在CO?加热条件下对富含焦油的煤炭进行原位热解的实验研究：焦油-气体产物的提取及微观结构演变

《Fuel Communications》：Experimental study on in-situ pyrolysis of tar-rich coal under CO 2 heating: tar-gas products extraction and microstructural evolution

针对高阶煤原位热解在CO2气氛下的孔隙演化及碳封存潜力研究，采用CO2加热的自热解技术，结合微CT三维重构和等效孔网络建模，系统分析了不同温度下焦炭孔隙-裂隙结构演变规律，发现600℃焦炭内部连通性达98.2%，并证实其具备显著碳封存能力，为优化原位热解工艺参数提供理论支撑。

　　在当今全球能源格局不断变化的背景下，确保能源安全已成为各国政府和科研机构关注的核心议题之一。中国作为世界上最大的能源消费国之一，其对石油和天然气资源的外部依赖程度持续上升，这种依赖不仅受到国际油价波动的影响，还面临着地缘政治冲突、战争局势以及全球气候政策等多重挑战。因此，开发替代性的能源获取方式，尤其是能够有效利用国内丰富煤炭资源的技术，显得尤为重要。在此背景下，一种名为“原位热解”的技术被提出，作为解决当前能源安全问题的新思路。该技术通过在地下直接对高含油煤进行热解处理，不仅能够提高能源利用效率，还可能在一定程度上减少对传统化石燃料的依赖。

高含油煤是一种特殊的煤炭类型，其含油率通常在7%至12%之间，相较于普通煤炭，这种煤在热解过程中能够释放出更多的液体产物（即煤焦油）和气体产物（如煤气）。然而，目前关于高含油煤在二氧化碳加热条件下的原位热解研究仍然较为有限，尤其是在微观结构的三维可视化分析方面。此外，对于热解过程中产生的煤焦油和气体的迁移特性，也缺乏系统的实验数据支持。因此，有必要开展更深入的研究，以揭示高含油煤在不同热解条件下微观结构的变化规律，以及其对产物生成和迁移的影响机制。

本研究通过构建一个以高压反应釜为核心的原位热解实验系统，结合多种先进的分析手段，对高含油煤在二氧化碳加热条件下的热解过程进行了全面探究。实验过程中，研究人员对不同温度下的煤焦油、气体产物以及残留固体的分布情况进行了详细观察和分析。结果显示，在热解温度逐渐升高的过程中，残留固体的孔隙和裂隙数量显著增加，而单个孔隙和裂隙的空间则呈现出先增大后减小的趋势。具体而言，在600℃热解后的煤焦中，孔隙和裂隙的总体含量达到了98.2%，表明高温热解能够显著提升煤焦的内部连通性。这一现象对于提高产物的渗透能力和迁移效率具有重要意义。

进一步的分析表明，二氧化碳作为热解的加热介质，在一定程度上对煤焦油和气体的提取过程起到了积极作用。与传统的氮气加热相比，二氧化碳的物理和化学特性使其在热解过程中表现出独特的反应行为。一方面，二氧化碳可以促进煤中自由基的生成，从而增强煤焦油的形成；另一方面，它也可能与煤焦油发生二次反应，抑制其生成。因此，二氧化碳对煤焦油产量的具体影响取决于上述两种机制的相对作用。研究还发现，在热解温度超过500℃后，气体产物的产量增长速度明显加快，这表明高温条件对于气体产物的释放具有更强的促进作用。

在固体微观结构的演变方面，研究人员利用X射线微计算机断层扫描（micro-CT）技术，对不同温度下的煤焦样本进行了三维重建和定量分析。通过这一技术，不仅能够直观地观察到煤焦内部孔隙和裂隙的分布情况，还能够对这些结构的连通性和渗透性进行精确测量。研究结果表明，随着热解温度的升高，煤焦的内部结构逐渐变得更加复杂和多孔，这种结构的变化直接影响了产物的迁移特性。此外，研究还发现，不同温度下的煤焦具有不同的孔隙网络特征，这为后续优化热解工艺参数提供了重要的理论依据。

值得注意的是，原位热解过程中产生的煤焦不仅具有一定的经济价值，还可能具备显著的碳封存潜力。通过分析煤焦的气体吸附能力和孔隙尺寸分布，研究人员初步评估了其碳封存能力。这一发现为未来在原位热解技术中实现碳排放的减少提供了新的思路。通过合理的工艺设计，不仅可以提高煤焦油和气体的产量，还能够有效利用产生的煤焦进行碳封存，从而实现能源开发与环境保护的双重目标。

本研究还特别关注了原位热解过程中微观结构的演变机制。通过对比不同加热条件下的实验结果，研究人员发现，二氧化碳加热能够显著改变煤焦的孔隙结构和裂隙分布，这种变化不仅影响了产物的生成，还对产物的迁移路径产生了重要影响。此外，研究还发现，随着热解温度的升高，煤焦的连通性不断提高，这一现象可能与煤焦内部结构的重组有关。通过进一步的实验和模拟分析，研究人员能够更准确地预测不同热解条件下产物的生成规律和迁移特性，从而为优化原位热解工艺提供科学依据。

在实验设计方面，本研究采用了高精度的X射线微计算机断层扫描技术，以确保对煤焦内部结构的准确捕捉。同时，结合多种分析手段，如气体吸附实验和孔隙网络建模，研究人员能够从多个角度评估煤焦的物理和化学特性。这些分析手段的综合应用，使得本研究在揭示高含油煤原位热解过程中微观结构演变规律方面取得了重要进展。此外，研究还强调了实验条件的重要性，包括加热温度、压力以及加热速率等因素，这些因素都会对产物的生成和迁移产生不同程度的影响。

本研究的成果不仅有助于深入理解高含油煤在原位热解过程中的行为特征，还为相关技术的进一步发展提供了重要的理论支持。通过揭示不同热解条件下产物的生成规律和迁移特性，研究人员能够更有效地优化反应条件，提高能源利用效率。此外，对于煤焦的碳封存潜力进行初步评估，也为未来在原位热解技术中实现碳排放控制提供了新的方向。这些研究成果对于推动高含油煤的高效利用、促进能源技术的创新以及实现可持续发展目标都具有重要意义。

为了进一步验证这些理论发现，研究人员还进行了大量的对比实验，以评估不同加热介质对热解过程的影响。例如，通过与氮气加热和蒸汽加热的实验结果进行比较，研究人员能够更清晰地理解二氧化碳加热的独特优势。同时，实验还揭示了不同加热条件下产物的分布规律，为实际应用中的工艺参数选择提供了重要参考。此外，研究人员还探讨了热解过程中可能存在的副反应，这些反应不仅影响了产物的产量，还可能对环境产生一定的影响。因此，在实际应用中，需要对这些副反应进行有效控制，以确保原位热解技术的高效性和环保性。

在实验过程中，研究人员还特别关注了热解温度对产物生成的影响。通过实验数据的分析，他们发现随着温度的升高，煤焦油的产量呈现出先增加后减少的趋势，而气体产物的产量则持续上升。这一现象表明，热解温度的控制对于实现最佳的产物生成至关重要。此外，研究还发现，在热解温度达到600℃时，煤焦的孔隙网络结构得到了最大程度的优化，这为后续的碳封存和产物迁移提供了良好的条件。因此，在实际应用中，选择合适的热解温度不仅能够提高产物的产量，还能够优化产物的迁移路径，从而实现更高的能源利用效率。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和先进的分析手段，对高含油煤在二氧化碳加热条件下的原位热解过程进行了深入探讨。研究结果不仅揭示了热解过程中产物生成和迁移的规律，还为优化热解工艺参数提供了科学依据。此外，对于煤焦的碳封存潜力的初步评估，也为未来在原位热解技术中实现碳排放控制提供了新的思路。这些发现对于推动高含油煤的高效利用、促进能源技术的创新以及实现可持续发展目标都具有重要的现实意义和应用价值。