地下氣化煤氣中CO₂的含量取決于地下氣化過程中各反應(yīng)階段(即氧化區(qū)、還原區(qū)、干餾干燥區(qū))的反應(yīng)特性與反應(yīng)條件，并由總的組分守恒與能量守恒所制約.
　　地下氣化過程中CO₂主要參與以下氣化反應(yīng)：
C+O₂CO₂
C+CO₂2CO
C+2H₂O(g)CO₂+2H₂
CO+1/2O₂CO₂
CO+H₂O(g)CO₂+H₂　ΔH₁=+393.8 kJ/mol
ΔH₂=-162.4 kJ/mol
ΔH₃=-90.0 kJ/mol
ΔH₄=+285.5 kJ/mol
ΔH₅=+41.0 kJ/mol
　　點(diǎn)火后氣化劑由進(jìn)氣孔導(dǎo)入煤層，在氣化通道內(nèi)氧與煤接觸，首先發(fā)生氧化反應(yīng).氧化區(qū)的反應(yīng)可以用下式表示^［2］：

λC+O₂2(λ-1)CO+(2-λ)CO₂

其中：λ是與溫度相關(guān)的常數(shù).煤的燃燒反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，由CO和CO₂含量與溫度的關(guān)系可知，維持溫度在700K以上時(shí)有利于CO的生成^［3］，但CO氧化生成CO₂由于是均相反應(yīng)而容易進(jìn)行.在地下氣化過程中，隨著氣化通道里煤的消耗，空穴增大，氣化劑中O₂易走旁路，使氣相中CO氧化成CO₂的可能性增大.反應(yīng)得到的CO和CO₂的濃度比符合下列關(guān)系：

　　氧氣耗盡后，氣流即進(jìn)入還原區(qū)，CO₂與熱焦接觸，還原成CO；水蒸氣與熱焦反應(yīng)，生成CO和H₂.CO₂還原反應(yīng)，在800℃時(shí)，僅為碳燃燒反應(yīng)速度的10^-5倍.因此，在地下氣化條件下，CO₂還原反應(yīng)達(dá)到平衡很慢，主要與反應(yīng)溫度和原料活性有關(guān).當(dāng)煤層底部煤被消耗后，大量的煤會(huì)落入已有的空穴，形成類似于地上氣化爐的填充床，這些塊狀煤增加了床層表面積，活性較高，有助于CO₂的還原.
　　煤被加熱超過300℃時(shí)，開始其干餾干燥與熱解過程.550℃后產(chǎn)生大量H₂，CO₂和CH₄.此外，地下氣化中氣化區(qū)以外的煤層因?qū)�熱而被加熱，其干餾過程屬非等溫、非等壓條件下煤的熱解問題.隨著壓力的升高，干餾煤氣產(chǎn)率增加，煤氣中CH₄和CO₂含量增加，而CO，H₂和H₂S含量則減小.^［4］
　　從地下氣化過程中CO₂的反應(yīng)特性可以看出，氣化爐溫度場是改變氣化反應(yīng)方向，影響CO₂反應(yīng)的主要因素.另外，在地下氣化反應(yīng)過程中，氣化通道的大小、形狀、位置都隨氣化過程的進(jìn)行及煤層和頂板的冒落而不斷發(fā)生變化.因此，必須根據(jù)不同氣化反應(yīng)條件，采取不同氣化工藝控制煤氣中CO₂和其它可燃?xì)怏w的含量，來保證氣化過程穩(wěn)定進(jìn)行和較高的煤氣熱值.

　　3　控制CO₂含量的輔助氣化工藝

　　3.1　壓抽相結(jié)合
　　CO₂還原為體積增大的反應(yīng).因此，降低還原區(qū)的壓力能夠提高反應(yīng)速度.但是氧化區(qū)壓力不宜過低，因?yàn)檠趸瘎�壓力越高，向煤層里滲透燃燒的能力越強(qiáng).為了同時(shí)滿足氧化區(qū)和還原區(qū)的要求，可以采用壓抽相結(jié)合，由進(jìn)氣孔鼓風(fēng)，出氣孔引風(fēng)，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)壓力和引風(fēng)負(fù)壓，使還原區(qū)、干餾干燥區(qū)處于相對(duì)較低的壓力條件下，有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行，從而減少CO₂的含量.劉莊礦地下氣化試驗(yàn)正常壓風(fēng)氣化和壓抽相結(jié)合氣化時(shí)煤氣平均組分和熱值的比較見表1.

表1　壓風(fēng)和壓抽相結(jié)合氣化煤氣平均組分及熱值比較
Table 1　Comparison of average ingredients and heat value of
gas between compressing and compressing accompanied by pumping

表2　反向供風(fēng)前后煤氣平均組分及熱值比較
Table 2　Comparison of average ingredients and heat value
of gas before and after reversible blowing

　　(1) 控制地下氣化煤氣中CO₂含量可以提高煤氣熱值，減少CO₂的排放量.
　　(2) 壓抽相結(jié)合可以降低還原區(qū)壓力，提高CO₂還原速度；氣化后期反向供風(fēng)氣化可以形成新的氣化條件，使CO₂得到進(jìn)一步還原；雙火源氣化可以顯著提高還原區(qū)溫度，有利于CO₂的還原反應(yīng).采用上述輔助氣化工藝，可降低CO₂含量10%左右，且增加煤氣中其它可燃?xì)怏w含量，從而提高煤氣熱值.同時(shí)有利于氣化過程穩(wěn)定進(jìn)行.

作者簡介：劉淑琴：博士生
　　　　　梁杰：副教授
　　　　　余力：教授、博士生導(dǎo)師

作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)，100083 北京