Um den Einfluss der Feuchtigkeit auf die Wirkung der CO₂-Injektion zur Verdrängung von CH₄ in tiefen Kohleschichten (CO₂-ECBM) zu untersuchen, wurde tiefes Kohlematerial aus Fukang als Forschungsobjekt verwendet. Es wurden Experimente wie ¹³C-Kernspinresonanzspektroskopie (¹³C-NMR) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) durchgeführt, kombiniert mit dem Aufbau eines Kohlenstoffmatrixmodells mittels molekularer Simulation. Mittels molekularer Simulation wurde der mikroskopische Wirkmechanismus der Feuchtigkeit auf den CO₂-ECBM-Prozess in tiefen Kohleschichten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kohlenstoffmatrix nach Gassorption eine signifikante Volumenausdehnung erfährt und das Porenvolumen stark abnimmt. Bei gesättigter CH₄-Adsorption verringert sich die Porosität der Kohlenstoffmatrix um 72,2 % gegenüber dem Anfangswert; bei einem Molanteil-Verhältnis von CO₂ zu CH₄ von 2 sinkt die Permeabilität der Kohlenstoffmatrix um 83,8 %. Eine Erhöhung der Feuchtigkeit hemmt die Leistungsfähigkeit der Kohleformation deutlich: Im Vergleich zu trockenem Kohlematerial sinkt die Permeabilität der Kohlenstoffmatrix bei 1 %, 3 % und 5 % Feuchtigkeit um 50,9 %, 94,9 % bzw. 99,6 %, was darauf hinweist, dass Feuchtigkeit den Gasfluss stark hemmt. Wettbewerbsadsorptionseigenschaften zeigen, dass mit steigendem CO₂/CH₄-Verhältnis die CO₂-Adsorptionsmenge zunimmt, die CH₄-Adsorptionsmenge schnell abnimmt und verdrängt wird; bei einem Verhältnis ≥1,2 stabilisiert sich die Verdrängungsrate. Erhöhte Feuchtigkeit reduziert die absolute Adsorptionsmenge von CO₂ und CH₄ sowie das Injektions- und Verdrängungsverhältnis von CO₂, hat jedoch nur geringe Auswirkungen auf die relative Verdrängungsrate von CH₄. Die Adsorptionswärme von CO₂ ist höher als die von CH₄, was auf eine stärkere Affinität von CO₂ zum Kohlenstoff hindeutet; die Feuchtigkeitserhöhung erhöht die Adsorptionswärme beider Gase, bleibt jedoch unter 42 kJ/mol, was auf physikalische Adsorption hindeutet. Die Reihenfolge der Wechselwirkungsenergie zwischen Kohlenstoff und CO₂ sowie CH₄ lautet: E_Coal-CO₂ > E_Coal-CH₄ > E_CO₂-CH₄, CO₂ behält im Wettbewerb die Oberhand; die Diffusionskoeffizienten von CO₂ und CH₄ nehmen mit steigendem Feuchtigkeitsgehalt und CO₂/CH₄-Verhältnis deutlich ab, wobei die Abnahme bei CH₄ stärker ist, was auf eine höhere Empfindlichkeit der CH₄-Diffusion gegenüber Feuchtigkeit hindeutet. Die Studie offenbart den mikroskopischen Mechanismus der CO₂-Verdrängung von CH₄ in wasserhaltigen Kohleschichten und liefert eine theoretische Grundlage für die effiziente Entwicklung von Kohlegas und für die Praxis der geologischen CO₂-Speicherung.

Tiefkohlenbergas; Molekülmodell; Feuchtigkeitsgehalt; CO₂-ECBM; Molekulare Simulation