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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

煤岩吸附氢气特征及其地质意义

2024-05-29


创新点
1 利用理论模型与样品实测计算评价了不同类型煤岩吸附氢气的变化规律。
2 结合煤岩煤质、地化、矿物、孔隙及压力特征揭示了煤岩吸附氢气机理与模式。
3 阐释了煤岩储存氢气的潜力及地质意义,为地质储氢与寻找天然氢气藏提供了参考。

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煤岩吸附氢气特征及其地质意义

作者韩双彪 1 , 王 缙 1 , 黄 1 , 金之钧 2, 3 , 刘全有 2, 3 , 万永平 4 , 王振川 4 , 刘 宇 1 , 乔 钰 1
单位: 1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院;2.北京大学 能源研究院;3.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室;4.陕西延长石油(集团)有限责任公司气田公司
研究背景
RESEARCH BACKGROUND
由于化石燃料的燃烧,温室气体排放到大气中对全球气候产生了不利的影响,随着全球对绿色低碳能源需求的增加,氢气作为化石能源的替代品而备受关注。这种重要清洁能源的热值远超煤、石油等化石能源,并可能彻底改变现有能源供应链,使燃料消耗脱碳,有助于减少二氧化碳排放量,降低“温室效应”。中国是世界上最大的氢气生产国和消费国,已经将氢能纳入国家能源战略体系,发布了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》,要求在2030年要形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系。中国已经具备丰富的供给经验和产业基础,采用重整制氢、工业副产气制氢和电解水制氢等成熟技术路线,工业制氢产能可以达到2500万t/a。
然而,氢气具有比较强的化学性质等特点,容易与其他物质发生化学反应,这不利于氢气的储存,也是阻碍建立规模化氢气经济行业的重要原因。现有的储氢方式主要有3种:① 液态储氢具有高储氢密度,但投资和能耗较高;② 固态储氢利用载体如金属氢化物、化学氢化物或纳米材料,具备高储氢密度和较好的安全性,但仍面临技术挑战;③ 气态储氢是目前最广泛应用的方式,但仍存在气体泄漏和安全隐患。因此,现有储氢技术均存在局限性。一些国家或地区已经在地下发现了高含量的氢气显示,如美国的堪萨斯州、巴西的圣弗朗西斯盆地、日本名古屋、中国松辽盆地等,这为利用地下储层储集大量氢气提供了新的思路。
煤层作为一种广泛发育的地层,其主要依靠吸附作用实现气体在煤岩孔隙中的储存。前人研究发现,煤岩在14.3 MPa下可以吸附0.6 mol/kg的氢气,且氢气吸附量随压力增大而急剧增大,然后趋于平稳,而温度对其影响较小,不同变质程度煤岩样品对氢气在其中的吸附和扩散行为可以使其成为地质上的“氢气电池”。然而,现有的研究忽略了氢气在煤岩当中吸附的影响因素,缺乏对煤岩中氢气吸附机理的深入研究。本研究以典型含煤盆地不同变质程度煤岩样品为研究对象,利用朗格缪尔模型模拟了煤岩样品的氢气等温吸附曲线,并基于比表面积、总孔体积计算了不同尺寸孔隙氢气吸附量,评估了不同变质程度煤岩吸附氢气的能力,分析了煤岩吸附氢气影响因素,提出了煤岩吸附氢气机理与模式,为探索地下深部煤层作为氢气储存介质的可行性、推动氢能源技术发展和解决储氢难题提供了新的思路。
摘要
ABSTRACT

氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型,可以减少全球温室气体排放,但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气,利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象,利用氢气等温吸附实验,结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量,结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。

研究表明:朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价,不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量,且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩,其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面,随着煤岩变质程度升高,有机质参与形成的微孔越多,提供的孔体积及总比表面积逐渐增加,提高了氢气吸附量,且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大,但由于分子间斥力等原因,吸附速率逐渐下降,氢气储存逐渐达到饱和。

中国深部煤层较为发育,为煤层储氢提供了良好的基础,但由于化学反应、竞争吸附等问题,氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏,这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力,但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

部分图片





1氢气地下存储


2研究区地质概况及岩性柱状图


3不同变质程度煤岩样品孔隙结构特征


4氢气等温吸附实验仪器组成


5煤岩氢气等温吸附曲线及吸附速率


6朗格缪尔模型模拟后氢气等温吸附曲线、氢气最大吸

附量及朗格缪尔压力


7不同尺寸孔隙氢气吸附量及其占比


8煤岩样品氢气最大吸附量与煤质、有机地化参数之间关系


9矿物与氢气最大吸附量关系


10孔隙结构参数与氢气最大吸附量关系


11煤岩吸附氢气机理与模式


12地质储层条件下氢气消耗反应路径


作者简介

韩双彪,男,1987年,河北衡水人,博士,副教授,博士生导师,主要从事页岩油气地质评价、非常规油气成藏机理与新型能源资源(氢气/氦气)等方向的教学与科研工作。作为负责人主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划专题以及中国石油、中国石化、延长石油科学研究任务20余项,国际学术期刊Advances in Resources Research”客座编委,中国科技卓越期刊“天然气工业”、“中国矿业大学学报”以及核心期刊“天然气地球科学”青年编委。主讲“非常规天然气勘查与开发”、“油气地球化学”、“新能源概论”、“矿产资源成藏理论与方法”等课程。发表高水平期刊论文50篇,论文他引总计2000余次,7篇论文入选中国学术期刊高被引论文、高下载论文,出版学术专著3,授权国家发明专利与软件著作权10余项


研究方向

页岩油气地质评价;非常规油气成藏机理;新型能源资源(氢气/氦气)


主要成果

研究发现了沉积盆地深部连续高含量氢气异常,通过地质评价指标揭示了松辽盆地深部氢气来源及成因模式,为地球深部清洁能源勘探开发提供了新方向;建立了基于分子化合物的沉积有机质成熟度表征新参数指标,研发了含气量实验测试的虚拟仿真软件,创新了基于核磁共振的含水性与润湿性检测技术方法;阐明了页岩气中不同气体组分赋存聚集规律,提出了高过成熟页岩气形成与评价技术方法体系,推动了新区新层新领域的研究认识。获全国大学地质课程教学比赛一等奖(R1)、北京市高水平人才交叉培养“实培计划”指导教师、中国产学研创新成果二等奖(R1)、中国石油化工行业优秀科技著作一等奖(R1)等。



来源:

韩双彪,王缙,黄劼,等. 煤岩吸附氢气特征及其地质意义[J]. 煤炭学报,2024,49(3):1501−1517.


责编:王 凡
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


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