煤炭地下气化对地下水的污染及其防控研究进展

＊王凡 徐冰,2* 谌伦建 邢宝林,2 苏发强

（1.河南省煤炭绿色转化重点实验室 河南理工大学化学化工学院 河南 454003 2.煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心 河南 454003 3.河南理工大学能源科学与工程学院 河南 454003）

煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）是通过热化学作用直接将煤在地下原位转化成煤气并输送到地面的一种煤炭清洁开发利用技术，如图1所示。UCG可开发废弃矿井残留煤和深部煤炭资源，避免传统煤炭开发利用过程中粉尘、SO2和温室气体对环境的影响，被列为国家《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》之煤炭无害化开采技术创新战略方向。UCG对能源安全、国民经济及生态环境具有重要意义。但UCG过程中原本赋存于煤中的重金属元素可随煤气逸散，且煤气化产生的有机物污染物可能沿煤层顶底板孔隙、裂隙迁移进入地下水造成污染，所以UCG对地下水潜在的污染风险是限制其发展的主要瓶颈之一。本文旨在梳理UCG对地下水污染最新研究进展，了解UCG生成污染物种类、污染物迁移净化方法及环境监测评估，从而为UCG对地下水污染的防控提供决策参考。

图1 煤炭地下气化示意图[1]

1.UCG过程中产生的气化污染物种类

(1)有机污染物

UCG过程中化学反应导致多种有机和无机污染物生成。Krzysztof等[1]在UCG现场试验中发现主要污染物是酚类、芳香烃、氨氮和氰化物。辛林等[2]研究干馏干燥带无氧条件下煤的热解反应，结果表明温度的升高会引起芳香烃含量降低和酚类含量增加，芳香烃化合物在热解产物中所占比重最大。由此可见，UCG将产生多种有机污染物，对地下水造成潜在污染风险。

(2)无机污染物

UCG过程中产生的无机污染物主要是重金属、氨氮和无机盐等物质。李文军等[3]发现UCG产生的以六价铬为代表的多种无机污染物均超出地下水规定范围。Cooper等[4]发现地下水中无机污染物主要来源于冷凝在围岩中的气化产物。邢宝林等[5]通过对UCG残留物浸出实验发现浸出液中存在包括Cd、Pb、As、Cr等多种重金属无机污染物，其浓度介于4.0～73.4μg/L之间。

2.污染物转化迁移规律

(1)气化过程中的转化迁移

固定于煤中的有毒元素会随UCG进行而转变为游离态进入地下水造成污染风险，如图2所示。辛林等[6]研究了重金属离子在不同热损伤围岩中的迁移情况，结果表明重金属离子的迁移特性与围岩热损伤有关。梁杰等[7]通过实验研究得出，在UCG过程中Pb和As的富集浓度与温度成反。李玉兰等[8]采用浸泡方法研究半焦煤在富氧气化条件下的模拟UCG灰渣发现，Zn、Cd、Pb和As元素的迁移对环境影响相对较小。

图2 UCG过程中污染物的逸散[9]

(2)气化后的扩散迁移

UCG产生的污染物部分随煤气逸散，部分存于气化残物中，两部分均有溶于地下水且随之扩散造成污染的可能性，如图3所示。研究者越来越多地将实验与数值模拟相结合，探索UCG过程中污染物随地下水扩散的规律。陈亚伟等[10]对内蒙古某UCG现场的地下水分析，并采用数值模拟预测煤层气化后硫酸盐的迁移情况，表明10a内UCG对地下水均有一定程度影响。刘淑琴等[11]通过数值模拟对气化结束后挥发酚在地下水中的迁移规律进行研究，结果表明挥发酚的迁移主要发生在燃空区附近。

图3 UCG过程后污染物随地下水迁移[9]

UCG污染物扩散受到多种因素的影响，探索污染物在地下水中的迁移规律，有助于预测和评估UCG对地下水潜在的影响，并制定相应的防治策略。

3.UCG污染地下水的净化修复研究进展

(1)实验室净化修复

对UCG造成地下水污染的修复是推广其应用的关键之一。XU等[12]研究了残留煤和气化残焦对苯酚和六价铬吸附脱除影响，结果表明气化残焦比残留煤具有更大的总孔容和比表面积，因此气化残焦对于污染物的脱除效果较残留煤好。王凡等[13]采用数值模拟研究了渗透反应墙厚度及构筑材料的净化性能对UCG气化污染物净化修复效果的影响，结果表明其对污染物的净化效果随墙体厚度增大和材料的净化性能提升而增加，但修复效果存在边际效应递减的趋势。

(2)现场试验净化修复

从目前文献报道来看，UCG污染地下水净化修复主要限于实验室尺度和数值模拟，而现场试验研究较少。Covell等[14]在1996年报告了采取曝气与生物修复结合技术对UCG造成的苯污染进行处理，两个月之后苯浓度降低80%。

4.环境评估与污染监测

对于UCG环境评估可分为气化前环境选址与气化后环境污染监测。前者主要是从水文地质条件、煤层赋存状态、煤田地质构造和煤质条件等方面进行科学选址；后者是在停炉之后，对其周围环境污染情况进行监测，获取现场试验数据。

(1)气化前选址环境评估

UCG选址环境评估相关研究主要有以下几个方面[15]：

①煤层储量情况。确保煤田储量与企业设计生产年限相匹配，UCG企业正常生产年限应在9a以上。除焦煤之外的煤种均适合UCG，褐煤煤层气化厚度应在2m以上，且其夹矸单层最大厚度应在0.5m以下；烟煤在0.8m以上，当其厚度低于1.2m时，其夹矸厚度应低于0.2m。

②地质构造。若气化煤层上覆岩层含水性较强，含水层与气化煤层之间应有隔水层。另外，考虑岩层隔水性可能会受冒落影响，含水层与气化煤层之间的岩层厚度应大于其冒落高度。

③水文地质对UCG正常进行有明显的影响，如果气化过程中气化炉渗水过大，可能影响气化过程的正常进行甚至停炉。

(2)气化后污染环境监测

全面了解UCG对地下水环境的影响，环境监测和评估必不可少。Campbell等[16]研究分析位于吉利特地下气化站附近的地下水样本，发现气化过程中产生的无机物在灰床内残留。Ma等[17]通过风险评估准则得出Hg、Se和Pb对环境的危害影响为中级；Cr和Se对环境具有高等级危害风险。Grabowski等[18]通过对半工业UCG在气化前、中、后期附近矿井水的检测，评估了UCG对水环境的影响，指出为UCG合成气设置净化装置对于保护地下水的重要性。

5.结语和展望

UCG虽然提供了一种高效洁净利用煤炭资源的途径，但也带来了地下水的污染风险。本文通过对UCG产生污染物种类、转化迁移规律、净化修复研究进展及环境监测评估等方面的综合分析，认为UCG对地下水存在有机和无机污染的风险；气化过程中，气态化的污染物沿围岩中的孔隙或裂隙迁移进入含水层，或存储于围岩的孔隙和裂隙中，易溶于流经该围岩的地下水；开展UCG前期环境评估选址是对其后续可能污染风险防控的前提。未来相关的研究工作可围绕以下两个方面展开：（1）将实验室净化UCG污染物的研究成果与实际场地的污染修复相结合。（2）开展更多的UCG现场试验研究，获取更加丰富的UCG对地下水污染风险的监测数据，以期促进UCG健康快速发展。