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《煤层气催化裂解制氢》共分为6章，涵盖煤层气、氢气和废弃物资源的开发与利用现状，温和超临界热溶与碱式炭化耦合工艺的开发及应用，煤中所含矿物质对炭材料合成与催化裂解煤层气制氢的影响，煤/废弃物基炭材料制备过程优化及其催化裂解煤层气机理研究等内容。《煤层气催化裂解制氢》可供煤化工、环境工程、能源工程等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校相关专业师生参阅。　

第1章　煤层气资源开发及利用现状    1

1.1　煤层气资源开发现状    1

1.1.1　煤层气资源的潜力和分布    1

1.1.2　煤层气开发的地质条件    3

1.1.3　煤层气抽采现状和经济特征    7

1.2　煤层气资源利用现状    10

1.2.1　煤层气浓缩技术    10

1.2.2　煤层气利用和开发效益    16

参考文献    19

第2章　氢气和废弃物的利用现状    24

2.1　氢气的利用现状    24

2.1.1　氢气的发现及意义    24

2.1.2　氢气的储存、运输和应用    32

2.2　废弃烟头和生物质的利用现状    41

2.2.1　废弃烟头的利用现状    41

2.2.2　生物质基炭材料的形成规律与利用现状    42

参考文献    46

第3章　温和超临界热溶与碱式炭化耦合工艺及其对裂解煤层气的影响    53

3.1　热溶碱式炭化以及煤层气裂解制氢方法    56

3.1.1　热溶方法    56

3.1.2　炭化和煤层气催化裂解工艺    56

3.1.3　测试方法    57

3.2　温和超临界热溶与碱式炭化耦合工艺研究    58

3.2.1　热溶和炭化参数对大同煤温和超临界热溶的影响    58

3.2.2　温和超临界热溶对炭化材料的影响    59

3.2.3　大同煤与KOH的反应机理    63

3.3　热溶处理对不同活化温度炭材料及其裂解煤层气的影响    65

3.3.1　热溶处理对不同活化温度炭材料结构和表面性质的影响    65

3.3.2　热溶处理对不同活化温度炭材料催化裂解煤层气制氢的影响    71

参考文献    74

第4章　矿物质对煤基炭材料及其催化裂解煤层气制氢的影响    78

4.1　添加Ca(OH)2对所制炭材料结构及其催化裂解煤层气的影响    80

4.1.1　添加Ca(OH)2对所制炭材料结构的影响    80

4.1.2　炭材料催化裂解煤层气性能研究    82

4.2　添加Mg(NO3)2对所制炭材料结构及其催化裂解煤层气的影响    86

4.2.1　添加Mg(NO3)2对所制炭材料结构的影响    86

4.2.2　炭材料催化裂解煤层气性能研究    88

参考文献    92

第5章　煤/生物质基炭材料制备优化及其催化裂解煤层气性能研究    97

5.1　基于Design-expert软件的制备优化    98

5.1.1　Design-expert软件分析    98

5.1.2　实验优化与解分析    107

5.2　煤/生物质基炭材料制备及其催化裂解煤层气性能研究    113

5.2.1　添加生物质对炭材料性质的影响    113

5.2.2　煤/生物质基炭材料催化裂解煤层气性能研究    115

参考文献    119

第6章　煤/烟头基炭材料制备优化及其催化裂解煤层气性能研究    122

6.1　基于Design-expert软件的煤/醋酸纤维基炭材料制备优化    123

6.1.1　Design-expert软件分析    123

6.1.2　实验优化与解分析    128

6.2　煤/烟头基炭材料制备及其催化裂解煤层气制氢性能研究    133

6.2.1　添加烟头对炭材料性质的影响    133

6.2.2　煤/烟头基炭材料催化裂解煤层气性能研究    139

参考文献    143

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《煤层气催化裂解制氢》论述了煤层气、氢气和废弃物资源的开发与利用现状，新型温和超临界热溶与碱式炭化耦合工艺的开发及应用，煤中所含矿物质对炭材料合成与催化裂解煤层气制氢的影响，煤/废弃物基炭材料制备过程优化及其催化裂解煤层气机理研究等内容。

前言

煤层气又称瓦斯气，其主要组成是甲烷，它是煤矿生产安全的隐患，不仅能导致煤矿生产人员的窒息，也能引发煤与瓦斯突出以及瓦斯、煤粉尘爆炸。另外，它还是大气的主要污染源之一，其污染程度是二氧化碳的20倍以上。因而，对化石能源——煤层气的进一步开发和利用，有利于改善我国能源结构，缓解能源供求矛盾，从而降低石油的进口依赖度。同时也可减少煤矿瓦斯灾害、降低温室效应、改善环境以及促进我国社会和经济的可持续发展，以上这些都将具有重大的现实意义和战略意义。

近几年来，煤层气主要成分——甲烷催化裂解制氢已成为研究热点。它在裂解过程需要的热量比甲烷水蒸气重整制氢低，且整个过程没有二氧化碳或一氧化碳的释放，终产物只有氢气和炭材料，近似于零排放，符合清洁生产的要求，所以该技术路线引起了许多研究者的重视。该催化裂解过程核心的影响因素是催化剂的选择，因此开发不同种类催化剂来减小反应活化能和缩短反应时间就成为该工艺能否工业化的关键控制因素。

本书是山西大同大学以罗化峰副教授为首的课题组近年来研究成果的汇编。在早期研究煤层气催化裂解制氢催化剂的过程中，发现煤基催化剂具有好的稳定性。为了阐明该催化剂在煤层气裂解制氢中的作用机理，本书以低阶煤和绿色可持续物质为研究对象，提出了超临界热溶与碱式炭化耦合工艺，应用软件对工艺参数进行优化，开发出不同种类和功能的煤基炭材料催化剂，并深入探讨了煤基炭材料催化裂解煤层气的作用机理，形成了一套煤基炭材料的构筑理论，补充和完善了煤层气催化裂解制氢理论体系。煤基炭材料的构筑研究不仅可以为煤层气直接裂解制氢工艺提供催化剂制备和反应温度选择的理论依据，而且对进一步优化催化剂选择以及裂解产物控制等技术均具有重要的参考价值。

本书的研究工作得到了山西省“1331工程”提质增效建设计划项目、山西省应用基础研究资助项目（201801D121038）、山西省高校科技创新项目（201802094，2021L397）、大同市基础研究计划资助项目（2017132）、国家留学基金委公派出国项目等的大力支持。本书的研究工作是由罗化峰副教授和李通达、乔元栋、宁掌玄、薄春丽老师共同完成的，硕士研究生王付权、崔凯，本科生郭雄宇、王煜、段晋阳、王森、关铁钢、柴彪等也做了大量工作，所取得的成果是本研究集体共同努力的结晶。本书由罗化峰编著，并由王付权校核第5章、崔凯校核第6章。

感谢山西省科技厅、山西省教育厅、大同市科技局等在资金方面的资助，感谢山西大同大学各级领导的大力支持，感谢历届研究生和本科生的辛勤工作。

限于编著者时间和水平，本书不足之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。

编著者   

2022年7月

书籍介绍

《煤层气催化裂解制氢》共分为6章，涵盖煤层气、氢气和废弃物资源的开发与利用现状，温和超临界热溶与碱式炭化耦合工艺的开发及应用，煤中所含矿物质对炭材料合成与催化裂解煤层气制氢的影响，煤/废弃物基炭材料制备过程优化及其催化裂解煤层气机理研究等内容。 《煤层气催化裂解制氢》可供煤化工、环境工程、能源工程等领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校相关专业师生参阅。