地下热处理过程中煤孔结构的演变：一项实验研究

将煤从气候问题转变为气候工具

煤通常被视为推动气候变化的主要因素，但这项研究探讨了一种将深处未开采的煤层转变为更清洁能源来源和长期二氧化碳（CO2）储存场所的方法。通过在地下温和加热煤层而不是在地表燃烧，我们可以生产有用的燃料，同时留下富含碳、类似海绵的固体残留物，可能安全地封存 CO2。本研究提出一个简单但关键的问题：当煤在原位加热时，其内部“孔隙”结构如何变化，之后又能以多大程度储存 CO2？

在不挖掘的情况下加热煤

这种称为地下煤层热处理的方法，在无氧环境中以最高可达 600 °C 的温度缓慢加热煤层。工程师不会开采煤，而是通过井注入热量，收集挥发出的气体和液体，然后再利用同一井将 CO2 注回已处理的煤层。残留的固体称为热解炭，其行为有点像刚性碳基海绵，内部充满不同尺度的孔隙。这些孔隙决定了加热过程中能产生多少燃料，以及之后岩石能够容纳多少 CO2，因此理解其演变对于设计安全、低碳的工艺至关重要。

观察煤内部的隐秘迷宫

为了窥探这一隐秘孔隙网络，作者取自内蒙古的低级煤样， 在氦气气氛下以极慢速加热至 30 °C 到 600 °C 之间的八个目标温度。随后他们使用了三种互补的实验室技术：利用 CO2 吸附探测极微小的孔（小于 2 纳米），用氮气吸附表征中等尺寸的孔，并用汞压入法绘制更大孔隙和裂缝的分布。三种方法结合使他们能够追踪总孔体积、内部比表面积以及孔隙网络复杂度随不同加热阶段的变化。

从收缩的空间到扩展的海绵

结果显示，煤在加热时并非简单地“张开”；相反，其内部空间经历了不同的阶段。起初，当温度从室温上升到约 350 °C 时，总孔体积实际上下降，但内部比表面积略有上升。早期加热形成的液体渗入到较大孔隙并部分堵塞它们，同时出现少量新的微小孔隙。大约在 350 °C 到 450 °C 之间，这一趋势逆转：气体和被分解的液体逸出，形成新的空隙并扩大大孔和小孔。超过约 450 °C，尤其在 600 °C 时，煤产生更多最小尺度的孔隙，同时大孔也再次增多，从而使总孔体积和比表面积显著增加，孔隙网络变得更连通。

煤转化的三个关键阶段

通过将这些测量结果与煤成熟度的标准指标相联系，研究者识别出地下加热过程中的三个阶段。在第一阶段（低成熟度），随着液体填充中等和大孔隙，空间被占据而减少。在第二阶段（中等成熟度），有机物的快速分解和气体释放开辟出新的通道，显著增加孔体积和连通性。在最后的高成熟度气体生成阶段，持续的气体释放和结构重排在扩展大孔的同时产生大量微小孔隙。微小孔隙提供了大部分 CO2 可吸附的内部比表面积，而较大的孔隙则充当高速通道，帮助 CO2 进入并在岩层中扩散。

这对地下储碳意味着什么

通俗地说，精心控制的地下加热会将相对致密的煤转变为更复杂、多层次的海绵。研究发现，在所测试的温度范围内采用更高的处理温度，会大大增加 CO2 可被困纳的微观凹槽数量，并改善气体在煤层中扩散的通道。这样的组合可能使地下煤层热处理在提供有用燃料的同时，留下一个能够长期储存 CO2 的地下过滤体，有助于将煤从纯粹的气候负担转变为更广泛碳管理策略的一部分。

引用: 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

关键词: 地下煤层热处理, CO2 储存, 煤孔隙, 清洁煤技术, 碳封存