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煤炭是我国现阶段最重要的能源，并且我国陆上埋深1000～2000 m的深层煤炭资源量为 2.44万亿吨，是探明技术可采煤炭储量的12倍之多。但现阶段煤矿开采存在着开采深度浅、事故频发、回采率低、环境污染等问题。而煤炭地下气化技术是解决上述问题的有效采煤技术。该技术通过注气井往地下煤层中加入气化剂，使地层中的煤炭经过一系列的燃烧、气化反应，在煤层原位转化为氢气、甲烷等清洁合成气，并通过产气井导出合成气。以40%的能源转化率计算，煤炭地下气化技术可为中国提供足以使用数百年的清洁能源和丰富的化工原材料。为了加速我国煤炭地下气化商业化进程，需提高合成气的品质与产量。本文采用数值模拟的方法，通过构建涉及多孔介质渗流、质量传递、能量传递和化学反应多场耦合的多组分反应流气化腔模型，来预测煤炭地下气化的演化过程。本文对煤炭地下气化腔采取分步模拟的技术路线，获得了如下主要结果：

建立了恒温、无反应的多孔介质渗流、湍流与质量传递耦合气化腔模型，计算得到了气化腔内的流场特征和气体组分分布场特征，分析了气化腔内的流动与质量传递的演化过程。流场分布较为稳定，除出入口外，燃空区右下侧流动最为显著。初始时刻通入的气化剂在250 s时到达了焦炭区，700 s时到达了燃空区，2000 s时流经燃空区后回到了焦炭区，2300 s时到达了产气井。气化开始后的10000 s，注入的气化剂占据了整个煤炭地下气化腔。

建立了恒定热源功率密度、单组分、无反应的流动与能量传递耦合气化腔模型，分析了气化腔中热源功率密度、注气井通入气化剂的注入速度、多孔介质区域孔隙率等对气化腔内温度场的影响。得到了热源功率密度对气化腔内温度的影响最大，其次为气化剂的注入速度和焦炭区孔隙率。实际煤炭地下气化工程可通过精确控制有效气化剂的注入速度来改变气化腔内的化学反应速率，进而改变热源功率密度，对气化腔内的温度分布进行粗调；通过增减气化剂中的惰性成分的比例，对气化腔内的温度分布进行微调。煤灰区可以不考虑气体流动动量方程的重力项，大幅缩减运算成本，提高运算速度。

建立了多场耦合的多组分反应流气化腔模型，并计算和分析了气化剂氧含量和气化腔初始温度对合成气产量与品质的影响。产气井导出的合成气有效组分的产气速率，合成气热值和产气热功率均随气化腔初始温度、气化剂的氧含量呈正相关。高温和氧含量较高的条件可以得到更高的合成气热值与产气热功率，有利于加快煤炭能源的开采速度。氧气利用率与初始温度呈正相关，但与气化剂氧含量呈负相关。高温气化腔与氧含量较低的气化剂条件在煤炭地下气化项目中商业价值更高。