刘慈欣早年有个科幻作品叫做《地火》。这个短篇里面描述了上个世纪后期煤炭工人因为尘肺病导致的健康问题，因为矿山安全带来的各种安全问题，描述了一次不成功的“地火”实验，也描述了一百多年后，再也不需要开采出地面的煤炭工业，到那个时候，人们再也见不到固体的煤炭。
除了少数的露天煤矿，煤矿的开采都是在地下进行的。恶劣的工作环境，复杂的地质条件，使得煤矿的开采一直是高危行业，有可能的冒顶、塌方、瓦斯爆炸，都威胁着在地下矿井工作的工人的生命安全，而煤炭开采过程中的粉尘也会带来尘肺病等多种职业疾病，影响矿工的身体健康。
即使在现代，使用大型机械，拥有各种现代的安全和劳动保护措施之下，煤炭开采的事故仍然时有发生。
煤炭为工业革命提供了所需要的能源，促进人类进入机械时代，即使在现在，煤炭在很多国家仍然是主要的能源来源。
但是煤炭开采带来的安全问题，健康问题一直无法彻底消除。那么有没有可能埋藏在地下的煤炭不经过开采就直接利用呢？这个技术路线是有的，叫做地下煤气化。《地火》中描述的造成了矿山灾难的实验，就是地下煤气化的实验。
煤气本身是重要的工业原料。在地面上把开采出来的煤在气化炉里面转化成煤气，然后生产甲醇、烯烃等化工原料，以及化肥、油品等化学品，是煤炭在燃烧之外的重要利用方式。
煤气有非常悠久的应用历史。在民用领域，煤气在1807年就点亮了伦敦的街头，在整个19世纪为人们提供夜晚的照明，替代了不方便的油灯，彻底改变了人们的夜晚生活习惯，为电灯的普及铺了路。
在二十世纪很长的时间里，煤气都是民用燃气的主力，通过管道输送到家家户户为做饭和取暖提供方便的能源，直到逐渐被更安全清洁的天然气替代。即使现代煤气已经很少直接民用，也可以转化为煤制天然气进入天然气管网。
把煤炭转化成为煤气的过程就是煤炭气化。这是一个煤炭不充分燃烧的过程。如果把煤炭简化为碳，煤炭不完全燃烧的化学过程是这样的：
C + ½ O2→CO
当然不是这么好控制到完全的不完全燃烧的，所以也有完全燃烧：
C + O2→CO2
CO + ½ O2→CO2
实际上，煤炭，特别是相对年轻的煤炭，里面会有不少氢，氢燃烧后会得到水。煤炭本身也会含有一定量的水，水参与进来之后，还会有这个反应：
C + H2O→CO + H2
这样就得到了煤气里面的主要成分：一氧化碳和氢气。
实际上，还有很多其他反应也在同时发生，比如下面这些：
C + 2 H2→CH4
C + CO2→2 CO
CO + H2O→CO2 + H2
还有很多更热闹的反应，再加上煤炭里的各种杂质，整个反应过程非常复杂。人类在地面进行煤炭气化已经超过两百年的历史，技术一直在进步，也仍然有解决不了的各类技术难题，一直是清洁煤炭利用的一个重要研究方向。
而地下煤气化，顾名思义，就是在地下把煤炭直接通过气化的化学方法转换成煤气再收集到地面上，变物理开采为化学开采。
这样，人们就不需要深入危险的井下，从而避免地下开采造成的安全和健康问题，减少开采煤炭造成的环境生态问题。由于不需要保留部分煤炭支撑煤层，地下煤气化理论上也可以利用煤层全部的煤炭，提高煤炭的开采率。这是清洁煤炭利用的一个技术手段。
这个概念也已经提出来一百五十多年了。最早的记载出现在1868年。西门子公司创始人的弟弟卡尔·威廉·西门子(Carl Wilhelm Siemens)在伦敦化学会演讲的时候，建议把煤炭气化炉直接搬到地下来利用那些煤矿开采中产生的废煤、渣煤，然后把得到的气体输送到地面。
西门子这个时候有自己的煤炭气化炉的设计，不过没有具体实施方法，可能也就算个天马行空的想法而已。
二十年后，1888年，著名化学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)拾起了这个概念。一开始也是打算在正在开采的煤矿里安装气化炉，不过到了1897年，门捷列夫明确提出可以通过气化的方法开采煤矿。
1899年，门捷列夫在乌拉尔地区访问的时候，正好遇到矿山扑灭了一次地下煤矿的火灾，从而使得门捷列夫认为地下燃烧是可能被控制的，认为技术上有可能把地下煤矿变成一个巨大的气化炉。不过，并没有留下门捷列夫进行任何地下煤气化具体设计和实验的记载。
进入二十世纪，很多工业国家都经常被雾霾笼罩，煤炭为主的工业带来的环境污染已经到了不能忍受的地步，于是又有人提起了地下煤气化。1910年，美国工程师贝茨(Anson Betts)在美国加拿大和英国取得了第一个地下煤气化的专利，也留下了最早的地下煤气化设计。
这是贝茨的概念示意图。这里，黑色的1代表煤层，3是空气的输送管道，7是井下的通道。在这个设计里，空气通过3输送到煤层，点火后得到的气体通过通道7向通道8的方向流动，沿着通道进行气化反应，产生的气体最终通过通道8输送到地面被用来发电。整个气化通过控制空气的输入来进行控制。这个设计还是需要7这个井下的巷道的，仍然需要一定的井下工作。不过贝茨还提出了完全不需要井下工作的地下煤气化概念，如下图。
这个设计里，注入管道32和生产管道33被平行放到了一个矿井里，地下气化得到的气体被原位采集。
很显然这个设计的缺点是只能气化很小的一个区域，所以贝茨还设计了远处的井38，用于后期的气体收集。虽然贝茨的设计为后来的地下煤气化奠定了工艺概念技术，但是当时贝茨的工作并没有引起人们的重视。
第一个向大众推销地下煤气化概念的是英国首位诺贝尔化学奖得主拉姆齐。1912年，拉姆齐在伦敦国际除烟展览会上介绍了地下煤气化的概念，不久后，又在矿业工程师协会描述了未来人们直接使用地下煤气化得到的煤气的场景，正如《地火》中对未来的描述。
同年底，拉姆齐找到了实验的投资，计划在英国一个地下40米的煤层进行实验。不过一直到第一次世界大战开始，实验准备工作仍然没有完成，然后随着拉姆齐在1916年去世，这个项目也就不了了之。
名人对新概念的宣传效应是明显的。多家主要媒体立刻就都报道了地下煤气化的概念，成功引起了还在流亡的列宁的关注，并对这个概念做了高度评价。于是，苏联率先开始了地下煤气化实验。
第一个地下煤气化实验在莫斯科附近进行的，选取了煤矿中10米乘10米的区块，用砖把需要气化的煤与外面隔离开，然后通入空气，点燃煤层，再收集气体。实验在1933年3月点火，但是因为准备不足失败。
这些教训被1934年在顿涅斯克的利西昌斯克的实验中吸取。比如要扩大实验区域，打更多的钻孔，专门破碎煤块以方便点火，增加了更多的监测设备等。
早期实验的主要问题是很难控制地下点燃的煤炭的燃烧程度，通入的氧气的量需要摸索，大多数时候收集到的气体都没有什么热值，也就是说地下的煤炭几乎完全燃烧了。经过了四个多月的尝试后，研究人员才终于找到了控制煤炭进行不完全燃烧的办法，得到了成分还算说的过去的煤气，算是完成了第一次地下煤气化的点火实验。
不过这个设计有些像是最早西门子提出的把气化炉搬到煤层里的概念，需要在煤层内建立一个封闭空间，等于是建造了一个粗略的气化炉，和现代讲的地下煤气化还不一样。而且这个方法其实并无法解决真正的地下开采问题。地下煤气化要走向实用，还是需要把整个煤层气化。
第一次成功的煤层地下煤气化实验1935年在顿涅茨克完成的。在这次的设计里，计划被气化的煤层被巷道包围。气化在巷道进行，巷道周围的煤层被气化，随着气化进行，煤层逐渐被消耗。
经过了一个多月的摸索，工程师们掌握了控制方法，实现了气化，得到了有燃烧价值的气体。到1937年，这个实验装置就可以为附近的化工厂提供原料了。类似实验在苏联其他几个地点展开。
1941年的一次实验里偶尔发现即使不挖掘巷道，通过煤层内部的缝隙，气化仍然可以进行，这样就提供了消除井下作业的地下煤气化的可能。不过这个时候苏联已经陷入战火，实验就只能停了。
二战结束后，美英对此产生了兴趣。英国的实验并不成功，最终还是苏联人帮忙才成功产气。美国人的成绩就好多了，不仅实现长时间产气，甚至还发明了使用通电来贯通注入井与生产井的方法。
具体是在煤层施加高压电加热，由于煤层温度越高电阻越小，使得电流可以非常集中产生高温，导致煤炭燃烧和气化，从而形成一个很窄的连接注入井和生产井的气流通道。
苏联当然也继续进行地下煤气化的实验，实验的成功使得苏联人在1960年代建了五套工业级的地下煤炭气化生产装置，有的一直运行到21世纪。
地下煤气化的基本工艺概念也在1950年代基本定型。一般来说，需要打通向煤层的矿井，至少两口，一口作为注入井，向煤层输送气化所需要的含有氧气的气化剂，另外一口作为生产井，收集地下煤气化产生的气体。在注入井底部，需要建立点火装置。
注入井和生产井要处在同一个煤层里面，为了保证之间的气体流动，需要在两口井之间建立贯通通道，并可以引导煤层气化发生的方向。当然还需要在地下以及地表铺设一些监测设备。
生产时，从注入井输送的气化剂里面的氧气在点火处遇到煤炭开始燃烧。这个时候发生的主要是燃烧反应，产生二氧化碳、水以及一千摄氏度以上的高温，这部分叫做氧化区。
随着燃烧的进行，氧气逐渐被消耗后，燃烧反应减弱，但被加热的煤层仍然处于高温状态，这个时候二氧化碳、水和煤炭发生的还原反应成为主要反应，得到一氧化碳和氢气，这里就叫做还原区。
还原过程需要吸收热量，使得煤层温度逐渐降低，低到一定程度以后，还原反应也减弱，但是仍然有足够的温度对煤层进行干馏，同时也到了适合甲烷化反应的发生温度，一氧化碳、二氧化碳和氢气反应得到甲烷，这里叫干馏区，得到甲烷，煤里面的一些挥发成分也在干馏过程中析出。
经过这三个反应区之后，就得到了以一氧化碳、氢气和甲烷为主的煤气，经过剩余还没有参与反应的煤层，再通过生产井输送到地面。
这三个反应区实际上并没有严格的分界线，一系列气化涉及的化学反应在各个区域都有发生，只不过是因为反应条件不同，不同反应的反应速率不同，在整体反应中所占的比例不同。
而且随着地下煤气化的进行，氧化区的煤炭被消耗掉，氧化区逐渐向还原区移动，还原区也慢慢向干馏区推移，原本没有参与反应的煤炭则逐渐被加热，成为新的干馏区。
就这样，参与反应的煤层逐渐沿着建立好的贯通通道从注入井向生产井推进，从而实现连续生产，逐渐将两口井之间的煤层气化掉。
不过刚刚起步的地下煤气化很快遇到了第一个难题：成本太高。虽然地下煤气化显著消除了井下作业的工作量，但是地下煤气化仍然是非常复杂的，需要大量的地面设备和井下控制设备。
如果只是和煤炭自身相比，地下煤气化在一些条件下比把煤挖掘出来再进行气化是可能有一些成本优势的，但是和开采工艺要简单的多的天然气相比，就很难有成本优势了。而且地下煤气化的生产规模更是与天然气开采规模相差甚远，单口井的产气量低很多。
1960年代，随着世界上诸多廉价的天然气田被发现，美国首先放弃了地下煤气化路线的探索。苏联也在1964年以后停止了新项目的投资，把重点转到天然气去了。
不过1970年代的石油危机使得地下煤气化又重新回到人们的视野。在1970-1980年代，美国成为地下煤气化研究的主力。在美国这个时候进行的试验中，气化的稳定性得到了很好的解决，特别是发明了可控注入点退缩方法。地下煤气化进行到一定程度以后，原来点火点附近的煤炭消耗后，需要改变点火点的位置，从而保障气化过程的稳定性。
苏联采用的方法是打新的注入井，从而实现点火位置的改变。美国这个发明，则可以改变注入点在煤层内的位置。这一发明也使得气化区域不再局限于注入井和生产井之间的范围，理论上可以使得可以实现受控气化的区域达到更加广泛的煤层。
美国这个阶段的实验在生产高质量煤气方面也取得了很大的进展。这个时候煤化工的科技水平已经比五十年代进步了很多，有了更多的技术手段了解煤层附近的地质情况，也可以对地下煤气化有更加全面的监测和控制，计算机也有了足够的算力进行模型模拟。
在纯氧气化和空气气化之外，美国人还尝试了把水蒸气参加到气化剂里进行气化，进一步改善了煤气的质量，使得煤气在下游拥有更加广泛的用途。但也这个时候也发现了地下煤气化的另外一个问题：地下水污染。
虽然发生并不广泛，而且很多时候与错误的选址和操作有关系，但是仍然影响到地下煤气化技术的推广。1989年，美国最大规模的地下煤气化在落基山完成，一万五千吨煤被气化，技术得到了验证，完成了商业化技术示范的准备，但是，美国能源部支持的这一轮地下煤气化研究也到此为止。
地下煤气化在西方再次热门起来是在21世纪初期。在澳大利亚、新西兰、南非、印度，都出现了私人投资的地下煤气化项目。媒体里闹得比较大的一个项目是建在澳大利亚昆士兰的地下煤气化项目。
这个项目在2008年成功试车，在下游还建立了合成油装置生产燃油，后来还建了煤气制氢装置与氢燃料电池相结合，当时引起了很多投资人的兴趣。但是运行不久后，先是遇到了邻居控告地下煤气化把邻居的煤层气化的法律问题，然后又被当地环保部门指责污染环境。打了几年官司后，澳大利亚的煤价暴跌使得项目的投资人遇到了金融问题，在2016年破产，这套装置也被封存。
地下煤气化虽然相比地下开采对环境的影响小，但是仍然对环境有一定的污染，也需要进行相应的污染防治。
地下煤气化，特别是相对比较浅层的地下煤气化，有可能带来地面沉降问题，有可能污染地下水，气体也有可能向地面泄露。地下的结构往往非常复杂，如果没有进行充分的地质调查，根据地质情况，煤层情况来设计开采方案和相应的安全环保措施、监测措施，那么就有可能在运行中出现环境污染问题，甚至安全问题。
《地火》里面描述的失败的地下煤气化实验，就是一个选址不当的例子。这个项目没有经过详细的地质勘查，导致地下气化蔓延到正在开采的煤层，从而导致了矿难。不过这样规模的事故，按照小说背景描述的时代的技术水平，其实应该是不应该发生的，主人公犯了好几个不应该犯的设计错误，而相应的安全监管部门则没有起到任何作用。
实际上一个地下煤气化的实验项目是不应该也不会如此草率进行的。中国早在1950年代就尝试过地下煤气化技术，在1980年代开始也逐步开展了一些相关实验，积累了一些经验，不应该发生这样的低级错误了。
中国真正重视地下煤气化是在1990年代以后，这期间建设了大批的实验项目，现在是世界上这个领域的主要研究者。21世纪最系统、最大规模的地下煤气化实验都发生在中国，最有可能实现商业规模的地下煤气化的也应该是中国。
毕竟，作为一项清洁煤炭利用的技术，和传统的煤炭开采相比，地下煤气化可以做到灰渣保留在地下，通过充填技术可以减少地表沉降，没有固体排放，可以大幅度减少对地面环境的破坏。而且煤气本身可以集中净化，脱除有害物质，甚至有足够的规模把有害物质变成有价值的化学品，大幅度减少煤炭利用带来的大气污染。
另外一个好处，就是地下煤气化可以把报废的矿井利用起来。井下开采方式是不能把煤层完全开采的，采用地下煤气化技术就可以把这些没有利用的煤层充分利用，而一些开采难度高或者开采经济性差的煤矿，也可能通过地下煤气化加以利用，显著增加煤炭资源利用率。中国存在大量这类废弃的和难以开采的矿井，要把这些资源利用起来，地下煤气化显然是个不错的选择。
中国目前的能源规划里面仍然有地下煤气化的一席之地。十四五能源领域科技创新规划里，地下煤气化的研究仍然被列入了重点任务榜单，开发的重点是对环境影响较小的中深层地下原位煤气化，目的是在十四五的时间内为先导实验奠定基础。不过这也意味着中国在近期并没有大规模推广地下煤气化技术的计划。
国际上在碳减排压力下，煤炭的投资已经很少了。不过地下煤气化作为一个清洁煤炭利用技术，仍然有一些用武之地。
最近流行的，是得到的煤气经过水煤气变换过程，即通过一氧化碳和水的反应，把一氧化碳转化成为二氧化碳，把水转化为氢气，从而实现制氢。二氧化碳则可以进行利用，或者在地下储存，从而消除这个过程的二氧化碳排放。
CO + H2O→CO2 + H2
这条路线的优势，是可以相对廉价地提供氢。与利用其他新能源发电然后电解水制氢的技术路线相比，这条路线在使用二氧化碳存储技术之后，也可以提供没有碳排放的氢气，而且具有显著的成本优势。
不过，由于氢能经济迟迟不能到来，这条路线目前仍然看不到商业化的苗头。尽管如此，在全球碳减排压力下，这可能是地下煤气化不多的商业化机会之一，甚至如《地火》所预言的，可能是煤炭在未来继续被利用的一个主要途径。
然而随着其他清洁能源技术的发展，清洁氢气的成本也越来越低，而受到地质条件限制、安全和环保限制的地下煤气化技术，其开采成本可能会随着安全和环保要求的提高逐渐增高。
所以这条技术路线的大规模商业推广前景并不乐观。也许一百年后，如《地火》预言的那样，人们的确见不到固体的煤。但那很可能不是因为地下煤气化替代了煤炭的井下开采，而是煤炭彻底淡出了人们的生活。
参考文献：
[1] Klimenko, AY, Early ideas in underground coal gasification and their evolution, Energies, 2009, 2, 456-476
[2] 邹才能等，煤炭地下气化及对中国天然气发展的战略意义。石油勘探与开发，2019, 46(2), 195-204
[3] Liu H etc., Comparative techno-economic performance analysis of underground coal gasification and surface coal gasification-based coal to hydrogen process, Energy, 2022, 258, 125001
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Underground_coal_gasification
