超临界CO2煤炭提质新技术：实验与分子动力学模拟揭示高效脱水机制

为解决低阶煤高水分限制其工业应用的问题，西安交通大学团队创新性地采用超临界CO2(SC-CO2)技术，通过宽温压范围(50-200℃/8-16MPa)实验结合分子动力学模拟，发现SC-CO2可高效脱除准东煤99.13%水分，显著提升燃烧速率并改善孔隙结构，为煤炭清洁利用提供新思路。

　　

煤炭作为全球能源结构的重要组成，其高效利用始终面临关键挑战——低阶煤的高含水量严重制约燃烧效率。以中国最大整装煤田准东煤为例，虽具有低灰分、低硫分优势，但15.56%的高水分含量导致锅炉燃烧效率低下。传统干燥技术如回转干燥、流化床干燥等存在能耗高、自燃风险大、环境污染等问题。在此背景下，西安交通大学的研究团队独辟蹊径，将绿色溶剂超临界CO₂(SC-CO₂)引入煤炭提质领域，通过多尺度研究揭示了SC-CO₂脱水增效的分子机制，相关成果发表于《Fuel》。

研究团队采用自主设计的SC-CO₂萃取系统，结合元素分析仪、全自动比表面积分析仪、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)和同步热分析仪等设备，系统考察了温度(50-200℃)和压力(8-16MPa)对煤质的影响。分子动力学模拟采用Materials Studio软件，通过Amorphous Cell模块构建水分子在SC-CO₂中的溶解扩散模型，力场选用COMPASS，采用NVT/NPT系综模拟溶解扩散过程。

3.1 煤炭水分含量变化
实验发现SC-CO₂处理使煤样水分显著降低，在200℃/8MPa条件下脱水率高达99.13%。温度升高与压力降低均促进脱水，但温度影响更显著。固定碳含量随温度升高整体增加，而灰分和挥发分变化不明显，证实SC-CO₂对弱极性水分的选择性脱除优势。

3.2 孔隙结构演变
SEM显示SC-CO₂处理后煤表面产生新孔隙。N₂吸附测试表明所有煤样均呈现IV型等温线和H₃型滞后环，证实其富含微-介-大孔的多级孔结构。在50℃/16MPa条件下，比表面积提升12.7倍至22.257 m²/g，平均孔径从316.059?降至53.136?，说明SC-CO₂促进微孔形成。

3.3 表面官能团特征
FTIR分析显示-OH(3100-3600 cm^-1)、脂肪族C-H(2800-3000 cm^-1)等特征峰保留，但-OH含量随温压升高而减少，证实SC-CO₂物理萃取特性。2280-2400 cm^-1处CO₂残留峰提示煤体对气体的吸附特性。

3.4 微晶结构解析
XRD显示所有煤样在2θ=25°处存在002石墨衍射峰。计算表明：低压高温(8MPa/200℃)使层间距d₀₀₂增至0.355nm，晶体高度L_c降至1.818nm；而高压低温(16MPa/50℃)使石墨化度G提升至0.871，揭示操作参数对碳有序度的调控作用。

3.5 燃烧性能提升
热重分析显示SC-CO₂处理后煤样平均燃烧速率v?显著提高，最低值(8MPa/50℃)仍比原煤高48.2%。DTG曲线三阶段失重特征保留，但水分蒸发峰减弱，470℃主燃烧峰增强，证实脱水对燃烧反应的促进作用。

3.6 水分子扩散机制
分子模拟直观展示水分子(绿色)在SC-CO₂(紫色)中的快速溶解过程(300ps完全溶解)。扩散系数计算表明：200℃/8MPa时扩散系数达49.63×10^-8 m²/s，是16MPa/50℃条件下的28.8倍，完美解释实验脱水率与温压的关联性。

这项研究通过创新性的"实验-模拟"双轮驱动策略，首次系统阐明了SC-CO₂煤炭提质的全链条机制：在分子尺度证实水分子扩散系数主导脱水效率；在介观尺度揭示孔隙活化规律；在宏观层面验证燃烧性能提升。特别值得注意的是，研究提出的"高温低压"优化工艺(200℃/8MPa)不仅实现99.13%脱水率，还使燃烧速率提升超48%，为准东煤这类优质动力煤的高效清洁利用提供了关键技术支撑。从环保角度看，该技术可直接利用电厂排放的CO₂实现煤炭提质，形成"以废治废"的循环经济模式。未来研究可进一步探索SC-CO₂对煤中多组分(如重金属)的协同脱除效应，推动该技术向煤炭全质化利用方向发展。