用于解析煤炭快速氢气动力学的高精度量压平台：对大规模地质储存的启示

《International Journal of Hydrogen Energy》：A high-precision manometric platform for resolving rapid hydrogen kinetics in coal: Implications for large-scale geo-storage

　　

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  不确定性分析指导了用于分辨微小氢吸附信号的装置设计。
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  通过十二次重复的氢吸附测试对四种煤进行了比较。
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  时间分辨分析揭示了 LK 和 RB 中截然不同的压力响应。

引言

温室气体（GHG）排放的持续上升，主要归因于化石燃料的燃烧，已成为全球变暖的主要驱动因素[1]、[2]、[3]、[4]。为应对这些挑战，美国能源部（DOE）于 2021 年 6 月启动了“氢弹”倡议。该项目旨在推动清洁氢能技术取得突破，目标是在十年内实现广泛可获得性、成本效益和可靠性[5]。氢是一种有前景的清洁能源载体，能够改变能源格局并使关键部门脱碳。这种运行灵活性使其能够与多种能源原料协同整合，为大规模储能和跨领域应用的创新提供了稳健的框架。氢有望帮助一些最耗能的部门实现脱碳，包括交通运输、发电和制造业[6]。例如，太阳能和风能等可再生能源产生的盈余电力可以通过电解法生产氢气[7]。氢燃料电池，特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC），是内燃机的理想替代品。当供应来自空气中的氢气和氧气时，PEMFC 可以零排放地产生电能，使其成为清洁交通和分布式电力系统的理想选择[8]、[9]、[10]。作为“氢弹”路线图的一部分，DOE 设定了在十年内将清洁氢的成本降低至每公斤 1 美元的目标（“1-1-1”）。然而，实现以氢为基础的经济需要克服成本、耐久性、可靠性、基础设施，尤其是大规模储存方面的挑战。

由于氢气的体积能量密度低且扩散系数高，储存仍然是最关键的技术障碍之一[11]。在各种方法中，地下地质构造，包括盐穴、含水层、枯竭的气或油藏、煤层和硬岩洞穴，为大规模、长时储存氢气提供了广阔的前景。全球范围内已经实施了一些地下储氢（UHS）项目，例如美国 Clemens、英国 Teesside 和德国 Kiel 的盐穴；法国 Beynes 和捷克 Republic 的 Lobodice 含水层；以及阿根廷的枯竭气藏 Diadema[12]、[13]。为 UHS 选择合适的地层技术复杂，必须考虑盖层完整性、储层渗透率、多相流行为、流体–岩石相互作用和地质不确定性。在潜在选项之中，枯竭的煤层气（CBM）储层因其广泛可得性、已证实的气体注入能力（例如用于提高氢气产量的 CO₂ 或烟气注入[14]）以及对气体吸附的内在亲和力而引起了特别关注[15]、[16]、[17]。煤作为一种天然吸附和多孔介质，通过表面相互作用具有储存氢气的潜力。此外，其在采矿地区发达的基础设施使其成为 UHS 试验性项目的有吸引力候选者。

然而，将储氢概念转化为可行的现场规模操作，需要严格表征复杂的气体–煤界面相互作用。氢与更常被研究的气体（如 CH₄ 和 CO₂）之间存在关键区别。后者以其强吸附诱导膨胀著称，这通常会降低煤基质传输性能[18]、[19]。相比之下，氢的弱色散力导致其具有独特的吸附特性，并且可能使煤结构产生较少的机械变形[20]。尽管初步发现表明，在氢气注入期间煤的渗透率可能保持相对稳定[17]，但其传输通道的动态演化仍是积极辩论的领域。除了纯吸附，氢在多相系统中的作用同样复杂。Sedev 等人证明，氢会影响盐水在煤上的润湿行为，表明毛细压力和相对渗透率可能对储层压力和温度高度敏感[21]。尽管近期兴趣激增，吸附数据直到最近才出现[11]、[22]，但当前知识状态受到实验局限性的阻碍。大多数现有研究侧重于静态平衡，这在我们对现实的高压地下环境中时间分辨扩散和动态吸附动力学的理解上留下了一个主要缺口。这种瞬态数据的缺乏阻碍了氢注入和采收的准确预测模型的开发。

为了弥合这一关键缺口并改进煤中氢吸附和扩散的时间分辨测量，我们通过结合一个由测量不确定性数学分析支持的修改后误差抑制设计，推进了我们之前提出的方法[23]、[24]。该平台应用于四种煤样本，LK、JH、KINGII 和 RB，涵盖无烟煤、烟煤和次烟煤等级，压力高达约 2.5 MPa。使用传统吸附模型和双位 Langmuir–Freundlich（DSLF）公式分析所测得的吸附等温线，以比较其描述性能。该模型分析支持对测量平台和数据工作流程的评估，而不是建立特定的吸附机制。提取时间分辨扩散曲线，以检查估计的传输参数随时间和压力步骤的演化情况。这些测量为比较所测煤的氢吸附和传输行为提供了依据。

除了提供原始实验证据外，本研究还证明了气固研究中高频时间分辨的必要性。仪器逻辑的核心在于利用优化的体积比设计和毫秒级采样，来分辨氢扩散初始、快速瞬态阶段，这些阶段在常规静态测量中通常会丢失。这些发现完善了氢–煤相互作用机理的理解，并为地下储系统严格的工程设计提供了所需的高保真参数。

章节摘要

样品采集与制备

研究了四种煤样本：LK、JH、KINGII 和 RB。这些样本包括无烟煤（LK）、高挥发分烟煤（JH）、烟煤（KINGII）和次烟煤（RB）。表 1 总结了它们的标识符、来源、等级分类以及可用的元素分析数据，包括水分、灰分、挥发分和固定碳。每个量的报告基准均已指定。这些特征为比较测得的氢吸附提供了背景信息

吸附特性

在 35 °C 下进行的氢吸附测量揭示了由 LK、JH、KINGII 和 RB 代表的三种煤等级组之间截然不同的吸附响应。对 LK、JH、KINGII 和 RB 的氢吸附进行了考察，每种样本在相同煤装载量上进行三次重复测试。单个绝对和超额吸附等温线如图 S2 所示，便于在平均结果的同时检查重复趋势。为了样本和模型间的比较，图 6、图 7、图 8 和

结论

本研究开发并应用了一种高分辨率容量平台，结合了不对称参比/样品池构型与 10 kHz 压力采集以及处理高频压力记录的工作流程。在四种煤样本上进行氢吸附测量，每种煤装载量进行三次重复测试，证明了其分辨平衡吸附量和瞬态响应差异的能力。主要结论如下。

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  不确定性分析识别出

CRediT 作者贡献声明

贺新欣：撰写 – 初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。 刘世敏：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，方法论，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者声明本研究未接受外部资助。

Xinxin He|Shimin Liu