在全球氣候變暖的背景下，中國的經濟發展像是被套上了緊箍咒。讓國民困擾的正是“富煤、少氣、缺油”、一次能源結構以煤炭為主、低碳能源資源的選擇有限這樣一個國情。幾乎被所有能源報道所引述的數據是，火電依舊占中國電力的八成以上，在很長一段時期內，煤炭仍將占據60%~70%的能源比重。而中國經濟每年光鮮的報表背后，是中國產煤區難以抑制的環境災難和居高不下的礦難發生率。
  
　　在中國把煤炭清潔利用提升至國家戰略時，煤炭地下氣化技術在多年數次沉浮之后重新成為業界廣泛關注的熱點之一。
 
　　煤炭地下氣化技術（UCG），即將處于地下的煤炭進行有控制地燃燒氣化，通過對煤的熱作用及化學作用產生可以利用的氣體能源，變物理開采為化學開采。從而把有用成分取出，將污染物如煤矸石、二氧化碳等廢物留在地下，既減少了碳排放、防止了安全事故發生，又可以生產氫氣、甲烷、甲醇等化工產品。
  
　　“我國因采煤對環境污染而造成的經濟損失大約有17450億元，這還不包括氣候環境的變化、溫室氣體變化等造成的損失。”88歲高齡的中國礦業大學教授余力是中國UCG的先行者與集大成者，在接受采訪時，他告訴記者：“這正是我們將煤炭的物理開采方法轉變為化學開采方法的原因。”
  
　　余力教授幾乎將其后半生的全部精力都投放在中國UCG的試驗和發展上。他的觀點是：我國煤炭工業必須在開發利用與環境保護的協調發展模式下，解決三個不容回避的問題：提高煤炭的回采率；最經濟、最大限度、多方位、科學地提高煤炭的利用水平；最大限度地減少燃煤的污染，最終達到可持續發展的目的。而UCG技術將成為解決這些問題的有效途徑之一。
  
　　“UCG最大的價值在于它可以成倍地增加煤的資源開采量。”余力指出，傳統機械采煤方法難以利用的劣質煤、薄層煤、陡傾斜煤層、埋藏深度大于1000米、廢礦區殘留煤（1953~2003年達300億噸）均有可能通過UCG技術得到充分開發利用。“通過UCG生產煤氣，用以合成燃油和天然氣以替代進口石油，我國能源就可大大減少對進口石油和天然氣的依賴，從而保證我國能源安全。”余力說。  

　　UCG生產的煤氣是化工廠產業的重要原料。而煤氣運輸方便，可以顯著減輕我國西煤東運、北煤南運的運輸壓力。
  
　　此外，UCG的生產過程將大量的煤灰、煤矸石等污染物留存在地下，可以實現不占地、不污染地表環境以及減輕地面沉陷。“UCG從根本上解決了傳統采煤的多種地質災害，使煤炭生產更加安全，也大大減少了礦難和煤礦工人的職業病。”余力指出，“盡管UCG也會引發一些環境污染，這相對于煤的地表使用所造成的損失和污染問題的嚴重性而言，相距懸殊，況且這是可以通過采取相應的技術手段來妥善解決的。” 
 
　　UCG之于中國的戰略意義是顯而易見的。在中國，以余力為代表的一批技術先行者已經在UCG的道路上走在了國際同行的前面，但他們也遇上了諸多問題。 
 
　　科學家的試驗 
 
　　早在1888年，門捷列夫就曾設想：隨著時間的推移，這樣的年代可能要實現，即煤不必從地下開采出來，而是在井下直接提取有益元素，轉化為氣體，再用管道輸送到遠方。將一切有害物質都殘留在井下。
 
　　將門捷列夫的偉大創見首次化為現實的是英國著名化學家威廉·拉姆塞，他于1908年在都賀煤田進行地下氣化實驗獲得成功，并用其發了電。
 
　　煤炭地下氣化在我國始于1958年。研究人員以空氣為氣化劑，在山西大同胡家灣等地，獲得了地下煤氣每立方米833~1322千卡的熱值煤氣。   

　　從1984年開始，余力開始了他25年的煤炭地下氣化研究工作。回憶這段推廣中國UCG之路，余力感慨頗深。 
  
　　1990年，煤炭地下氣化半工業性試驗被列入國家“八五”科技攻關項目。1990年底，錢學森在《人民日報》上著文《要從整體上考慮并解決問題》，他在文章中指出：“蘇聯在50年代做了很多煤炭地下氣化的工作”。“我們要研究這個技術，現在就要研究”。“這個技術一旦做了，就會使我們整個生產技術大為改觀”。 

　　錢學森對煤炭地下氣化技術的關心讓余力終生難忘。錢老曾八次親筆寫信給余力，高度評價了新河二號井半工業性試驗的意義——“這也實際上把將近一個世紀之久的多次在各國試驗而未工業化煤炭事業，結合現代化工、能源技術，成為綜合化事業。中國人應該完成這項任務。”這樣，“21世紀將出現不要人下井去采礦的聯合能源、化工、冶金的新工業。不要人下去采掘，礦層可以深到地下千米、數千米，我們的資源概念也將革命了，是真正的新世紀了”。錢老所述革命的內容，就是煤炭地下氣化成功后帶給人們的成果。 
 
　　煤炭地下氣化技術也引起了決策層的關注。1994年5月，江澤民總書記在中南海接見了正在新河進行地下氣化試驗的余力，并親筆題詞：“中國礦業大學煤炭地下氣化試驗資源的充分利用以及經濟效益來講，值得進一步研究。”時任國務院副總理鄒家華也就煤炭地下氣化技術召集余力同國家計委、科委、煤炭部等座談，對這項試驗和開發作出了部署——先抽放瓦斯，再采煤，最后氣化，將全部煤炭資源回收利用起來，作為今后長期采煤的方針。“這是多么英明的決策，但事到如今都沒有下文，為什么？政府有關管理辦事的官員值得深思。”余力說。  

　　1992年，國家科委頒布的我國科學技術中長期發展綱要“白皮書”。其中關于煤炭地下氣化技術發展方向明確規劃：“到2020年的戰略目標和關鍵技術是完成煤炭地下氣化試驗研究”并“建立商業性煤炭地下氣化站”。 
 
　　而到目前為止，煤炭地下氣化爐已在我國不同煤層地質條件下完成了工業性試驗及初步的商業化推廣應用，所生產的低熱值、中熱值的煤氣以及水煤氣已被開發服務于民用、工業鍋爐及內燃機組發電。

　　據余力介紹，上世紀80年代中期，他們完成了徐州馬莊礦地下氣化現場試驗，90年代中期又完成了徐州新河二號井煤炭地下氣化半工業性試驗和河北省唐山劉莊礦煤炭地下氣化工業試驗，并在山東、山西等地進行了商業化推廣應用。目前，山東新汶礦業集團建成了6座地下氣化爐，所生產的煤氣主要用于民用及發電，形成了全國最大的煤炭地下氣化工業生產基地。
  
　　技術發展新趨勢 
 
　　西方工業國家對UCG的工業化試驗盡管隨著國際油價的高低起伏幾經起落，但對UCG的研究試驗從未停止。余力說：“美國、澳大利亞、英國、加拿大、南非和印度等國運用UCG已建成了幾個大型的發電站，我們落后了。”
 
　　UCG可以用于發電、制氫、清潔燃料、化工原料等，據余力介紹，近幾年UCG產業發展出現了四種新的方向：第一，UCG與聯合循環發電產業的結合（UCG-IGCC）；第二是UCG與碳捕獲、利用與封存產業的結合（UCG-CCS）；第三，UCG與制氫產業的結合（UCG-HGC）；第四，UCG與燃料電池發電產業的結合（UCG-AFC）。“這是一個把化石燃料的煤轉化為清潔燃料的重要階段。”余力說。 
 
　　余力強調，當國內還在討論要不要大力推廣煤地下氣化的時候，國外包括亞洲某些國家正在積極地進行煤地下氣化的應用并取得成果，值得我國從事能源管理及科研人員的深思。 
 
　　中國華亭、新汶煤礦目前已建成UCG與發電站相連接項目，“現階段，我們的發電機組都是燃氣內燃機而不是IGCC，水平是落后的，而且發電量很小。將UCG與IGCC相結合應成為我們努力的方向。”余力說。 
 
　　余力介紹，國外煤炭地下氣化多以無井式工藝為主，該工藝始終未能解決地下氣化爐爐型小、熱值底、熱穩定性差、成本高等問題，在研究總結各國煤炭地下氣化工藝的基礎上，結合我國報廢煤炭資源逐年增多的國情，余力和他的研究團隊經過數十年研究提出了“長通道、大斷面、兩階段”的地下煤炭氣化新工藝（LLTS-UCG）。

　　煤炭在地下被氣化之后可生成可燃的富氫煤氣，在地面經多種凈化過程和分離后，可使煤氣分為兩部分：一部分是壓縮氫，另一部分是純二氧化碳。氫氣可供給能源燃料電池發電，而二氧化碳則可被捕獲和封存于地下。
 
　　據介紹，“長通道、大斷面、兩階段”地下氣化新工藝是在前蘇聯老工藝理論基礎上形成的，老工藝已經歷了70多年工業化生產的考驗。“新工藝較以往任何工藝，確有進步和提高，更有利于走向商業化生產之路。”余力說，“英國2004年發布的藍皮書已經將我們的技術納入進去，并且在波蘭的UCG制氫項目上得以應用。這是值得中國人自豪的事情。”
 
　　制氫也成為UCG的重要利用方向之一，這一點，歐洲在實踐上走在了前面——3年前開始的“波蘭氫地下氣化”項目已經實現了UCG制氫，且于2010年4月用于燃料電池發電。 
 
　　正如余力所言，中國科學家目前掌握了UCG制氫技術的制高點。清潔煤公司主席Rohan Conrtney日前對全球UCG煤氣組分數據進行了分析比較，得到國際同行承認的事實是：“UCG過程中可以得到氫含量高的煤氣，其中氫含量最高的兩個數據來自于中國江蘇新河礦和唐山劉莊礦的UCG。”
 
　　“我們UCG煤氣中的氫含量可高達60%~70%，這與國外平均17%的數據相比，可以說具有明顯的優越性。”余力介紹說。
 
　　對今后UCG技術產業化前景，余力的觀點是，UCG產業化實施對中國最為現實。UCG產業化推廣應用，必將對我國的節能減排、資源的綜合利用、煤炭安全生產和礦區生態環境改善發揮重要作用。為此，余力建議應從長遠和戰略高度來規劃煤炭地下氣化技術的未來產業化發展戰略。 
 
　　產業化試水
  
　　對于發電企業和煤化工企業而言，如果不提前進行技術布局和經驗積累，未來很可能陷于被動。于是他們成為推動這一技術產業化進程的積極力量。 
 
　　過去3年間，內蒙古新奧集團斥資8.6億元在烏蘭察布建成一套生產能力為15萬標準立方米/天的無井式煤炭地下氣化試驗研究和生產系統，這被業內評價為“中國采煤技術的一場革命”。 
 
　　UCG分為有井式、無井式和混合式3種，以往我國開展的多是有井式UCG，而近年來以梁杰教授帶領的中國礦業大學（北京）無井式煤炭地下氣化研究小組與新奧氣化采煤有限公司聯合開展的烏蘭察布無井式煤炭地下氣化技術的實驗獲得了階段性成功。 
 
　　據新奧氣化采煤有限公司總工程師陳峰介紹，截至目前，內蒙古新奧煤炭地下氣化項目成功實現了煤炭地下氣化燃燒發電，該項目裝置已平穩運行300多天，累計氣化燃燒發電46.9萬千瓦時。同時形成了一批有價值的創新性研究成果，申請了9項專利。該項目所取得的技術成果填補了我國在無井式煤炭地下氣化技術領域的空白，達到了國際領先水平。陳峰介紹，按照規劃，到2012年前，新奧集團利用無井式地下煤炭氣化技術還將建成年產2萬噸優質甲醇生產線。該項技術極具成本優勢，具有較高的經濟效益。 
 
　　據余力介紹，烏蘭察布無井式煤炭地下氣化項目目前可以實現二氧化碳減排。氣化后的煤氣熱值達到1000大卡，煤氣不僅可用于發電，甲烷化后還可用于生產化工產品，即合成甲烷、甲醇和氫氣等。 
 
　　陳峰向記者介紹，新奧準備在2013年建立一個2萬噸甲醇和700萬立方米甲烷整個化工的示范工程。目前，該項目正在上報國家發改委，等待審批。“這是新奧對于煤炭地下氣化未來的發展規劃。”陳峰說。
 
　　陳峰還介紹了新奧在廊坊的實驗，用地下產生的合成氣進行發電。這個實驗室具備了以下特點：一是全世界第一個首先用于模擬地下氣化高壓條件下的氣化；二是可以模擬地下涌水的氣化；三是使用由新奧自主開發的高溫攝像機；四是在線監測氣化爐溫度場、壓力場及出口煤氣組分。

  　　“無井式煤炭地下氣化技術較有井式煤炭地下氣化技術，不僅省去了建設煤井、采煤和運輸煤炭的繁瑣高成本過程，還避免了井下安全事故的發生。合成的天然氣比傳統工藝節省40%成本，電力成本節省25%。”余力告訴《科學時報》。
 
　　陳峰強調，由于受到技術水平的限制，按照目前該項技術的經濟成本核算，無井式煤炭地下氣化技術還不能普遍使用所有煤層條件，而是對低品位、高硫、低變質褐煤、薄煤層、深煤層、廢棄煤井更為適合，是對傳統煤炭開采方式的重要補充。  

　　余力認為，最主要的條件應該選擇100米厚煤層，然后處理好水文地質問題，是無井式優選之地。
 
　　國務院參事、國家能源專家咨詢委員會主任徐錠明在參觀了新奧烏蘭察布工程之后評價道：“煤氣化是煤化工產業化發展中最重要的單元技術。多年來，一些專家和煤礦在地下煤炭氣化方面所作的研究和探索，新奧集團在內蒙古烏蘭察布開展的地下煤炭氣化試驗項目，其重要意義就在于：為新一代煤化工開辟一條新的原料供給途徑。煤炭地下氣化產業化的實現必將有力地促進和推動我國新一代煤化工的發展。”  

       前景可期
 
　　“盡管中國的UCG研究取得了長足的進步，但要實現產業化仍有很多問題亟待解決。”中國礦業大學煤炭地下氣化低碳能源技術研究所所長王作棠告訴《科學時報》：“這么多年來，這項技術始終推進較慢。”
 
　　王作棠教授是甘肅華亭礦區難采煤UCG發電項目的技術總負責。華亭礦區地下殘留著6億多噸難采煤，資源量大面廣，但由于地質條件復雜，傳統的重型機械設備采煤方式難以高產高效回收利用。“采用UCG工藝的輕型流體化開采裝備并結合充填巖控技術，就可大大提高煤炭資源回采率。”王作棠說。
  
　　據介紹，華亭礦區難采煤UCG發電項目，自今年5月初成功點火產氣以來，至今已連續穩定運行120多天，日產煤氣16萬方，水煤氣熱值超過2400大卡。并且，配套電站設計裝機4000kW，目前已安裝1000kW機組，經廠家改造后已達到正常運行。這被余力評價為“不容易”也“不簡單”。
  
　　“這個項目雖是UCG綠色開采與燃氣發電技術的工業性試驗，它具備了大中型氣化礦井的產業示范規模，打通了整個生產工藝流程，實現了生產系統裝置配套，這將為真正的產業化工程打下了扎實的基礎。”王作棠說。
 
　　1999年回國之后，王作棠在UCG領域耕耘至今。“過去有許多誤區，主要是對地下燃燒問題的癥結認識不清，控制缺乏有效手段。因而，被許多人認為這項技術本身不過關，事實上，我們也走了不少彎路。”王作棠說，“近年來，在余教授指導下，我們礦業大學積聚了多學科的科研力量，對地下燃燒蔓延定向控制機理、高啟動能源點火技術、移動注氣技術、兩階段制氣工藝、充填巖控技術等進行了深入的實驗研究，取得了一系列的實用新成果。華亭項目的成功就是一個有井式‘長通道、大斷面、兩階段’新工藝應用典型的實例。”
 
　　對今后的煤炭地下氣化技術產業化前景，王作棠頗具自信，他告訴《科學時報》：20多年來，我國在有井式和無井式UCG上都進行了工業性試驗，在基礎理論、工程設計和儀器裝備各方面都進行了配套的系統研發。這些成果已經為中國的UCG產業化打下了基礎。“與此同時，我國地下氣化試驗基地建設的規模、范圍、適應煤種及地質條件等方面，在世界上也是首屈一指的。UCG的產業化實施對中國而言最為現實。”王作棠說。
  
　　作為中國UCG領域的集大成者，余力歷經了這項技術25年來的數次起落。“這項技術盡管得到了錢學森的高度關注、江澤民主席的親筆題詞、鄒家華副總理的親自部署，但就是沒有能夠使中國的煤炭地下氣化技術真正走上商業化的路，究其原因，恐怕還在于現階段我們的科技管理水平落后和科技工作人員素質較低。”余力感慨頗深，“值得高興的是，現在我們越來越清醒地認識到這一點：胡錦濤總書記在今年兩院院士大會上提出的，要提高我國科技水平、科技工作人員素質和科技管理水平，這正是解決問題的關鍵之道。”  　　

        為此，余力建議，國家要將煤炭地下氣化工作作為一項具有長遠意義的戰略措施來抓。以往試驗研究都以企業投入為主，企業研發往往不系統，遇到重大的技術問題時因經費不足而擱淺。我國對UCG的政府投入非常少，截至目前我國在UCG上的累計投入大約2000萬元，還不到美國、英國等國家的千分之一。“要使地下氣化技術能普遍地推廣應用，政府必須加大投入，國家在各個階段都要給予支持。否則這方面難以獲得大的進展。”
  
　　“我們做這件事，是為了中國每年上千名礦工的生命不再消逝，是為了幾百萬名礦工不再受職業病的威脅，是為了每年比全國的教育經費還更高的經濟損失和不能挽回的環境災難不再發生。”余力說，“這就是我的畢生夙愿。”
  
　　我們做這件事，是為了中國每年上千名礦工的生命不再消逝，是為了幾百萬名礦工不再受職業病的威脅，是為了每年比全國的教育經費還更高的經濟損失和不能挽回的環境災難不再發生。”

來源：科學時報