特征变量是蒸汽含量、移动注入速度和微波时间，输出变量是峰值、峰值出现时间和平均上升斜率

结论

本文提出了微波改性和移动气体注入的全流程优化策略，以提高UCG中的氢产量。研究了微波处理煤样品的质量传递和热传递性能。此外，还研究了不同微波时间、移动注入速度和蒸汽含量下合成气成分、合成气热值和温度分布的气化特性。主要结论总结如下

CRediT作者贡献声明

董迈凡：撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。秦博涛：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。冯乐乐：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。董杰：调查、概念化。Saeideh Babaee：概念化。李怀展：监督、概念化。沈健：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：U24B2042）、国家自然科学基金的一般项目（项目编号：52474263）、江苏省一带一路创新合作项目（项目编号：BZ2025024）、新疆重点研发计划（项目编号：2022B03025）以及中国矿业大学增强自主创新能力的双一流建设项目（项目编号：2022ZZCX03K06）的联合资助。