煤炭地下气化与碳捕集利用技术的集成：实现碳中和的清洁能源路径

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矿产保护与利用

Conservation and Utilization of Mineral Resources

ISSN 1001-0076,CN 41-1122/TD

《矿产保护与利用》网络首发论文

题目：煤炭地下气化与碳捕集利用技术的集成：实现碳中和的清洁能源路径

作者：薛俊杰，东振，卢海兵，陈艳鹏，陈浩，张梦媛，赵宇峰

DOI： 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.10.010

网络首发日期： 2025-10-13

引用格式：薛俊杰，东振，卢海兵，陈艳鹏，陈浩，张梦媛，赵宇峰．煤炭地下气化与

碳捕集利用技术的集成：实现碳中和的清洁能源路径[J/OL]．矿产保护与利用.

https://doi.org/10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.10.010

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发论文视为正式出版。

煤炭地下气化与碳捕集利用技术的集成：实现碳中和的清洁能源路径

薛俊杰 1,2,3，东振 1,2,3*，卢海兵 1,2,3，陈艳鹏 1,2,3，陈浩 1,2,3，张梦媛 1,2,3，赵宇峰 1,2,3

1. 中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院非常规研究所，北京 100083；

2. 中国石油集团煤岩气重点实验室，河北廊坊 065007；

3. 国家能源页岩气研发（实验）中心，河北廊坊 065007

摘要：“碳中和”与“碳达峰”目标推动我国能源结构向可再生能源转型，煤炭作为主体能源需

兼顾清洁利用与能源保障。我国超半数中深层煤炭资源不具备矿井开采条件，煤炭地下气化技术

（Underground Coal Gasification, UCG）成为开发关键。为解决 UCG 产物中 H2 储运成本高及

CO2 处理难题，研究设计了三段式煤炭地下气化（Three-stage Underground Coal Gasification,

UCG-Ⅲ）与近井端 CO2 加氢制甲醇的耦合技术方案。UCG-Ⅲ是新一代煤炭清洁转化技术，其

核心是将 CO₂既作为产物又作为气化剂，通过三个阶段的工艺设计实现煤炭的高效利用与 CO₂

的内部循环。该技术旨在解决当前 UCG 产业化面临的 H2 储运成本高、CO₂排放未闭环问题——

通过优化气化反应路径，生成富氢合成气直接用于井口 CO2 催化转化，同步实现氢能就地消纳

与碳资源高值利用。该技术大幅缩减储运成本并降低 CO2 排放，验证了煤炭“能源服务”与“碳基

材料供应”的双重价值，有望实现 “环保优先、经济可行” 的煤炭清洁化利用目标。当前技术仍

面临三段式气化过程可控性、低成本撬装甲醇转化装备研发等挑战，未来需通过多物理场模型耦

合优化过程控制，研发高效催化剂并完善系统集成，以推动工业化应用。

关键词：煤炭地下气化；氢气储运；CO2加氢制甲醇；碳基材料

DOI:10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.10.010

Integration of Underground Coal Gasification and Carbon Capture, Utilization, and

Storage: A Clean Energy Pathway to Carbon Neutrality

XUE Junjie1,2,3, DONG Zhen1,2,3*, LU Haibing1,2,3, CHEN Yanpeng1,2,3， CHEN Hao1,2,3，ZHANG Mengyuan1,2,3，

ZHAO Yufeng1,2,3

(1. Research Institution of Petroleum Exploration and Development, Unconventional Research Institute，Beijing

100083, China;

基金项目：2025 年集团公司科学技术委员会战略研究与咨询项目（2025DQ0728）；中石油集团公司基础性前瞻性科研项目

（2024DJ23）勘探开发研究院院级项目：煤炭地下气化高效产气机理与运行控制 (101001cq0b52394)

作者简介：薛俊杰（1986—），女，河北任丘人，博士，主要从事深层煤原位清洁利用等方面的研究工作，Email：

xuejunjie@petrochina.com.cn。

*通讯作者：东振（1988—），男，山东，博士，主要从事深层煤原位清洁利用等方面的研究工作，Email：

dongzhen69@petrochina.com.cn。

网络首发时间：2025-10-13 15:11:57 网络首发地址：https://link.cnki.net/urlid/41.1122.td.20251011.2011.006

(2. Key Laboratory of Coal—rock Gas,CNPC, Langfang 065007, Hebei, China;

(3. National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center, Langfang 065007, Hebei, China)

Abstract: The "carbon neutrality" and "carbon peaking" objectives are propelling China's urgent

energy structure transition toward renewable energy sources. As the dominant primary energy, coal

must strike a balance between clean utilization and energy security. Notably, over half of China's

medium-deep coal resources are unsuitable for conventional mine mining, making underground coal

gasification (UCG) a pivotal technology for their development. This study addressed the critical

challenges in UCG industrialization, namely the high storage and transportation costs of H2 and the

unclosed-loop treatment of CO2 emissions. A novel coupling technical scheme was

proposed, integrating three-stage underground coal gasification (UCG-Ⅲ) with near-well CO2

hydrogenation to produce methanol. UCG-Ⅲ is a new generation of clean coal conversion technology,

whose core lies in using CO2 as both a product and a gasification agent, and achieving efficient

utilization of coal and internal circulation of CO2 through a three-stage process design. The gasification

reaction pathway was optimized by this innovative approach to generate hydrogen-rich syngas, which

is directly utilized for wellhead CO2 catalytic conversion. Through this, simultaneous on-site hydrogen

energy consumption and high-value utilization of carbon resources were achieved. Experimental and

economic analyses demonstrated that storage and transportation costs were significantly reduced by

47% compared to traditional methods, and CO2 emissions were lowered by up to 80% through

underground CO2 recycling. The dual value of coal as both an "energy service provider" and a

"carbon-based material supplier" was validated in this study, paving the way for environmentally

friendly and economically feasible clean coal utilization. Current challenges include enhancing the

controllability of the three-stage gasification process and developing low-cost skid-mounted methanol

conversion equipment. Future research will focus on optimizing process control via multi-physics field

model coupling, developing efficient catalysts, and improving system integration to facilitate

large-scale industrial application. This work provides a critical technological pathway for China's fossil

energy transition toward carbon neutrality.

Key words: Underground coal gasification; H2 storage and transportation; CO2 hydrogenation to

methanol; carbon-based material

引言

2020 年全球 CO2排放量为 322 亿t，中国 CO2排放量 99.67 亿t，以 31%的比例居全球首位

[1]，其中煤炭行业 CO2排放占我国化石能源排放的 74.5%，是我国一次能源体系中碳排放主要来

源[2]。在“双碳”目标要求下，深部煤炭资源的绿色开发及其清洁利用是化石能源向新能源平稳

过渡的关键技术节点，将对我国建设成为世界科技强国具有重要的意义[3]。

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标签： #碳中和 #碳 #煤炭

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