煤炭地下气化是目前最具潜力的煤炭流态化开采方案之一,其核心原理是使煤层在地下直接发生可控的燃烧与气化反应,通过热化学转化过程生成富含CO、CH₄、H₂等可燃组分的气体产物,同时将灰分等有害物质永久封存于地下。煤炭地下气化过程涉及多物理场耦合作用,包括气化腔的动态演化、热量的传递与耗散、岩层的应力分布以及复杂的化学反应等,这些物理过程相互影响,使得煤炭地下气化过程十分复杂,给相关研究带来了挑战。尽管现有研究在煤炭地下气化过程中气化腔的扩展形状、不同操作条件对煤气组分、热值的影响方面取得了一定进展,但仍未形成能够表征煤炭地下气化过程的成熟模型。现有的实验研究受限于实验条件(如实验压力无法达到实际气化压力、大多采用煤粉气化而非大块煤、忽略灰层对气化剂扩散的影响等),而现有的数值模拟在考虑操作参数(气化剂比例、鼓风量、压力等)对煤气影响时,也未能充分考虑煤层多孔介质内的流动、传热、传质和化学反应的耦合。为弥补以上不足,本文基于理论分析以及多物理场耦合数值模拟的方法,在多物理场耦合的作用下,对煤气组分分布规律、气化腔扩展规律、气化剂比例对煤气组分、热值以及气化腔扩展的影响、灰层对气化剂扩散系数的影响进行研究。 本文的主要工作内容包括: (1)研究煤炭地下气化过程中煤气组分时空转化规律及气化腔演化过程。时间维度上,初期以氧化反应为主,CO₂的浓度最高且分布最广,随着温度升高逐渐转化为还原反应,CO、H₂、CH₄浓度逐渐升高,气化进行20天后,各气化产物浓度趋于稳定。空间维度上,气化反应在煤层(多孔介质)内发生表面反应,受扩散范围影响,气化腔呈“水滴”形,横向扩展速度大于纵向,气化产物浓度沿扩展方向递减。此外,氧水比从1:1~1:4逐渐减小的过程中,部分CO通过变换反应和甲烷化反应转化成了H₂和CH₄,提升了燃气热值,但减小氧水比会降低反应温度并抑制气化腔扩展,且横向缩小范围大于纵向。 (2)研究灰层对气化剂(O₂和H₂O)内扩散的影响。结果显示,气化剂(O₂和H₂O)与气化产物在灰层内的燃烧反应导致灰层内部局部升温,进而影响气化剂扩散系数。灰层厚度越大,灰层内温升越明显,气化剂的有效扩散系数随之增大。在相同厚度的灰层中,当O₂/H₂O比例在1:1~1:3范围时,灰层内的温度随着氧水比的减小而升高,气化剂有效扩散系数也随之升高,但当比例降至1:4时,灰层内的温度出现下降,且O₂与H₂O的有效扩散系数也随之减小。与未考虑灰层计算所得的气化剂有效扩散系数作对比发现,温度越高,灰层存在时的气化剂有效扩散系数越小,且与无灰层时的差异越显著,同时灰层使气化产物在气化腔内的浓度分布范围缩小。 (3)基于Aspen Plus建立煤炭地下气化模型,与COMSOL模拟结果互补验证。两种模拟结果均得出CO₂在氧化区含量最高而在还原区降低,CO、H₂、CH₄则在氧化区最低且在还原区逐渐升高,其中CO浓度最高,且煤气组分随氧水比(1:1~1:4)的变化趋势一致。然而,Aspen Plus模拟的CO₂、H₂和CH₄的摩尔分率及煤气热值均高于COMSOL的模拟结果。尽管存在偏差,但差异范围较小,表明COMSOL模拟结果具有较高的准确性和合理性。 煤炭地下气化过程由于其涉及多物理场的复杂耦合作用,使得气化腔扩展、煤气组分转化以及灰层对气化剂扩散的影响都具有高度动态性和非线性特征。本文通过理论分析和多物理场耦合数值模拟,系统研究了这些关键过程,为优化煤炭地下气化工艺参数、提升产气效率提供了理论支撑和模拟验证,也为构建更成熟的煤炭地下气化模型奠定了基础。