Эволюция пористой структуры угля при подземной термической обработке: экспериментальное исследование

Превращение угля из климатической проблемы в климатический инструмент

Уголь обычно рассматривают как ключевой фактор изменения климата, но это исследование изучает способ превратить глубокие, неразработанные залежи угля в более чистый источник топлива и долгосрочное хранилище двуокиси углерода (CO2). Вместо сжигания угля на поверхности можно аккуратно нагревать его под землей: так получают полезные топлива и оставляют углеродсодержащий, губчатый материал, который потенциально может надежно запереть CO2. В рамках работы поставлен простой, но важный вопрос: как меняется внутренняя «пористая» структура угля при нагреве на месте и насколько хорошо она сможет затем удерживать CO2?

Нагрев угля без его добычи

Подход, называемый подземной термической обработкой угля, медленно прогревает пласты в бескислородной среде при температурах до 600 °C. Вместо добычи инженеры подают тепло через скважины, собирают выделяющиеся газы и жидкости, а затем используют те же скважины для закачки CO2 обратно в обработанный пласт. Оставшийся твердый остаток, называемый пиролитическим углем (шаром), ведет себя как жесткая углеродная губка с порами разного размера. Именно эти поры определяют, сколько топлива можно получить при нагреве и сколько CO2 порода сможет вместить затем, поэтому понимание их развития имеет решающее значение для проектирования безопасного низкоуглеродного процесса.

Заглядывая в скрытый лабиринт угля

Чтобы заглянуть в эту скрытую поровую сеть, авторы взяли низкосортный уголь из Внутренней Монголии и очень медленно нагревали образцы до восьми целевых температур в диапазоне от 30 °C до 600 °C в атмосфере гелия. Затем они применили три взаимодополняющих лабораторных метода: адсорбцию CO2 для исследования мельчайших пор (менее 2 нм), адсорбцию азота для характеристики пор среднего размера и внедрение ртути для картирования больших пор и трещин. Вместе эти методы позволили проследить изменения в общем объеме пор, внутренней площади поверхности и сложности поровой сети по мере прохождения угля через разные стадии нагрева.

От сжимающегося пространства к растущей губке

Результаты показывают, что при нагреве уголь не просто «раскрывается»: его внутреннее пространство проходит через отчетливые фазы. Сначала, при повышении температуры от комнатной до примерно 350 °C, общий объем пор фактически уменьшается, хотя внутренняя площадь поверхности слегка растет. Жидкости, образующиеся на ранних стадиях нагрева, проникают в крупные поры и частично их закупоривают, тогда как в небольшом количестве появляются новые микропоры. Примерно между 350 °C и 450 °C тенденция меняется: газы и распавшиеся жидкости выходят наружу, образуя новые полости и расширяя как крупные, так и мелкие поры. Выше примерно 450 °C, а особенно к 600 °C, уголь приобретает значительно больше самых мелких пор наряду с возрождением крупных пор, так что и общий объем, и площадь поверхности заметно увеличиваются, а поровая сеть становится лучше связанной.

Три ключевых стадии трансформации угля

Связав эти измерения со стандартным индикатором зрелости угля, исследователи выделили три стадии подземного нагрева. На первой стадии (низкая зрелость) пространство теряется, поскольку жидкости заполняют поры среднего и большого размера. На второй стадии (средняя зрелость) быстрый распад органического вещества и выделение газов вырезают новые каналы, резко увеличивая объем пор и связность. На финальной стадии образования газа при более высокой зрелости продолжающееся выделение газов и структурные перестройки формируют плотное население микропор наряду с расширением крупных пор. Мелкие поры обеспечивают большую часть внутренней площади поверхности, где молекулы CO2 могут адсорбироваться, тогда как крупные поры служат «магистралями», помогая CO2 проникать в породу и распространяться по ней.

Что это значит для хранения углерода под землей

Проще говоря, аккуратный подземный нагрев превращает относительно плотный кусок угля в более сложную, многоуровневую губку. Исследование показывает, что работа при более высоких температурах в пределах изученного диапазона существенно увеличивает число микроскопических укромных мест, где может удерживаться CO2, и улучшает пути, по которым газ распространяется по пласта. Такое сочетание может позволить подземной термической обработке угля одновременно давать полезные топлива и оставлять в недрах фильтр, способный длительно хранить CO2, что способствует превращению угля из чистого климатического бремени в элемент широкой стратегии управления углеродом.

Цитирование: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Ключевые слова: подземная термическая обработка угля, хранение CO2, поры в угле, технологии чистого угля, секвестрация углерода