煤炭地下气化开发利用现状与发展趋势

陈井瑞，杨瑞召，韩枫涛，许 超，孙梦迪，张 昊

(中国矿业大学〈北京〉地球科学与测绘工程学院，北京市海淀区，100083)

0 引言

我国是世界上最大的煤炭生产和煤炭消费国。根据国家统计局的数据，2022年我国煤炭总产量达到45.6亿t，进口量为2.9亿t。同年，国内能源消费总量为54.1亿t标准煤，其中煤炭消费占比达到56.2%[1-2]。煤炭在能源工业消费中主要用于发电、钢铁和化工等行业，如图1所示。与传统的煤炭开采方式相比，煤炭地下气化技术(Underground Coal Gasification，UCG)作为一种清洁、低碳、安全、高效的新型能源获取方式，日益受到人们的关注和重视。该技术利用深部煤炭资源进行氧化还原反应，将煤炭转化为可燃气体，可以降低煤炭开采成本，减少环境污染和二氧化碳排放。据国际清洁能源委员会(IEA)统计，煤炭地下气化技术相对于传统的煤炭开采方式可以将煤炭利用率提高到80%甚至更高，是一种非常有前景的清洁能源技术。

图1 煤炭能源工业消费结构

笔者通过介绍我国煤炭地下气化技术的研究历程、发展目标和相关政策，分析了开发煤炭地下气化技术在经济、环境和社会效益等方面的影响，并使用PESTEL模型对煤炭地下气化进行综合分析，以明确技术发展中的不利因素。最后，在分析结果的基础上提出了技术、政策和环境3个方面的解决方案和政策性建议，以推动我国煤炭地下气化技术的发展。

1 煤炭地下气化技术进展

1.1 研究历程

煤炭地下气化是我国低碳高效煤炭能源结构发展的驱动力之一，可能成为弥补我国天然气供需缺口的多元化途径之一，在碳减排方面也具极大优势[3-4]。

早在1868年，德国科学家西门子(SIEMENS William)首次提出将地面气化炉搬到地下煤矿直接气化煤炭[5]。1888年，俄罗斯化学家门捷列夫(MENDELEEV Dmitri)提出了含有控制的、直接地下煤点火、钻注入井和生产井的煤地下气化(UCG)的基本工艺概念，奠定了该技术的基础[6-7]。20世纪30～50年代，煤炭地下气化技术在苏联得到了进一步的研究和发展，成为其国家能源战略的一部分[8-9]。1960-1980年，美国、英国、中国等也相继开始研究和开发煤炭地下气化技术。在这一时期，煤炭地下气化技术取得了显著的进展，涌现出多种不同的气化方法和工艺[10-11]。

21世纪以来，随着环境保护和可持续发展的重要性日益凸显，煤炭地下气化技术逐渐受到关注[12]。在这一时期，美国、俄罗斯、加拿大、中国、澳大利亚等国家加大了对煤炭地下气化技术的研究和应用，致力于提高煤炭利用效率、降低环境影响。全球具有代表性的煤炭地下气化示范项目见表1[13-14]。

表1 全球煤炭地下气化技术示范项目

我国煤炭地下气化技术的首次试验项目于1958年在山西展开，随后在内蒙古和辽宁等地也进行了一系列试验，但是由于技术条件和经济环境的限制，这些项目并未取得很大的成功；1980-1990年，我国对煤炭地下气化技术进行了全面的研究和推进[15-16]；1984年，我国科技部启动了煤炭地下气化的重点研究项目，推动了技术的进一步发展，这一时期内我国建立了多个试验基地和研究机构，进行了大量的试验和研究工作[17-18]；2012年至今，随着能源需求的不断增长(图2)，我国加速了煤炭地下气化技术的研发，推动了多个大规模的煤炭地下气化项目的建设，包括徐州马庄、山东孙村煤矿和内蒙古乌兰察布等地[19-21]，同时也加强了对煤炭地下气化技术的创新研究，提高了效率和环保性能[22-24]。

图2 2012-2022年能源消费总量及其增速

近年来，我国能源产业不断发展，部分民营企业开始从不同角度涉足煤炭地下气化产业，例如制氢或制气。这些企业在内蒙古和新疆等地进行了浅层煤炭地下气化的前期研究和实践。此外，一些大型石油和天然气公司也积极考虑将煤炭地下气化与自身的天然气产业链相结合，以增加天然气供给能力[25]。这些研究进展将积极推动我国煤炭地下气化产业的发展。

1.2 发展目标

根据中国煤炭工业协会发布的数据，煤炭资源的清洁高效利用一直是我国煤炭资源的发展目标。中国工程院院士袁亮指出：“我国关闭/废弃矿井中赋存煤炭资源量高达420亿t。预计到2030年，我国废弃矿井将达到1.5万处。”[26-27]2005-2017年我国部分省(区)废弃矿井数量统计[28-29]如图3所示。关闭/废弃的矿井不仅会直接造成资源浪费，导致20～30亿元/矿的国有资产流失，而且还会诱发环境安全及社会问题。

图3 2005-2017年我国部分省(区)废弃矿井数量统计

在“绿水青山就是金山银山”这一理念指导下，我国煤炭地下气化技术的发展目标是提高能源利用效率、降低环境污染、提供清洁能源，推动能源结构转型，实现可持续发展和能源安全[30-31]。

(1)提高能源利用效率。根据国家能源局的数据，我国煤炭开采和洗选业的产能利用率2016年为59.5%，2017年提升至68.2%，2018年进一步增加到70.6%。与此相比，煤炭地下气化技术能够直接在地下将煤炭资源转化为合成气，在理想条件下，其利用率可达80%以上(值得注意的是，实际应用中的利用率可能因技术、地质条件等众多因素而有所不同)。因此，与2016-2018年的煤炭开采利用率相比，煤炭地下气化技术有潜力将煤炭开采利用率提高10%～20%，达到80%或更高。煤炭地下气化技术产生的煤气可以用于发电、供热和工业用途。相比传统煤炭燃烧发电，煤炭地下气化技术发电的煤气利用效率可以提高10%～15%。然而，具体的数据和细节可能因为不同的项目和地区而有所差异。因此，仍有必要进行更多的研究和实践来全面评估和证明煤炭地下气化技术的实际效果。

(2)降低环境污染。相对于传统煤炭开采和燃烧，煤炭地下气化技术排放的污染物浓度和排放强度较低，有助于改善空气质量，减少二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等大气污染物的排放。

(3)提供清洁能源，推动能源结构转型。煤炭地下气化产生的煤气可以作为清洁能源用于发电、供热和工业用途，从而降低碳排放和温室气体排放，推动实现能源结构的转型。

1.3 政策方针

2016年11月15日，国土资源部、国家发改委、工信部等制定了《全国矿产资源规划(2016-2020年)》，指出力争到2020年，基本建立完善的资源保障体系，基本形成绿色矿业发展模式，基本建成现代化矿业市场体系，有效提升矿业发展的效率，塑造资源安全与矿业发展新格局。2019年12月31日，自然资源部印发《关于推进矿产资源管理改革若事项的意见(试行)》(自然资规〔2019〕7号)，指出要加强矿产资源的管理，优化矿产资源的开发、保护和利用。通过一系列措施，提高矿产资源的管理效能和资源利用效率，促进矿业发展与生态环境保护的有机结合。2021年10月21日，国家发改委、国家能源局和财政部等印发了《“十四五”可再生能源发展规划的通知》(发改能源等〔2021〕1445号)。我国矿产资源利用主要政策文件见表2[32-36]。这些政策文件推动了煤炭地下气化技术的发展。然而，煤炭地下气化技术发展仍需要在安全、环保和可持续发展的前提下进行，且需要不断进行监测和评估，以确保其实施过程中的安全性和可持续性。

表2 矿产资源利用主要政策文件及公告

2 煤炭地下气化开发利用效益

中国煤炭工业协会发布的《2022年中国煤炭工业经济运行报告》中指出：2022年，全国规模以上煤炭企业营业收入4.02万亿元，比2021年增长19.5%；实现利润收入1.02万亿元，增长44.3%；到12月末，应收账款 5 320.1亿元，增长23.1%，如图4所示。我国承诺到2030年将煤炭消耗量减少100 Mt，二氧化碳减少180 Mt[37]，而煤炭地下气化技术的开发利用可以为我国煤炭行业在经济、环境、社会等方面带来一定的效益[38]。

图4 2015-2022年全国规模以上煤炭企业营收与利润

2.1 经济效益

首先，煤炭地下气化技术可以利用深埋煤炭资源提供合成气(Syngas)能源，增加能源供应的多样性和稳定性，减少对进口能源的依赖，这在一定程度上降低了能源价格波动对我国经济的影响，同时保障了国家的能源供应稳定[39]；其次，煤炭地下气化技术可以开发利用难以开采的煤炭资源，包括煤矸石、深埋煤层等，大大提高了资源利用率，进一步推动我国煤炭行业的发展；最后，煤炭地下气化技术的开发利用促进了煤化工、煤气化、煤制烯烃等新兴产业的发展，提高了产业竞争力，推动经济结构转型升级。

同时，投资建设煤炭地下气化项目需要大量的基础设施建设和相关配套设施，如输气管道、气化工厂等，这将带动相关产业链的发展，提高当地经济发展水平。2015-2022年全国煤炭采选业固定资产投资增速图展示了在这一时期内煤炭采选业固定资产投资的变化情况，反映出投资趋势和经济活动的状况，如图5所示。可见，2020-2022年煤炭采选业固定资产投资增速有所上升，这意味着在包括煤炭地下气化项目在内的新技术和项目投资方面存在积极动态。这样的增速是由于政策支持、市场需求增长或对提高煤炭效率和环保目标追求的反映。

图5 2015-2022年全国煤炭采选业固定资产投资增速

以重庆市煤炭地下气化示范项目为例，根据煤气化的生产成本0.15～0.25元/m3、基建投资120～150元/m3计算，通过地下原位燃烧50万t/a煤炭，可以实现煤炭混合气产量400万m3/d。其中，氢气产量可达192万m3/d、甲烷80万m3/d、氮气及其他8万m3/d等，发电量168万kWh/d。将氢气、甲烷价格及电价分别按1.078 8、2.868 0元/m3及0.396 4元/kWh估算，通过销售氢气、甲烷、电等可实现年销售收入约14.35亿元。年运行总成本包括年固定成本、投资摊销年费用和年生产成本等，其中，年固定成本和投资摊销年费用需根据具体的项目情况而定，此处按7亿元/a估算，单位生产成本按0.2元/m3估算，可得年运行总成本约9亿元。综上所述，项目预计年平均实现利润超5亿元。

2.2 环境效益

长期以来，我国煤炭及煤制气生产企业在保护生态环境和降低大气污染方面承担着重要的责任[40]。而煤炭地下气化技术可以产生氢气、甲烷和电等绿色能源产品，拓宽了煤炭清洁化利用渠道，推动清洁能源的发展，并将产生的二氧化碳输送并回注到已经采空的天然气气田中，不产生任何碳和污染物排放，实现全过程碳中和。此外，煤炭地下气化技术还可以减少传统煤炭开采对地表水资源和土地的占用，降低矿井排水和矿山废弃物的产生，从而降低环境和生态破坏的风险，提高能源的可持续性。这些都将缓解我国因使用煤炭资源导致的大气污染以及煤炭开采对生态环境的破坏，为实现“双碳”目标提供了一条全新的途径。

2.3 社会效益

煤炭地下气化的开发能够为经济转型和新型城镇化建设增添一份力量，并对于相关产业链的发展具有推动作用。在开发的过程中，需要大量的专业人才和技术工人，可以提供就业机会，促进就业增长和社会稳定。在建设的过程中，需要大量的配套设施和装备，可以带动当地经济的发展。在运营的过程中，可以增加地方财政收入，改善当地居民的生活水平。但需要指出的是，在推动煤炭地下气化技术的发展过程中，需要制定严格的环境保护标准和管理措施，确保技术的安全性和可持续性。同时，需要加强公众参与和信息透明，促进社会的理解和支持。

3 煤炭地下气化技术开发存在的问题

利用PESTEL模型对煤炭地下气化技术进行了分析。PESTEL模型涵盖了政治(P)、经济(E)、社会(S)、技术(T)、环境(E)、法律(L)等多个方面[41]，可以确保对煤炭地下气化技术开发存在的问题进行全面、系统的分析，能够帮助深入了解煤炭地下气化技术开发的问题，并提出有效的解决方案。

3.1 政治因素分析

“十四五”期间，我国将加快推进煤炭行业科技创新和效率效益的发展，这一时期对煤炭地下气化技术的进步是至关重要的[42-43]。我国的能源政策和发展规划为煤炭地下气化技术的进步和应用提供了强大的支持和广阔的应用前景。通过推进煤炭地下气化等清洁能源技术的研发和应用，不仅可以优化能源结构，提高能源利用效率，还能助力实现绿色低碳发展的战略目标。

尽管政府出台了一系列有利于推进煤炭地下气化开发利用的政策措施，但仍需要开发先进的技术来支持煤炭地下气化项目的实施，同时也面临着巨大的投资风险。因此，政府需要加大对开发煤炭地下气化的资金投入，推动煤炭地下气化实现产业化。目前，美国、加拿大、澳大利亚、中国等在财政支持、法规和许可制度、专项资金、研发和创新技术等方面展开了实质性措施。但是，煤炭地下气化的开发可能涉及到土地征用和搬迁等问题，容易引起当地居民的不满和抵制。地方政府在推进煤炭地下气化项目时，需要解决社会稳定和民生问题，平衡各方利益，避免引发社会矛盾和不稳定因素。

3.2 经济因素分析

煤炭地下气化技术目前在经济方面存在着高成本、能源市场不稳定、风险投资难题和技术难题等问题。煤炭地下气化技术的建设和运营成本较高，难以与传统煤炭开采技术竞争。能源市场的价格波动和需求变化可能直接影响其经济效益，在能源需求增速下降、能源价格整体下降的背景下，煤炭地下气化技术的应用面临着“如何生产出最为经济的煤气”的挑战。另一方面，由于技术风险较高，会使得吸引风险投资变得困难。

3.3 社会因素分析

近30年来，我国在信息技术、生物医药、新能源等高新技术领域培养了大量科学家、工程师和技术人员，但对煤炭地下气化的开发利用未给予足够重视。煤炭地下气化技术是一项复杂的工艺，需要具备高水平的技术和专业知识。然而，相关技术培训和教育程度的不足，使得专业技术人员难以更好地掌握煤炭地下气化技术所需的知识和技能。由于煤炭地下气化技术还处于发展初期，对于新兴技术和创新有着强烈的需求，特别是在多学科的合作和交叉这一部分，如矿业工程、化学工程、环境科学等，然而目前多学科合作的机制和平台相对不完善，缺乏有效的沟通和合作机会。这导致了不同学科领域的专业人才无法充分协同，在一定程度上限制了煤炭地下气化技术的发展。

3.4 技术因素分析

一项技术是在经历实验室研究阶段、中试阶段、示范工程阶段、商业化阶段才能达到成熟。煤炭地下气化技术在国内还未达到商业化阶段，仍然处于实验室研究和示范工程阶段。尽管已经有一些煤炭地下气化示范项目在国内建设，但规模仍较小，存在一些技术和经济上的限制，因此，技术成熟度的挑战和问题仍然存在。另外，在煤炭地下气化项目建设的过程中，相关的技术包括“U”型井钻完井技术、点火技术、稳定控制工艺、监测技术、环保技术等应用尚需完善，国内对于煤炭地下气化涉及到一系列特殊的设备的供应能力尚且不足，例如，用于初期点燃煤层的点火系统、用于过滤合成气的气体净化系统和用于安全监测的传感器或报警系统等。相关设备的供应商数量有限，这直接导致设备的供应周期较长，项目建设进度受到影响。如果设备无法满足技术要求，可能会导致工艺效果不理想，影响项目的运行和产出。

3.5 环境因素分析

近年来，我国非常重视环境问题治理，发布了《水污染防治法》《大气污染防治法》《“十四五”重点流域水环境综合治理规划的通知》(发改地区〔2021〕1933号)等一系列保护政策[44-46]。煤炭地下气化虽然在一定意义上有助于碳中和目标实现，但在气化过程中会产生大量的温室气体(CO2、CH4)，对气候变化和全球暖化产生负面影响。同时，煤炭地下气化需要大量的水参与气化反应。这会对水资源相对紧缺的地区造成资源压力。同时，废水排放中可能含有高浓度的有害物质，如重金属和有机化合物，对水质造成污染。煤炭地下气化涉及对地下煤层的开采和气化过程，可能会对周围的地质环境带来不利影响，如地表沉降、地下空洞和地震等。煤气化过程中会残留部分未被气化的碳和重金属等，如果没有进行妥善处理和处置，会对土壤和水资源造成污染，对矿区和周边生态环境的产生破坏[47-48]。

3.6 法律因素分析

目前，关于煤炭资源管理与利用的法律主要有《中华人民共和国矿产资源法》和《中华人民共和国煤炭法》。同时，为促进煤炭地下气化技术的科学实施、合理开发和有效保护，国家相关部门及地方政府还根据这2部法律制定了相关法律法规和意见，如国家能源局等提出的《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》、国家发改委发布的《积极稳妥推进煤炭清洁高效利用，为高质量发展提供安全绿色的能源保障》、以及大同市政府发布的《大同市煤炭资源保护办法》等地方法规。这些法律法规文件等为煤炭地下气化技术的发展和应用提供了根本遵循，有助于有序的环境保护和资源开发利用，确保相关项目的可持续性和安全性。但是，我国仍缺乏专门针对煤炭地下气化方面的法律规范文件。这会导致在项目实施地过程中，相关法律的适用性和指导性不够明确，存在法律空白和模糊的情况。这可能导致一些煤炭地下气化项目在技术规范和环境保护等方面存在监管的漏洞和不足。

4 发展对策与解决方案

“十四五”时期，我国进入高质量发展阶段，必须坚持以新发展理念为指导，深入实施“四个革命、一个合作”的能源安全新战略，推动煤炭工业绿色转型，积极面对新挑战，发挥煤炭保障能源安全的基础作用，助推煤炭工业清洁利用高质量发展[49]。煤炭地下气化技术的未来发展需要综合考虑技术研究、环境保护、安全管理等因素，注重技术创新和可持续发展，以实现煤炭地下气化技术在能源供应和环境保护方面的双重效益[50]。

4.1 技术研究

(1)加强技术研究和创新。继续加大对煤炭地下气化技术的研究和创新投入，开展基础理论研究、工程实践与示范项目，并探索新的煤炭地下气化技术路线和解决方案。重点关注技术安全性、高效性、环保性和可持续性等方面的问题，以提高煤炭地下气化技术的整体水平。

(2)推进工程实践与示范项目。加强与实际工程项目的合作，建立煤炭地下气化技术的实际应用平台。通过在不同地质条件下的示范项目，验证和完善煤炭地下气化技术的可行性和适应性，积累实践经验和技术数据，为技术的推广和商业化提供支持。

(3)探索低碳排放技术。加强煤炭地下气化技术与二氧化碳捕集、利用与储存(CCUS)技术的结合，探索低碳排放的煤炭地下气化技术路径。研发和应用新型吸附剂、催化剂和反应条件，实现煤炭气化过程中二氧化碳的高效捕集和利用，减少向大气的排放，为实现低碳经济发展做出贡献。

(4)加强人才培养。需要加强煤炭地下气化技术领域的人才培养和教育，推动相关教育机构开设专门的培训课程。建立跨学科的合作机制和平台，通过行业、企业、院校合作，形成本科-硕士-博士连续性、跨学科的洁净煤工程科技人才培养通道，促进不同领域的专业人才之间的交流和合作[51]。同时，政府和企业可以提供更多的奖励和支持，吸引人才投身于煤炭地下气化技术研究和应用。

4.2 政策完善

(1)完善政策支持与法律保障。为减轻企业负担，政府应完善矿业权出让政策。建议在煤炭资源丰富的省份先行开展合理的实验性方案，对出让煤炭资源所获得的收益率进行合理的设置；对以申请在先的方式取得的矿业权，应充分考虑企业进行风险勘查应得收益。资源出让收益金缴纳方面，应按当年动用储量计算缴纳，减少企业付现压力。

(2)优化办理流程。为推动规划环评与国土空间“多规合一”，应优化煤矿建设项目手续办理流程，使规划环评具备科学的约束性指标，能够直接指导和规范项目建设。这样可以更好地适应市场化的煤炭资源配置，提升规划环评的作用和效果。

(3)加强安全管理和监控。加强煤炭地下气化项目的安全管理和监控，建立完善的安全技术标准和操作规程。加强对地下气化过程中的地质灾害、气体爆炸、地下水污染等风险的识别和评估，采取有效的监测和预警措施，确保煤炭地下气化项目的安全运行。

(4)加强国际合作与交流。建议建立国际合作机制、参与国际合作项目、举办国际会议和研讨会、建立国际交流平台，学习借鉴国际经验和措施以促进煤炭地下气化技术的创新和发展，加速技术的推广和应用，提高我国煤炭地下气化技术的国际竞争力和影响力，实现煤炭地下气化技术在全球范围内的可持续发展。

4.3 环境保护

在煤炭地下气化项目的规划和实施过程中，应加强环境保护措施的制定和执行，确保项目对水源、土壤和大气等环境要素的影响控制在合理范围内。采取有效的废弃物处理和废水处理技术，减少对周边环境的污染风险，保护生态环境的可持续性。

(1)严格环境监管。建立健全的法律法规体系，制定严格的环境监管标准和措施，监测和评估煤炭地下气化项目对环境的影响。加强监管力度，确保煤炭地下气化项目在环境保护方面的合规性和可持续性。

(2)强化水资源管理。气化过程中会涉及大量的水资源利用。加强对水资源的监控和管理，确保合理利用和节约用水。采用水资源回收和再利用技术，尤其在水资源相对匮乏的地区，要最大限度地减少对地下水的开采，减轻水资源压力。

(3)推进废弃物处理与利用。煤炭地下气化过程中会产生大量废弃物和排放物。加强废弃物的分类、处理和利用，采用环保技术和设备，减少废弃物对环境的影响。推动废弃物的资源化利用，实现循环经济的发展。

(4)强化环境风险评估与应对。在煤炭地下气化项目的规划和实施过程中，对环境风险进行全面评估和预测。制定应对策略和措施，加强环境风险的管控和应急准备，确保UCG技术的安全和环保性。

(5)加强公众参与与信息公开。加强与公众的沟通和互动，提高公众对煤炭地下气化技术的认知和参与度。开展公众教育和宣传活动，加强环境信息的公开和透明度，促进公众对环境保护的关注和监督。

5 结论

(1)“十四五”期间，我国煤炭行业主要集中在科技创新和效率效益的发展。开发利用煤炭地下气化技术具有潜在的经济和环境效益，可以促进投资和就业，减少温室气体排放。但目前我国的煤炭地下气化技术还未达到商业化阶段，仍然处于实验室研究和示范工程阶段。

(2)我国出台了一系列与煤炭能源开发利用相关的政策，但关于煤炭地下气化的特殊政策很少。国际合作和交流对于推动煤炭地下气化技术的发展至关重要，通过学习借鉴国际经验，开展合作研究和项目，可以共同解决技术和环境问题，促进煤炭地下气化技术的创新和应用。

(3)煤炭地下气化技术在实施过程中仍面临着诸多挑战。例如，地质条件适宜性评估和选择、点火过程的控制、排放控制等。要实现我国煤炭地下气化的发展目标，我国政府首先要做的就是提供技术上的支持，包括加强技术研究和创新、推进关键装备与技术研发等；其次就是要完善政策支持，加强安全管理和监控；最后要加强环境保护，确保煤炭地下气化项目对水源、土壤和大气等环境要素的影响控制在合理范围内。

(4)煤炭地下气化技术具有潜在的经济和环境优势，但在实施过程中仍面临着诸多挑战。加强国内高校-企业-能源公司的交流、国际合作以及建立环境保护措施，可以推动煤炭地下气化技术的发展，实现可持续能源开发和环境保护的双赢。