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天然焦富氢气化特性及影响因素的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源格局持续演变的当下，能源供应与需求之间的矛盾日益凸显。随着世界经济的快速发展以及人口的持续增长，能源需求呈现出强劲的上升态势。国际能源署（IEA）发布的《2024世界能源展望》显示，过去十年，全球能源需求增长了15%，尽管在此期间，清洁能源在能源需求增长中的占比达到40%，然而，化石燃料在全球能源结构中的份额依然居高不下，2023年仍占80%。石油、煤炭、天然气等化石燃料的大量使用，不仅导致了资源的日益枯竭，更引发了一系列严峻的环境问题。燃烧化石燃料所产生的大量温室气体排放，如二氧化碳、甲烷等，是造成全球气候变暖的主要原因，给生态系统、人类健康和社会经济发展带来了巨大威胁。

在此背景下，清洁能源的开发与利用成为全球能源领域的研究热点与发展方向。氢能，作为一种极具潜力的清洁能源，被誉为“21世纪的新能源”，具有诸多显著优势。其一，氢气的燃烧热值高，单位质量的氢气燃烧所释放的能量约为汽油的3倍，煤炭的4倍，这使得氢能在能量输出方面表现卓越；其二，氢气燃烧的产物仅为水，不产生任何温室气体和污染物，对环境无污染，是真正意义上的绿色能源；其三，氢能的适用范围广泛，可应用于交通运输、电力供应、工业生产等多个领域，为解决不同领域的能源需求提供了可能。将矿石能源转化为氢能再加以利用，被视为解决当前能源与环境之间矛盾的良策，对于实现能源的可持续发展具有重要意义。

目前，化石燃料制氢和水电解制氢技术虽已相对成熟，但均存在一定的局限性。化石燃料制氢过程中会产生大量的二氧化碳排放，且能量转换效率较低，通常在50%左右；水电解制氢则需要消耗大量的电能，成本高昂，限制了其大规模的应用。因此，探索新型的高效制氢技术成为当务之急。

天然焦，作为一种特殊的固体可燃矿物，是煤层受岩浆侵入后，经过快速热解、干馏而形成。因其与人工焦炭相似而得名，广义上属于高变质程度的一类煤，其热值大都在18-30MJ/kg之间。我国天然焦储量丰富，但由于其点火难和热爆性等特点，制约了人们对其应用方面的研究，导致目前大多数的天然焦被抛弃于大自然中或埋藏在开采后的地层中未被开采，造成了资源的巨大浪费。开展天然焦富氢气化试验研究，具有多方面的重要意义。

从能源转型的角度来看，若能实现天然焦的高效富氢气化，将为氢能的大规模生产提供一种新的途径，有助于减少对传统化石燃料的依赖，推动能源结构向清洁能源方向转型。这对于缓解全球能源危机，降低温室气体排放，应对气候变化具有积极的作用。在资源利用方面，通过对天然焦的有效利用，能够将原本被闲置浪费的资源转化为具有高附加值的氢能，提高资源的综合利用效率，实现资源的最大化价值。这不仅有助于提高焦化工业的环保性能，还能为氢气生产领域提供新的思路和方法，促进相关产业的发展，具有显著的经济效益和环境效益。

1.2国内外研究现状

近年来，随着能源危机和环境问题的日益严峻，天然焦富氢气化作为一种潜在的高效制氢技术，受到了国内外学者的广泛关注。

在国外，相关研究主要聚焦于气化反应机理和工艺优化。美国能源部下属的国家可再生能源实验室（NREL）的研究团队通过先进的原位表征技术，深入探究了天然焦在不同气化条件下的反应路径和产物分布。他们的研究发现，在高温和合适的水蒸气氛围下，天然焦的气化反应速率显著提高，氢气产率也随之增加。德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科研人员则致力于开发新型的催化剂，以降低天然焦气化的反应温度，提高氢气的选择性。他们通过实验研究，发现某些过渡金属氧化物负载的催化剂能够有效促进水煤气变换反应，从而提高氢气的产量。日本的研究人员则注重从微观结构层面研究天然焦的气化特性，借助高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术，深入分析天然焦在气化过程中的结构演变和化学组成变化，为优化气化工艺提供了微观层面的理论依据。

国内对于天然焦富氢气化的研究也取得了一定的进展。东南大学的王莎、牟建茂和向文国等学者在常压固定床上进行了天然焦富氢气化试验研究，考察了反应温度、Ca/C摩尔比以及水蒸气流量对气化特性的影响。试验结果表明，反应温度及水蒸气流量一定时，Ca/C摩尔比为1.0时气化效果最好。当反应温度为750℃，Ca/C摩尔比为1.0，天然焦加入总量1.5g，水蒸气流量4.8L/min时，产气中H?、CO?、CO及CH?产量体积分数分别为64.2%、28.3%、5.5%和1.9%，碳转化率达36.7%，并与同一产地的烟煤富氢气化进行了对比实验。中国科学院工程热物理研究所提出了“直接制氢，矿石固化二氧化碳”的研究思路，从热力学角度分析含碳能源直接制氢的可行性，并建造了含碳能源直