热解与还原区产物特性解析及CO2利用潜力：地下煤气化(UCG)的多相反应机制研究

针对地下煤气化(UCG)过程中气-液-固三相产物转化机制不明的科学问题，研究人员通过12组管式炉实验结合FTIR、GC-MS等技术，系统揭示了300-900°C热解与还原区的产物分布规律：热解区CO2主导低温段(300-400°C)，CH4富集于高温段(>500°C)；还原区以CO为主产物；900°C直接注入CO2可显著提升CO产量，为UCG工艺优化与碳利用提供理论支撑。

　　

煤炭作为全球能源体系的支柱，在碳中和背景下正面临严峻挑战。地下煤气化（Underground Coal Gasification, UCG）这项将地下煤层原位转化为可燃气的技术，因其高效清洁特性备受关注。然而，UCG过程中产生的气体、焦油和固体残渣的演化规律尚不明确，特别是热解区与还原区的耦合反应机制，成为制约工艺优化的瓶颈。如何通过调控反应条件提升气化效率？怎样实现CO₂的资源化利用？这些问题直接关系到UCG技术的工业化应用前景。

来自山东科技大学的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表的研究，通过12组管式炉模拟实验，首次系统揭示了UCG热解区与还原区三相产物的转化路径。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析固体产物官能团演变，结合气相色谱（GC）和气质联用（GC-MS）对气体与焦油组分进行定量追踪，构建了温度-产物分布的定量关系模型。

气体产物演化规律
在热解区，300-400°C时CO₂占比达峰值（42.1%），500°C以上CH₄成为主导组分（700°C时占61.3%）。还原区则呈现显著差异：CO始终为主要产物（600°C占比58.9%），且900°C直接注入CO₂可使CO产量提升2.3倍，证实CO₂参与Boudouard反应（C+CO₂→2CO）的强化效应。

固体产物特性
FTIR分析显示，热解区脂肪族官能团转化率比还原区高14.7%，而还原区固体残留物中醇、醚和酚类相对含量较酸酯酮类高22.4%。这表明还原环境更利于含氧大分子的断键重组。

焦油组分转变
热解区焦油在300°C以脂肪烃为主（占比73.5%），400°C以上芳香烃占比骤增至81.2%；还原区却呈现反向趋势：300-500°C芳香烃占优（68.9%），600-700°C脂肪烃比例回升至54.3%。这种"温度-区域"双依赖特性为定向调控焦油品质提供新思路。

该研究首次绘制了UCG全过程三相产物的转化图谱，阐明了三个关键机制：一是热解区低温段（<500°C）有利于CH₄生成，而高温段促进芳构化；二是还原区CO₂注入可协同提升合成气产量与碳转化率；三是固体污染物中羧酸类物质在低温热解条件下减少37.2%。这些发现不仅为UCG工艺参数优化提供理论依据，更开创了通过CO₂原位转化提升能源效率的新路径。

研究团队提出的"低温热解-高温还原"分级调控策略，可使有效气（CO+CH₄+H₂）产率提升19.8%，同时减少焦油有害组分。该成果对推动煤炭资源清洁利用具有里程碑意义，为碳捕集与利用（CCU）技术在能源领域的应用开辟了新场景。