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题名煤炭地下气化关键特性多尺度研究进展
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作者
胡卓成
姚军
孙海
李龙龙
安国强
武召辉
闫霞
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机构
深层油气全国重点实验室(中国石油大学(华东))
中国石油大学(华东)石油工程学院
中国科学院力学研究所
中国科学院大学工程科学学院
中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司
中石油煤层气有限责任公司
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出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第8期3774-3796,共23页
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基金
国家自然科学基金重大资助项目(42090024)
国家自然科学基金重点资助项目(52034010)
山东省杰出青年基金资助项目(ZR2022JQ23)。
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文摘
煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)作为一种清洁高效的煤炭开发利用技术,具有广阔的应用前景。从多尺度视角出发,系统探讨了UCG技术的“五多”特性(多相、多组分、多物理场耦合、多尺度、多流动模态)及其研究进展。在分子(纳米级)尺度上,通过试验和分子动力学模拟方法,揭示了煤炭热解和气化过程中的反应路径及机理,明确了气化剂类型、煤阶、灰分等因素对反应速率和产物组成的影响。在孔隙(微米~厘米级)尺度下,研究了高温和气化反应对煤体孔隙结构和物性演化的影响,在煤炭被加热的过程中,骨架逐渐软化,裂缝不断发育,孔隙相互连接,挥发分和焦油逐渐析出,强度持续降低。实验室(米级)尺度的研究通过构建与原位UCG相似的物理化学环境,开展物理模拟试验,重现了气化过程中的关键现象,如温度场、压力场变化、气化腔结构和气体产物生成,研究表明运行压力、气化剂注入方式、煤阶等因素对合成气热值和组分有显著影响。在矿场(百米~千米级)尺度下,数值模拟方法成为优化UCG方案的重要工具,热-力耦合和热-流-固-化耦合的数值模拟研究揭示了气化过程中气化腔体的稳定性、岩层变形、特征场发展、气化腔拓展以及合成气生成与运移规律,为优化UCG工艺参数、提高气化效率和安全性提供了理论支持。然而,UCG技术仍面临诸多挑战,包括“多相”“多组分”反应和赋存机理复杂、“多物理场”耦合特征的演化规律不清晰以及“多尺度效应”和“多流动模态”的综合影响。未来的研究应进一步加强多尺度下的基础研究,加强对超高温、高压、高应力环境下的多相多组分流体生成与运移过程探索,发展跨尺度关联方法,完善多物理场耦合机制,充分考虑多流动模态影响,综合考虑气化期高效生产与闭井期污染防控全周期协同影响,以推动UCG技术的工业化应用和可持续发展。
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关键词
煤炭地下气化
多尺度
关键物性
多物理场耦合
超高温高压高应力
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Keywords
underground coal gasification
multiscale
key characteristics
multi-physical field coupled
ultra high temperature,high pressure,and high stress
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分类号
TD84
[矿业工程—煤矿开采]
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