2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——天然氣甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.氫氣通常具有______、______和______等物理性質(zhì)，使其在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面面臨挑戰(zhàn)。2.甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)主要利用天然氣的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，如______和______等。3.影響儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氫能力的關(guān)鍵因素包括儲(chǔ)氣庫(kù)的______、儲(chǔ)層的______、注入和回收過(guò)程中的______等。4.常用于吸附甲烷或氫氣的固體材料包括______、______和某些金屬有機(jī)框架材料（MOFs）。5.為了確保儲(chǔ)氫過(guò)程的安全，必須嚴(yán)格控制甲烷的______，防止泄漏到環(huán)境中造成______效應(yīng)，并確保與現(xiàn)有天然氣的混輸安全。6.目前，天然氣甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括儲(chǔ)氫密度不高、甲烷與氫氣______、長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性以及______等問(wèn)題。7.儲(chǔ)氫材料的吸附性能通常用______、______和______等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。8.將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存，除了直接儲(chǔ)氫外，還可以考慮______或______等路徑。二、名詞解釋1.物理吸附2.儲(chǔ)氣庫(kù)容量因子3.甲烷泄漏4.溫室效應(yīng)5.儲(chǔ)氫效率三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述利用枯竭油氣藏作為儲(chǔ)氫庫(kù)的基本原理和主要優(yōu)勢(shì)。2.與其他儲(chǔ)氫技術(shù)（如液氫、固態(tài)儲(chǔ)氫）相比，天然氣甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？3.在天然氣甲烷儲(chǔ)氫過(guò)程中，如何定義并控制儲(chǔ)氣庫(kù)的注入氣濃度（甲烷/氫氣比）？4.簡(jiǎn)述影響儲(chǔ)氫材料吸附性能的主要因素。5.為了減少甲烷儲(chǔ)氫過(guò)程中的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，在材料選擇和儲(chǔ)氣庫(kù)管理方面可以采取哪些措施？四、計(jì)算題假設(shè)一個(gè)枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)的孔隙度為25%，飽和度為70%，儲(chǔ)層溫度為60°C，壓力為25MPa。該儲(chǔ)層主要儲(chǔ)存甲烷，其組分中甲烷含量為95%（摩爾分?jǐn)?shù)）?，F(xiàn)計(jì)劃利用該儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)氫，初步注入氫氣，使儲(chǔ)層壓力升至30MPa。假設(shè)注入過(guò)程達(dá)到平衡且無(wú)泄漏，忽略氣液相變，試估算該儲(chǔ)氣庫(kù)的理論儲(chǔ)氫容量（單位：m3H?/m3儲(chǔ)層體積）。(氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度約為0.09kg/m3)五、論述題1.深入論述天然氣甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)中，甲烷泄漏帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（溫室效應(yīng)）及其潛在的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響，并提出可能的緩解策略。2.闡述天然氣甲烷儲(chǔ)氫技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，包括在材料科學(xué)、工藝優(yōu)化、智能化管理和與其他能源系統(tǒng)耦合等方面可能的技術(shù)突破和挑戰(zhàn)。試卷答案一、填空題1.易燃易爆、低溫低壓、無(wú)色無(wú)味2.儲(chǔ)氣庫(kù)、管道3.容積、滲透率、壓力損失4.活性炭、分子篩、金屬有機(jī)框架材料（MOFs）5.濃度、溫室、混輸安全6.分離、長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性7.吸附量、吸附速率、選擇性8.甲烷裂解制氫再儲(chǔ)氫、利用其他含氫天然氣轉(zhuǎn)化二、名詞解釋1.物理吸附：物質(zhì)在固體表面由于分子間范德華力作用而發(fā)生的吸附現(xiàn)象，吸附過(guò)程通?？赡妫瑳](méi)有化學(xué)鍵生成。2.儲(chǔ)氣庫(kù)容量因子：指儲(chǔ)氣庫(kù)在特定壓力和溫度下，單位體積儲(chǔ)層所能儲(chǔ)存的天然氣（或氫氣）的摩爾數(shù)或體積。3.甲烷泄漏：在儲(chǔ)氫過(guò)程中，甲烷從儲(chǔ)氣庫(kù)、管道、設(shè)備或儲(chǔ)氫材料中逸散到周?chē)h(huán)境中的現(xiàn)象。4.溫室效應(yīng)：指地球大氣中的某些氣體（如甲烷、二氧化碳）吸收并重新輻射紅外線，導(dǎo)致地球表面溫度升高的現(xiàn)象。5.儲(chǔ)氫效率：指在一定條件下，儲(chǔ)存的氫氣質(zhì)量或體積與投入的總能量（或原料）的比值，或指儲(chǔ)氫材料實(shí)際吸附的氫氣量與其理論吸附量的比值。三、簡(jiǎn)答題1.原理：利用枯竭油氣藏天然的孔隙空間和滲透通道，通過(guò)注入氫氣（或甲烷與氫氣的混合氣）來(lái)替代原有天然氣，并在需要時(shí)回收氫氣。主要優(yōu)勢(shì)：利用現(xiàn)有成熟的基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)周期短，成本相對(duì)較低，地理位置固定，管理經(jīng)驗(yàn)豐富。2.優(yōu)勢(shì)：利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)需大規(guī)模新建投資；儲(chǔ)氣庫(kù)容量大，儲(chǔ)氫量可觀；技術(shù)相對(duì)成熟，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富；可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)存；與天然氣系統(tǒng)兼容性好，便于混輸。3.定義：注入氣濃度是指注入儲(chǔ)氣庫(kù)的氫氣與甲烷（或其他組分）的體積比或摩爾比?？刂品椒ǎ和ㄟ^(guò)精確的計(jì)量?jī)x表監(jiān)測(cè)注入氣組成；采用分離技術(shù)預(yù)處理天然氣以減少甲烷含量或?qū)錃馓峒儯粌?yōu)化注入策略，控制注入氣相態(tài)和混合均勻性。4.影響因素：材料的比表面積（提供更多吸附位點(diǎn)）；孔徑大小和分布（影響氣體分子進(jìn)入和擴(kuò)散）；孔道結(jié)構(gòu)（影響氣體吸附位點(diǎn)和擴(kuò)散路徑）；材料的化學(xué)組成和表面性質(zhì)（影響與氣體分子的相互作用力，如范德華力、化學(xué)鍵）；溫度和壓力（影響氣體分子的動(dòng)能和吸附熱力學(xué)）。5.措施：材料選擇方面，開(kāi)發(fā)具有高選擇性吸附甲烷而釋放氫氣的材料；采用多層復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少界面泄漏；對(duì)儲(chǔ)氫材料進(jìn)行表面改性提高穩(wěn)定性。儲(chǔ)氣庫(kù)管理方面，加強(qiáng)注入、回收和運(yùn)行過(guò)程中的泄漏檢測(cè)與監(jiān)測(cè)（如使用紅外光譜、氣體傳感器等）；優(yōu)化注采策略減少壓力波動(dòng)和流動(dòng)死角；建立完善的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理體系。四、計(jì)算題解：1.計(jì)算儲(chǔ)層孔隙體積：Vpore=Porosity×Volumereservoir=0.25×Vreservoir2.計(jì)算初始甲烷摩爾分?jǐn)?shù)：ymethane_initial=0.953.計(jì)算初始儲(chǔ)層中甲烷的摩爾數(shù)（假設(shè)理想氣體，P?=1atm,T?=273K）：nmethane_initial=ymethane_initial×(P?×Vreservoir)/(R×T?)4.假設(shè)注入氫氣后，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)變?yōu)閥methane_final，總摩爾數(shù)變?yōu)閚total_final。由于儲(chǔ)層體積和溫度變化不大，可以近似認(rèn)為摩爾數(shù)變化與壓力變化成正比：ntotal_final/nmethane_final≈Pfinal/Pmethane_initialntotal_final≈nmethane_final×(Pfinal/Pmethane_initial)5.儲(chǔ)氫容量即為注入氫氣的摩爾數(shù)：nhydrogen_injected=ntotal_final-nmethane_finalnhydrogen_injected≈nmethane_final×[(Pfinal/Pmethane_initial)-1]nhydrogen_injected≈ymethane_initial×(P?×Vreservoir)/(R×T?)×[(Pfinal/Pmethane_initial)-1]6.將壓力單位統(tǒng)一為atm（1MPa≈10atm）：Pmethane_initial≈0.95×(P?×Vreservoir)/(R×T?)≈0.95×(1×Vreservoir)/(R×273)Pfinal≈3×Pmethane_initial≈3×(0.95×Vreservoir)/(R×273)ntotal_final≈(3×0.95×Vreservoir)/(R×273)nhydrogen_injected≈(0.95×Vreservoir)/(R×273)×[(3×0.95-0.95)/0.95]=(0.95×Vreservoir)/(R×273)×27.轉(zhuǎn)換為氫氣體積（假設(shè)注入后氫氣處于最終壓力和溫度，仍近似理想氣體）：Vhydrogen_stored≈nhydrogen_injected×(R×Tfinal)/(Pfinal)Tfinal≈Tinitial=60°C=333KVhydrogen_stored≈[(0.95×Vreservoir)/(R×273)×2]×(R×333)/(3×0.95×(Vreservoir)/(R×273))Vhydrogen_stored≈(2×333)/3=222KVhydrogen_stored≈222/273≈0.813m3H?/m3儲(chǔ)層體積(按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)密度換算近似值)*注：此計(jì)算為理論估算，實(shí)際儲(chǔ)氫容量會(huì)受到儲(chǔ)層非理想性、氣液平衡、材料吸附等影響。*五、論述題1.環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與影響：甲烷是強(qiáng)效溫室氣體，其單位質(zhì)量的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)高于二氧化碳（約25-30倍），且在大氣中的壽命相對(duì)較短（幾年到幾十年）。天然氣甲烷儲(chǔ)氫過(guò)程中，在建設(shè)、注入、儲(chǔ)存、回收和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)都存在甲烷泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。泄漏的甲烷直接排放到大氣中，會(huì)顯著加劇全球變暖，導(dǎo)致氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定，引發(fā)極端天氣事件、海平面上升等環(huán)境問(wèn)題。此外，甲烷泄漏還可能對(duì)局部空氣質(zhì)量造成影響。潛在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響包括：增加的碳排放成本（若計(jì)入碳稅）；對(duì)氣候變化的潛在反饋（如融化甲烷hydrate的釋放）；可能引發(fā)的社會(huì)公眾對(duì)能源安全的擔(dān)憂；對(duì)現(xiàn)有天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的潛在沖擊。緩解策略：加強(qiáng)泄漏檢測(cè)與修復(fù)（MITigation）技術(shù)研究和應(yīng)用，如使用無(wú)人機(jī)、紅外成像、氣體傳感器網(wǎng)絡(luò)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采用先進(jìn)的密封技術(shù)和材料，減少設(shè)備與管道的泄漏；優(yōu)化儲(chǔ)氣庫(kù)操作和注采策略，降低運(yùn)行壓力波動(dòng)和泄漏風(fēng)險(xiǎn)；開(kāi)發(fā)高效分離和回收泄漏甲烷的技術(shù)；建立完善的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體系，強(qiáng)制要求進(jìn)行泄漏檢測(cè)和報(bào)告；加強(qiáng)公眾科普，提高對(duì)甲烷泄漏風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)。2.未來(lái)發(fā)展方向與挑戰(zhàn)：材料科學(xué)：開(kāi)發(fā)具有更高吸附容量、選擇性、穩(wěn)定性和易回收性的儲(chǔ)氫材料，如新型金屬有機(jī)框架（MOFs）、共價(jià)有機(jī)框架（COFs）、多孔聚合物、碳基材料（活性炭、碳納米管、石墨烯）等，并降低其制備成本。工藝優(yōu)化：提高儲(chǔ)氣庫(kù)的注入/回收效率，降低能耗；研究高效的甲烷分離和氫氣提純技術(shù)，減少甲烷泄漏；探索混合氣體儲(chǔ)氫或變溫/變壓吸附/解吸等先進(jìn)儲(chǔ)氫工藝。智能化管理：利用大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)的