原位条件下富油煤热解特性研究及工业规模提取模拟

本研究通过自主研发的全封闭热解实验系统，模拟高温高压、慢速升温的原位热解环境，系统分析了山西谢沟矿区块状富油煤在不同温度下的气液固三相产物分布规律，并结合COMSOL Multiphysics软件进行工业规模模拟。研究发现CH4是主要气相产物（550℃时占比达82.1%），450-550℃为轻质油最佳回收窗口，碳骨架稳定性随温度提升而增强。研究为富油煤"氢提碳存"低碳开发策略提供了关键理论支撑。

　　

引言

在全球极端气候加剧的背景下，富油煤作为兼具煤、油、气三重属性的特殊资源，其"氢提碳存"原位热解技术成为低碳开发战略的关键。中国富油煤储量超5500亿吨，潜在油气资源分别达500亿吨和75万亿立方米。与传统热解相比，原位热解在转化效率和产物组成上存在显著差异，操作条件控制成为领域核心挑战。

材料与方法

研究选用山西谢沟煤矿块状富油煤（镜质组反射率R_o,max=0.74%±0.02），通过自主研发的全封闭热解系统模拟600米埋深环境（轴向载荷15MPa，升温速率1℃/min）。采用GC-MS和岩石热分析技术，系统研究350-600℃温度区间内三相产物分布规律。基于实验参数拟合，建立渗透率、热导率等参数的温度依赖模型：

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  渗透率在300-650℃区间符合S型增长曲线

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  热膨胀系数α=0.017T+1.423

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  热导率λ=0.07127+0.58072/(1+e^{(T-347.123)/dx})

工业模拟采用50×50×30m三维模型，加热井间距3m，生产井居中布置，通过多物理场耦合方程模拟传热传质过程。

实验结果

气相产物：

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  系统压力从350℃的0.8MPa升至600℃的14.5MPa

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  CH₄占比呈"M"型变化，550℃达峰值82.1%

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  C₂-C₃气体在400℃出现产量拐点

液相产物：

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  450℃时排出油收率最高（30.0mg/g）

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  饱和烃含量随温度升高增加23.5%

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  C₅-C₁₆轻组分在500-550℃占比提升40%

固相产物：

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  总有机碳（TOC）含量从69.19%增至86.69%

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  热解碳（PC）含量从14.81%锐减至1.66%

工业模拟

温度场演化显示：

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  100天时500℃以上区域占11.5%

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  1500天时煤層平均温度达502.1℃

  产物累积量呈现阶段性特征：

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  排出油在200天达日产峰值2320kg

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  CH₄在1100天出现3.16×10⁴L/d峰值

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  H₂产率在1900天达2680L/d

讨论

气相产物变化揭示三阶段反应机制：

1. 1.

   低温段（<400℃）：氧脱除主导，CO₂占比超60%

2. 2.

   中温段（400-550℃）：脂肪链断裂产生C₂-C₄烃类

3. 3.

   高温段（>550℃）：芳环缩合生成H₂

液相组分演化与二次反应密切相关：

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  450℃时β键断裂促使重质组分裂解

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  600℃时自由基重组导致沥青质再生

结论

1. 1.

   确立550-600℃为天然气最佳开采窗口，CH₄单日产量可达31.6m3

2. 2.

   450-550℃温度区间轻质油回收潜力最大，饱和烃含量提升35%

3. 3.

   碳骨架石墨化程度随温度升高而增强，TOC含量提升17.5%

4. 4.

   工业开发建议：500天周期侧重采油，1900天周期侧重采气

该研究为富油煤原位热解工业化提供了从实验室到工程应用的完整技术路径，对实现"双碳"目标下的煤炭资源清洁利用具有重要指导意义。