富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构特征的动态演化规律及其对烃类吸附的调控机制

为解决富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构演化机制不明的问题，研究人员通过中国散裂中子源(CSNS)的小角中子散射(SANS)技术，结合BET、SEM和TGA分析，揭示了300–500°C脱挥发分阶段纳米孔隙平均尺寸从112.8?nm增至131.3?nm的规律，发现慢速升温(5°C/min)可增强孔隙各向同性发展。该研究为优化煤制油气产量提供了关键孔隙调控依据。

　　

在全球能源格局变革背景下，发展中国家对油气资源的依赖日益加剧，而富油煤作为一种能高效产出煤焦油(7–12%)的战略资源，其地下热解技术因具有低能耗、高安全性等优势备受关注。然而，热解过程中纳米孔隙作为油气运移的关键通道，其动态演化规律长期不明，传统检测方法如BET（气体吸附法）和TEM（透射电镜）仅能实现静态观测，无法捕捉高温环境下的实时变化。这一瓶颈严重制约了煤制油气效率的提升。

中国散裂中子源的研究团队创新性地利用其小角中子散射(SANS)设备，首次对块状富油煤进行了地下热解环境模拟。实验在30–800°C范围内设置5°C/min和20°C/min两种升温速率，通过中子散射强度、回转半径等参数动态解析纳米孔隙结构变化，并辅以BET比表面积测定、扫描电镜(SEM)形貌观察和热重分析(TGA)失重曲线验证。

样品特征
选取中国凉水井矿和河槽沟矿的富油煤样本，其焦油产率分别为9.8%和7.3%。工业分析显示两样本挥发分含量达38.7%和32.4%，为典型的高活性热解原料。

孔隙尺寸演化
SANS数据揭示纳米孔隙呈典型多分散体系。在300–500°C脱挥发分关键阶段，平均孔径从112.8?nm显著增长至131.3?nm，增幅达57.1–62.5%。慢速升温(5°C/min)条件下，散射强度提升23%，表明更充分的孔隙发育。

孔隙形貌转变
高温促使初始各向异性孔隙逐渐向各向同性转变。分形维数分析显示，500°C后孔隙表面粗糙度降低，而孔隙网络复杂度提升，这为油气扩散提供了更优的拓扑结构。

结论与意义
该研究首次通过原位SANS技术阐明：1）脱挥发分阶段是纳米孔隙扩张的关键窗口；2）升温速率通过影响沥青质裂解动力学调控孔隙发育程度；3）孔隙各向同性化可提升油气运移效率。相关成果发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为地下煤热解工艺参数优化提供了纳米尺度的理论支撑，对保障能源安全具有重要战略价值。