煤炭地下气化数值模拟技术框架与研究进展及展望
东振1
孔令峰2
陈艳鹏1
张梦媛1
薛俊杰1
赵宇峰1
任博3
蔡承政4
邓泽1
陈浩1
1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083;中国石油天然气集团有限公司煤岩气重点实验室,河北廊坊 065007;国家能源页岩气研发(实验)中心,河北廊坊 0650072.中国石油俄罗斯公司,北京 100034;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 2665803.安徽理工大学力学与光电物理学院,安徽淮南 2320014.中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室,江苏徐州 221116
摘要：煤炭地下气化(Underground Coal Gasification,UCG)是一项具有发展潜力的煤原位转化清洁技术,数值模拟是研究复杂气化过程的有效手段.经过近50 a发展,UCG数值模拟技术取得了丰硕科研成果,但目前仍不成熟,成为制约UCG产业化的主要技术短板之一.为加快国内UCG数值模拟技术发展,更好地服务现场试验,提出了 UCG数值模拟技术框架,阐述了气化过程的热物理化学行为,综述了国内外主要研究进展和最新成果,并指出了存在问题和攻关方向.研究表明:①气化过程涉及的物理化学反应多、时间和空间跨度大、传质传热过程复杂,导致UCG数值模拟技术极具挑战性,从研究时间看,UCG数值模拟技术的发展可划分为3个阶段,虽与现场试验相比具有一定滞后性,但气化过程并非不可预测的"黑盒子".②UCG的科学本质是"变空间的三传一反"问题,气化产物与气化腔扩展预测是数值模拟的主要任务之一,气化腔扩展机制包括化学反应消耗、煤剥落和顶板破坏坍塌,气化腔内流体流动主要由温度差和浓度差引起的双扩散自然对流控制,辐射传热处于热量传递的主导地位,碎石与煤灰的渗透率比值对气化腔形态发育具有较大影响.③填充床模型、通道模型和煤块模型分别在产物预测、气化腔扩展预测和干燥锋面、燃烧锋面跟踪方面具有优势,过程模型将气化涉及的主要物理化学现象通过不同功能模块刻画,是实现复杂气化过程模拟的可行策略,计算流体动力学模型近年来发展较快,是目前主要的模拟手段.④未来UCG数值模拟技术会向着更精准、更系统、更高效、更智能的方向发展,亟须尽快解决大尺寸块煤化学反应动力学问题、多功能一体化集成问题,离散元方法和连续介质方法的耦合问题,矿场尺度的三维地质建模问题,数值模拟技术与人工智能的融合问题.随着数值模拟技术不断发展完善,必将在UCG产业化进程中发挥更大的技术支撑作用.
关键词：煤炭地下气化数值模拟传质传热化学反应动力学计算流体动力学人工智能
分类号：TD84(矿山开采)
资助基金：国家重大科技专项资助项目(2024ZD1406005)中国石油青年科技专项资助项目(2024DQ03221)中国石油天然气股份有限公司前瞻性基础性资助项目(2024DJ23)
论文发表日期：2025-08-31
在线出版日期：2025-09-29（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：21( 3797-3817 )
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