地下煤气化过程中的热失活：基于单一岩性的实验动力学研究及其在CFD模拟中的应用

《Fuel》：Thermal deactivation in underground coal Gasification: Experimental kinetics Examination and Application in CFD simulation Based on a single lithotype

　　摘要
地下煤气化技术作为一种生产氢气或甲烷的替代技术，日益受到全球关注。然而，如果不考虑热失活过程，就无法准确评估煤焦的反应性，而煤层的低渗透性会加剧这一现象。更糟糕的是，传统CBK模型中的热失活模型无法为地下煤气化过程提供合理的预测结果。研究团队使用改进的两步分析仪在原位进行了热失活实验，进而建立了相应的动力学模型。将该改进模型与CBK模型均纳入地下煤气化的计算流体力学模型中，并将模拟结果与实验数据进行对比。结果表明，采用改进热失活模型时，温度变化更为精确，相关系数为0.9957，p值为0.0043；而使用CBK模型得到的结果与实验数据存在显著差异，因为该模型高估了热失活速率。此外，热失活现象与煤层成功点燃密切相关，在地下煤气化点火阶段更为严重。

引言
地下煤气化技术是一种环保、安全、高效且低碳的煤层利用技术，具有诸多优势：1. 该技术对地表生态环境的干扰极小；2. 通过无人化地下作业，可避免地下采矿带来的安全事故；3. 能够开发那些用传统开采方法难以开采或成本过高的煤层；4. 通过将固体煤转化为富含甲烷和氢气的合成气，既能减少碳排放，又能形成适合碳捕获与封存的地下空间。正因如此，包括前苏联、美国、澳大利亚、加拿大和中国在内的多个国家已对这项技术开展了一个多世纪的研究与开发。

然而，当在更深层的煤层中尝试应用地下煤气化技术时，又出现了新的问题。根据斯旺希尔地区1400米深度的试验，高压100巴条件下煤层的渗透率低于1毫达西。而中国即便在数百米深度的煤层中，其渗透率也极为低下。有数据显示，在鄂尔多斯、准格尔等中国典型煤层中，渗透率低于1毫达西的煤层占比超过50%。较低的煤层渗透率导致氧化剂或气化剂在煤层内的传质速率远低于气体中的速率。因此，地下煤气化过程中的燃烧和气化主要发生在煤层与气化腔的界面处。随着煤层反应的进行，煤层表面会积累灰分，进一步阻碍氧化剂和气化剂接触未反应的煤层。这使得煤层反应始终处于较低水平，反应速率受控于氧化剂和气化剂通过煤层及灰分层的传质速度。

地下煤气化反应速率不仅受传质效率低的影响，还受煤层内部热传导的影响。由于煤层内传质能力弱，对流热传导受到极大限制，而导热则成为主导的热传递机制。通过灰分层的热传导，相邻的煤层会发生干燥和热解，温度可升至800–1100开尔文。实际上，处于这种高温且无氧环境中的煤焦层会逐渐失去反应活性，这类高温条件会降低煤焦的反应性，这一现象被称为热失活。研究表明，与未经处理的煤相比，仅在1000–1600摄氏度下经历几秒钟热失活处理的煤，其燃烧反应性就会下降25%以上。根据先前的实验和数值研究，反应前沿的传播速度约为0.15–1.2米/小时，而在高温无氧区域中，煤焦层的厚度大约为1厘米。在地下煤气化过程中，经历热失活的煤焦停留时间从1秒到1.5小时不等，这一时间受注入点位置和主气流方向等多种因素影响。因此，热失活持续时间的不同会导致煤层不同区域的煤焦反应性出现差异。若忽视热失活效应，将会使地下煤气化过程的模拟结果出现严重偏差。因此，有必要建立一种模型，量化热失活过程对煤焦反应性的影响，从而实现对该技术性能的可靠预测。

关于煤焦热失活的研究已经开展了数十年。早期研究发现，无论是经过热失活处理还是未处理的煤焦，其反应速率常数与活性表面积之间存在线性关系。受热失活影响的煤焦反应性和活性表面积数据被用于建立热失活模型。利用k与ASA之间的线性关系，该热失活模型被整合到燃烧耗尽动力学模型中。在固定热失活温度下测得的燃烧速率常数与CBK模型的预测结果进行了比较，结果表明，CBK模型无法有效预测特定温度条件下热失活过程对地下煤气化的影响。因此，亟需一种适用于地下煤气化模拟的热失活模型。本研究使用自主研发的两步反应分析仪，研究了658至765摄氏度范围内的热失活效应，基于实验数据建立了改进的热失活模型。随后，通过在尺寸为300×300×230毫米的煤块上开展地下煤气化点火模拟，验证了该改进模型的有效性。同时，也在模拟中用CBK模型作为改进模型的替代方案。将两种模型的模拟结果与相应实验数据对比，以评估它们的预测性能。

材料
煤样采集自中国新疆省的一个地下煤气化试验场。采集到的煤样被暂时储存在4摄氏度的冰箱中。在开展热失活实验之前，煤样被研磨并筛分成75～105微米大小，然后在105摄氏度的烤箱中干燥24小时。表1列出了经空气干燥后的煤样的近似成分和元素分析结果。

两步反应分析仪
该分析仪由层流反应器与微流化床反应器组合而成。

动力学方法
燃烧动力学方法已在先前研究中详细描述，而热失活动力学方法如下。煤焦的热失活程度Xt由公式（1）定义：
Xt=kt-k0/(k∞-k0)
其中，kt和k0分别表示煤焦在热失活时间为t时的反应速率常数以及无热失活时的反应速率常数；k∞则表示完全热失活后的煤焦的反应速率常数。Xt的值遵循公式（2）给出的阿夫拉米方程：
Xt=1-e^(-kd/t)
其中，td为热失活时间，n为某个常数。

煤焦热失活动力学实验
为了研究不同温度下的热失活过程，将热失活温度设定为658、693和765摄氏度。实验结果如图4所示。在高温无氧环境中，煤焦的燃烧活性逐渐下降。例如，在658摄氏度下，经过4、10、100和500秒的热失活后，碳转化率达到90%分别需要446.63秒、483.11秒、594.35秒和652.04秒。而且，热失活温度越高，煤焦的燃烧速率下降得越快。

结论
由于地下煤气化过程中热失活效应的增强，煤焦的反应性变化幅度很大。因此，寻找一种可靠的热失活模型对于地下煤气化模拟而言至关重要。本研究通过实验研究了热失活动力学，并在Fluent软件中构建了改进的热失活模型，用以分析热失活过程对地下煤气化模拟的影响。主要结论如下：1. 在658～765摄氏度范围内，通过改进的两步分析仪对热失活过程进行了原位研究，研究结果表明……

致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（2024YFE0101800）、中国教育部基础学科拔尖计划（JYB2025XDXM302）以及中国国家自然科学基金（52206142和52076093）提供的资金支持。

作者名单：易晓、熊国耀、李明达、罗光谦、张浩宇、邹仁杰、岳俊荣、李贤、姚红
单位：中国华中科技大学煤炭燃烧国家重点实验室，武汉430071