Enabling large-scale enhanced hydrogen production in deep underground coal gasification in the context of a hydrogen economy
地下煤气化（UCG）是一种新兴的清洁能源技术，具有显著的提高制氢产量的潜力，尤其是与注水相结合时。尽管已有实验室规模的研究探索了这种潜力，但深层UCG设置中注水辅助提高制氢产量的机制尚不清楚。本研究通过深层煤层模型的数值模拟来填补这一空白，旨在优化制氢效果。研究了单点和多点注水策略，并开发了一种可伸缩注水井技术，以确保持续的氢气输出和有效的空腔控制。结果表明，水煤气变换反应对于增加氢气产量至关重要。多点注水比单点注水更有效，可使氢气产量增加11%。引入可伸缩注水井技术后，日氢气产量约为传统注水方案的五倍，相同时间段内的累计氢气产量增加了约105%。重要的是，多点注水方法还有助于限制垂直空腔生长，从而降低含水层污染的风险。这些发现支持了UCG作为低碳能源来源在向氢能经济转型中的潜力。
CMG软件应用情况
本研究使用了CMG（Computer Modeling Group Ltd.）的STARS模块进行模拟研究。STARS最初是为模拟具有复杂热化学过程的油藏而开发的，已被应用于燃烧管实验、热解和自燃过程。通过将残余灰烬视为岩石结构、煤的含水量视为初始含水饱和度，以及将可燃物质视为UCG过程中的重油组分，该模拟器能够模拟UCG过程。模拟结果与实验结果和分析方法吻合良好，证实了这种方法的可行性。此外，其他研究也展示了将这种数值方法应用于相关研究的实用性。在本研究中，STARS模块用于模拟多孔介质中的质量、动量和能量守恒定律。
结论
- 注水汽化显著提高了氢气产量，与无注水汽化相比，最大增加了近五倍。这种增强归因于靠近高温炭边界和富含气体的空腔，水煤气变换反应在增加氢气含量方面发挥了关键作用。
- 进一步的模拟表明，多点注水使氢气产量增加了约11%，表明在更广泛的区域内注水有效地促进了以氢气为导向的吸热汽化反应。这种策略还有助于将注水位置定位于炭边界下方以获得最佳结果。
- 为了应对氢气产量随时间的下降，引入了一种可伸缩注水井技术。这种创新方法在延长高氢气产量持续时间方面显示出巨大潜力。通过伸缩操作，稳定的氢气率从2300 m³/天增加到约10000 m³/天。
- 注水在限制垂直空腔生长方面被证明是有效的，可伸缩注水井的影响更为显著。通过仔细操作注水点的伸缩，可以保持顶板岩的完整性，减轻含水层污染的环境担忧。这种方法还有助于后续在UCG后空腔中储存CO₂，与环境保护目标保持一致。
- 研究结果突出了UCG作为低碳能源来源的潜力及其在氢能经济中的关键作用，为未来研究提供了宝贵的见解。未来的研究应专注于优化注水策略，特别是多点注水，以提高氢气产量并降低能耗。此外，进一步研究不同地质和煤级条件下的水煤气变换反应，将提高氢气生产的稳定性和效率，特别是在深层或复杂煤层中。注水技术的可扩展性已显示出显著的长期效率改进潜力，未来研究应评估其在大规模工业应用中的可行性，重点关注不同UCG系统规模的适应性和调节性。此外，应通过实时监测和智能反馈系统探索在注水过程中精确控制空腔扩张，以确保环境安全并防止地下水污染。
作者单位
- 加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系
