煤炭地下氣化對地下水的污染及其防控研究進展

＊王凡 徐冰,2* 諶倫建 邢寶林,2 蘇發強

（1.河南省煤炭綠色轉化重點實驗室 河南理工大學化學化工學院 河南 454003 2.煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心 河南 454003 3.河南理工大學能源科學與工程學院 河南 454003）

煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，UCG）是通過熱化學作用直接將煤在地下原位轉化成煤氣并輸送到地面的一種煤炭清潔開發利用技術，如圖1所示。UCG可開發廢棄礦井殘留煤和深部煤炭資源，避免傳統煤炭開發利用過程中粉塵、SO2和溫室氣體對環境的影響，被列為國家《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030年）》之煤炭無害化開采技術創新戰略方向。UCG對能源安全、國民經濟及生態環境具有重要意義。但UCG過程中原本賦存于煤中的重金屬元素可隨煤氣逸散，且煤氣化產生的有機物污染物可能沿煤層頂底板孔隙、裂隙遷移進入地下水造成污染，所以UCG對地下水潛在的污染風險是限制其發展的主要瓶頸之一。本文旨在梳理UCG對地下水污染最新研究進展，了解UCG生成污染物種類、污染物遷移凈化方法及環境監測評估，從而為UCG對地下水污染的防控提供決策參考。

圖1 煤炭地下氣化示意圖[1]

1.UCG過程中產生的氣化污染物種類

(1)有機污染物

UCG過程中化學反應導致多種有機和無機污染物生成。Krzysztof等[1]在UCG現場試驗中發現主要污染物是酚類、芳香烴、氨氮和氰化物。辛林等[2]研究干餾干燥帶無氧條件下煤的熱解反應，結果表明溫度的升高會引起芳香烴含量降低和酚類含量增加，芳香烴化合物在熱解產物中所占比重最大。由此可見，UCG將產生多種有機污染物，對地下水造成潛在污染風險。

(2)無機污染物

UCG過程中產生的無機污染物主要是重金屬、氨氮和無機鹽等物質。李文軍等[3]發現UCG產生的以六價鉻為代表的多種無機污染物均超出地下水規定范圍。Cooper等[4]發現地下水中無機污染物主要來源于冷凝在圍巖中的氣化產物。邢寶林等[5]通過對UCG殘留物浸出實驗發現浸出液中存在包括Cd、Pb、As、Cr等多種重金屬無機污染物，其濃度介于4.0～73.4μg/L之間。

2.污染物轉化遷移規律

(1)氣化過程中的轉化遷移

固定于煤中的有毒元素會隨UCG進行而轉變為游離態進入地下水造成污染風險，如圖2所示。辛林等[6]研究了重金屬離子在不同熱損傷圍巖中的遷移情況，結果表明重金屬離子的遷移特性與圍巖熱損傷有關。梁杰等[7]通過實驗研究得出，在UCG過程中Pb和As的富集濃度與溫度成反。李玉蘭等[8]采用浸泡方法研究半焦煤在富氧氣化條件下的模擬UCG灰渣發現，Zn、Cd、Pb和As元素的遷移對環境影響相對較小。

圖2 UCG過程中污染物的逸散[9]

(2)氣化后的擴散遷移

UCG產生的污染物部分隨煤氣逸散，部分存于氣化殘物中，兩部分均有溶于地下水且隨之擴散造成污染的可能性，如圖3所示。研究者越來越多地將實驗與數值模擬相結合，探索UCG過程中污染物隨地下水擴散的規律。陳亞偉等[10]對內蒙古某UCG現場的地下水分析，并采用數值模擬預測煤層氣化后硫酸鹽的遷移情況，表明10a內UCG對地下水均有一定程度影響。劉淑琴等[11]通過數值模擬對氣化結束后揮發酚在地下水中的遷移規律進行研究，結果表明揮發酚的遷移主要發生在燃空區附近。

圖3 UCG過程后污染物隨地下水遷移[9]

UCG污染物擴散受到多種因素的影響，探索污染物在地下水中的遷移規律，有助于預測和評估UCG對地下水潛在的影響，并制定相應的防治策略。

3.UCG污染地下水的凈化修復研究進展

(1)實驗室凈化修復

對UCG造成地下水污染的修復是推廣其應用的關鍵之一。XU等[12]研究了殘留煤和氣化殘焦對苯酚和六價鉻吸附脫除影響，結果表明氣化殘焦比殘留煤具有更大的總孔容和比表面積，因此氣化殘焦對于污染物的脫除效果較殘留煤好。王凡等[13]采用數值模擬研究了滲透反應墻厚度及構筑材料的凈化性能對UCG氣化污染物凈化修復效果的影響，結果表明其對污染物的凈化效果隨墻體厚度增大和材料的凈化性能提升而增加，但修復效果存在邊際效應遞減的趨勢。

(2)現場試驗凈化修復

從目前文獻報道來看，UCG污染地下水凈化修復主要限于實驗室尺度和數值模擬，而現場試驗研究較少。Covell等[14]在1996年報告了采取曝氣與生物修復結合技術對UCG造成的苯污染進行處理，兩個月之后苯濃度降低80%。

4.環境評估與污染監測

對于UCG環境評估可分為氣化前環境選址與氣化后環境污染監測。前者主要是從水文地質條件、煤層賦存狀態、煤田地質構造和煤質條件等方面進行科學選址；后者是在停爐之后，對其周圍環境污染情況進行監測，獲取現場試驗數據。

(1)氣化前選址環境評估

UCG選址環境評估相關研究主要有以下幾個方面[15]：

①煤層儲量情況。確保煤田儲量與企業設計生產年限相匹配，UCG企業正常生產年限應在9a以上。除焦煤之外的煤種均適合UCG，褐煤煤層氣化厚度應在2m以上，且其夾矸單層最大厚度應在0.5m以下；煙煤在0.8m以上，當其厚度低于1.2m時，其夾矸厚度應低于0.2m。

②地質構造。若氣化煤層上覆巖層含水性較強，含水層與氣化煤層之間應有隔水層。另外，考慮巖層隔水性可能會受冒落影響，含水層與氣化煤層之間的巖層厚度應大于其冒落高度。

③水文地質對UCG正常進行有明顯的影響，如果氣化過程中氣化爐滲水過大，可能影響氣化過程的正常進行甚至停爐。

(2)氣化后污染環境監測

全面了解UCG對地下水環境的影響，環境監測和評估必不可少。Campbell等[16]研究分析位于吉利特地下氣化站附近的地下水樣本，發現氣化過程中產生的無機物在灰床內殘留。Ma等[17]通過風險評估準則得出Hg、Se和Pb對環境的危害影響為中級；Cr和Se對環境具有高等級危害風險。Grabowski等[18]通過對半工業UCG在氣化前、中、后期附近礦井水的檢測，評估了UCG對水環境的影響，指出為UCG合成氣設置凈化裝置對于保護地下水的重要性。

5.結語和展望

UCG雖然提供了一種高效潔凈利用煤炭資源的途徑，但也帶來了地下水的污染風險。本文通過對UCG產生污染物種類、轉化遷移規律、凈化修復研究進展及環境監測評估等方面的綜合分析，認為UCG對地下水存在有機和無機污染的風險；氣化過程中，氣態化的污染物沿圍巖中的孔隙或裂隙遷移進入含水層，或存儲于圍巖的孔隙和裂隙中，易溶于流經該圍巖的地下水；開展UCG前期環境評估選址是對其后續可能污染風險防控的前提。未來相關的研究工作可圍繞以下兩個方面展開：（1）將實驗室凈化UCG污染物的研究成果與實際場地的污染修復相結合。（2）開展更多的UCG現場試驗研究，獲取更加豐富的UCG對地下水污染風險的監測數據，以期促進UCG健康快速發展。