煤的热解是煤在利用过程中必然要发生的过程[1，2]，尤其对煤的气化有着重要的影响，热解条件对煤焦物理性质有很大的影响。煤炭地下气化是将煤层进行气化，在气化过程中存在煤层的原位热解阶段和煤层受热破碎成大尺度块煤煤焦气化阶段[3]。煤在热解过程中会发生两方面的变化[4-6]：一方面，随着温度的不断升高，煤焦内部结构逐渐由无序向有序方向发展，增加了煤焦的石墨化程度；另一方面，煤中挥发份的析出能够影响煤焦中孔隙结构的变化。而煤焦中孔隙和表面是煤焦进行气化时，气化剂与碳发生反应的通道和反应场所。在整个煤焦气化反应过程中，煤焦的孔隙结构和比表面积将影响整个反应进程。由于地下气化是将煤层进行气化，因此研究大尺度煤热解煤焦的孔隙结构有助于对煤炭地下气化的整个气化过程进行分析。本文选用乌兰察布褐煤利用自行设计可控立式管式气化炉进行了煤层模拟热解实验，利用BET测试仪，研究了大尺度煤在不同温度、压力和不同原煤粒径条件下热解煤焦的孔隙结构变化规律，皆在为我国煤炭地下气化过程中大尺度煤煤焦气化提供基础数据和科学理论依据。 
　　1 实验部分 
　　1.1 煤样 
　　试验用煤样来自现场地质钻探取芯样品，将煤样制成粒径为10mm、20～30mm、30～40mm、80～90mm的煤样，煤样的煤质分析见表1-1。 
　　表1-1 乌兰察布褐煤煤质分析 
　　1.2 实验装置 
　　大尺度煤热解实验在可控立式管式气化实验平台进行，见图1-1； 装置由供气部分、管式炉部分、操控平台、净化装置四部分构成。利用SSA-4300孔隙比表面分析仪（北京彼奥德电子技术有限公司生产）对煤焦孔隙结构及比表面积进行测试；实验中还用到MD-200型样品前处理器；万分之一电子天平。 
　　1质量流量计；2水泵；3单向阀；4水蒸气发生器；5压力感应器；6气化炉炉膛；7冰水浴；8焦油冷却器；9背压阀；10多环芳烃吸收装置；11热电偶；12仪表控制器；13干燥器；14煤气取样口；15湿式气体流量计。 
　　图1-1 热解气化实验系统 
　　1.3 大尺度煤煤焦的制备 
　　根据煤炭地下气化模拟实验和现场煤炭地下气化试验的研究，在煤炭地下气化过程中煤层的升温速率在5℃/min左右，因此本次实验室制备煤焦升温速率均为5℃/min，热解气氛为N2。以下是主要煤焦制备条件： 
　　（1）不同粒径原煤煤焦制备 
　　选取粒径为10mm、20～30mm、30～40mm、80～90mm的四份煤样，质量均为300g左右，装入自行设计的可控立式管式炉中，在氮气气氛及常压条件下以5℃/min的升温速率加热到900℃，并恒温热解1h，在氮气气氛下冷却，取出煤焦。 
　　（2）不同压力下煤焦制备 
　　选取粒径为30～40mm的乌兰察布褐煤煤样，质量均为300g左右，在常压、0.2MPa、0.4MPa、0.7 MPa、1.0 MPa的条件下以氮气作为热解气氛，升温速率为5℃/min升温到900℃，恒温1h后氮气冷却，取出煤焦。 
　　（3）不同热解终温煤焦制备 
　　选取粒径为30～40mm的煤样，以氮气为热解气氛，可控立式管式炉以5℃/min的升温速率升温，分别以900℃、1000℃、1100℃的热解终温下恒温1h，在氮气气氛下冷却，取出煤焦。 
　　1.4 大尺度煤煤焦理化性测试 
　　大尺度煤煤焦的孔隙和比表面积的测定是在SSA-4300孔隙比表面分析仪上进行。该仪器在相对压力[P/P0]0.01～1.0的范围内对煤焦进行静态等温吸附测量。其中液氮的饱和温度是77K，取24个压力点进行等温吸附， 通过测量在每个相对压力点下煤焦样品对氮的吸附量，确定煤焦颗粒的比表面积和孔隙结构。煤焦样品在 MD-200型样品前处理器上进行处理，调节温度为100℃，在10小时左右时将样品抽真空到5μm汞柱来排出样品孔隙中的气体杂质和内部水分。 
　　2 结果与讨论 
　　2.1 大尺度煤焦吸附等温曲线分析 
　　吸附等温曲线能够反映出孔径的分布、吸附剂的表面性质以及吸附介质与吸附剂之间的相互关系。 
　　图2-1 不同粒径乌兰察布褐煤煤焦的吸附等温曲线 
　　煤焦的吸附等温曲线能够反映出煤焦丰富孔隙结构的信息[7]。图2-1～2-3给出了乌兰察布大尺度褐煤在常压、热解温度、加压三个不同制焦条件下煤焦的N2吸附等温曲线。可以看出，在较低相对压力（P/P0≤0.5）时，N2的吸附量曲线是缓慢增加，吸附曲线有微弱的向上凸的形状，此时由单分子层吸附向多分子层吸附过渡。当相对压力较高（P/P0>0.5）时，N2的吸附量曲线迅速上升，直至趋向饱和蒸汽压也没有出现吸附饱和的现象。这种现象说明在较低相对压力下以微孔的堵塞为主，而在较高相对压力下发生的主要是毛细凝聚和多层吸附，表明在煤焦中不但有微孔，也有比微孔大的中孔或者更大的大孔[8]。 
　　从图2-1可以看出，在低相对压力条件下，煤焦对N2的吸附量随着原煤粒径的增加而增加。粒径为80-90mm制得的煤焦在低相对压力下的吸附量远大于其他三种粒径的煤焦；在高相对压力条件下，原煤粒径为20～30mm的煤焦的吸附量最大。在整个吸附过程中，原煤粒径为30～40mm的煤焦的吸附量最小。吸附量的不同表明原煤粒径的不同对煤焦孔隙结构的发展有很大的影响。
从图2-2可以看出，随温度的升高，煤焦对N2的吸附量虽然有所增加但是均相差不大，吸附量的增加，表明热解温度的增加有利于煤焦孔隙结构的发育。 
　　从图2-3可以看出在低相对压力下煤焦的吸附量均很小，但随着热解压力的增加，在同一相对压力下吸附量也增加。说明热解压力的增加有利于煤焦孔隙结构的发展。然而当热解压力大于0.7MPa时，吸附量又会有所降低，表明更高压力对煤焦孔隙结构的发育起到阻碍作用。 
　　2.2 大尺度煤焦BJH孔隙分布分析 
　　图2-4 不同粒径原煤煤焦孔径分布图 
　　图2-4～2-6基本以双曲线分布为主，煤焦孔径分布数量基本以小于10nm占大多数。图2-4为热解温度为900℃条件下不同原煤粒径所得煤焦的孔体积分布图，从图中可以看出，煤焦颗粒内部孔径≤2nm的孔容体积变化非常明显，原煤粒径为80～90mm的煤焦内部微孔分布最多。随原煤粒径的增加，热解所得煤焦的微孔也逐渐变得发达。当孔径≧2nm时，原煤粒径为20～30mm所得煤焦内部中孔分布最广，而原煤粒径为30～40mm的煤焦的孔分布量均低于其他三种原煤粒径制得煤焦。 
　　图2-5可以看出，随热解终温的升高，煤焦的孔径分布量都有所提高，孔径变化范围相对集中，在孔径为2.5nm～8.0nm范围内1100℃的煤焦孔径分布量是900℃煤焦孔径分布量47.6%左右，而在孔径≧8nm时，三种温度下的煤焦内部孔径的分布量几乎没有什么变化。 
　　图2-6可以看出，不同压力下热解煤焦的孔体积分布在4.5nm附近区域有一个孔体积分布峰，随热解压力的提高，孔体积分布峰先升高后降低，说明热解压力的不同主要对4.5nm附近的中孔起到了影响作用；同样对微孔也有很大的影响，随压力的升高微孔孔体积分布也是先增加后降低，但在压力大于0.4MPa后，微孔的孔体积分布量就开始降低。 
　　在大尺度煤热解过程中，由于煤粒径的增加，内部出现温度梯度，温度梯度使得大尺度煤整体不能以相同升温速率升温，造成粒径为80～90mm煤焦内部达到900℃时，相对10mm粒径原煤在900℃热解停留时间比大粒径原煤的长。而小粒径原煤在较长的停留时间下煤焦会出现微晶结构从不规则相有序方向排列，从而使煤焦微孔隙结构的分布数量小于较大尺度煤煤焦的孔隙结构。 
　　高温热解环境对乌兰察布褐煤煤焦孔径分布更加有利，当热解温度升高，煤焦颗粒内部在一定孔径范围内（2.5nm～8.0nm）孔径分布所占比例越来越大，但相对更大的中孔相对变化很小。 
　　热解系统压力的提高会使原煤在热解时挥发分的析出受到抑制。原煤热解挥发分的这种抑制作用在压力小于0.7MPa下反而有利于煤焦孔隙结构的发展，尤其影响煤焦表面孔体系的发展。当系统压力继续提高大于0.7MPa时，挥发分的在煤焦中的停留时间增加，促进煤焦中的二次反应的进行，生成大量的碳素和其他物质将煤焦中部分孔隙堵塞，阻碍煤焦中孔隙结构的发展。同时，煤在加压热解条件下可能会与煤中碳基质的流动性有关系。 
　　3 结论 
　　（1）乌兰察布大尺度煤煤焦吸附等温线基本属于第Ⅱ类。说明在较低相对压力下以微孔的堵塞为主，而在较高相对压力下发生的主要是毛细凝聚和多层吸附，表明在煤焦中不但有微孔，也有比微孔大的中孔或者更大的大孔。 
　　（2）煤焦对N2的吸附量随着原煤粒径的增加先增加后减少。热解温度的升高，煤焦对N2的吸附量有所增加，但均相差不大。热解压力的增加有利于煤焦孔隙结构的发展，但当热解压力大于0.7MPa时，吸附量又会有所降低。 
　　（3）大尺度乌兰察布褐煤在不同原煤粒径、不同温度、不同压力下热解煤焦颗粒内部的孔径分布数量基本以小于10nm占大多数，煤焦的孔径主要以中孔的贡献为主。 
　　（4）大尺度煤粒径的不同对煤焦微孔结构的影响尤为重要，原煤粒径的增加促进了煤焦微孔结构的发育。 
　　（5）热解终温的升高，煤焦的孔容积分布量都有所提高，高温环境（900～1100℃）对乌兰察布褐煤煤焦孔径分布更加有利。 
　　（6）热解压力影响4.5nm附近中孔的分布。随压力升高孔体积分布先增加后降低，压力大于0.4MPa后微孔的孔体积分布量开始降低。