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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“碳中和技术”专刊

来源:《洁净煤技术》2021年第2期

减少碳排放、实现碳中和,是应对气候变化、实现人类可持续发展的重要举措。2020年9月,习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。2020年11月22日,习近平主席在二十国集团领导人利雅得峰会“守护地球”主题边会上发表致辞,再次指出加大应对气候变化力度,实现碳减排承诺。

通过人为努力对自然碳循环进行干预有助于实现碳中和,碳中和技术已成为国内外学术界和工业界的研发热点。经过过去几十年的努力,部分碳中和技术(如MEA、富氧燃烧、地质封存等)已到了商业化前期,部分碳中和技术(如化学链燃烧、空气捕捉、二氧化碳转化利用等)已在中试阶段,而围绕降低风险、提高效率、降低成本等所做的许多基础性研究还在广泛开展。

为进一步加快碳中和技术产业发展,推动碳中和技术成果转化,《洁净煤技术》编辑部特邀东南大学段伦博教授担任特约主编,主持出版了2021年“碳中和技术”专刊。本专刊收录了来自清华大学、浙江大学、中国科学院、美国西弗吉尼亚大学、英国克兰菲尔德大学等国内外17家单位的26篇文章(更新中),包括11篇综述性论文和15篇原创研究,对碳中和前沿关键技术进行报道,希望与读者共同研讨碳中和技术的最新进展及未来方向,通过技术创新和迭代推进碳中和技术的健康发展。

行业视野

环境保护

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  • 作者(Author): 张杰, 郭伟, 张博, 张榕江, 杨伯伦, 吴志强

    摘要:减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一,碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO2进行处置捕集,而对占CO2总排放近50%的分布源CO2关注度不高。直接空气捕集(Direct air capture, DAC)技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理,还可有效降低大气中CO2浓度。笔者介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势,综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置,分析了DAC吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果,对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析,指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能,研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置,开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。
  • 作者(Author): 成鹏飞, 李鹏飞, 胡帆, 刘璐, 王飞飞, 张健鹏, 米建春, 柳朝晖, 郑楚光

    摘要:无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO2的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富的优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,本文对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的实验和数学定义;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,并总结了煤粉无焰富氧燃烧的模拟研究情况;最后展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。
  • 作者(Author): 叶 航, 刘琦, 彭勃

    摘要:CO2是人类生产生活活动排放的主要温室气体之一,被公认为是导致全球气候变化的主要原因。CCUS技术是一项能够实现CO2深度减排、缓解气候变化的重要途径。其中,CO2-EOR技术具有广阔的前景,油藏作为碳封存的理想场所,在实现CO2长期有效封存的同时,还能提高原油采收率,达到经济效益与社会效益共赢。确定目标油藏的碳封存潜力对于CO2-EOR技术的大规模实施具有重要意义。当前,CO2封存潜力评估方法较多,但往往只能针对特定油藏使用,缺乏标准的普适性方法。本文讨论了CO2驱油与封存机理,总结了国内外权威机构提出的CO2-EOR封存潜力评估公式,通过实例分析详细论证了方法的普适性,并对准确评价CO2-EOR过程中碳封存潜力的下一步工作做出了相应的展望。CO2驱油过程是通过引起原油体积膨胀、降低原油粘度、改善油水流度比、萃取轻质组分、混相效应等机理提高原油采收率;而CO2封存则主要是依靠地质构造封存、束缚空间封存、溶解封存和矿化封存四种机理,二者概念不尽相同。目前,比较权威且使用较多的CO2封存潜力评估方法主要有四种:US-DOE、CSLF、USGS和RIPED&CUP评价方法。其中,US-DOE和USGS方法是以体积平衡理论为基础的估算方法,依托封存效率,通过多种封存机理的组合来估算CO2封存量。CSLF方法以物质平衡理论为基础,估算结果与资源储备金字塔一致,但未考虑溶解封存机理。RIPED&CUP方法实则是CSLF方法的改进版,在其基础上考虑了CO2在地层流体中的溶解问题,使其计算公式更加贴合我国油藏实际条件,但在各阶段原油采收率的确定是个难题。因此为保证估算结果的准确性,应根据油藏的地质特征选用最适宜的评价方法。为更加精确地进行碳封存潜力评价,下一步工作应从明确油藏开发策略、考虑滞后效应、使用现场数据修正以及加强安全风险评估等方面开展。
  • 作者(Author): 白煜, 梁杰, 王利国, 曹妍, 贺鹏, 李会泉

    摘要:我国作为煤炭大国,燃烧化石燃料产生大量CO2。通过化学作用将CO2转化为能源燃料、基础化学品或高分子材料,有利于实现碳氧资源综合利用。本文从CO2直接利用和间接利用的角度出发,分别综述了CO2的资源化利用研究进展。直接利用方面,重点阐述了CO2直接加氢合成甲醇和乙醇;同时,CO2可作为羰基化剂合成有机碳酸酯和高分子材料,包括碳酸二乙酯、聚碳酸酯和CO2基可降解聚合物。在间接利用方面,重点阐述了CO2经过碳酸乙烯酯的酯交换反应合成碳酸二甲酯,以及碳酸乙烯酯加氢制备甲醇联产乙二醇的研究进展。CO2加氢直接合成甲醇催化剂主要包括铜基催化剂、贵金属催化剂,由于贵金属的成本高,因此Cu基催化剂研究较为广泛,甲酸盐是CO2加氢直接合成甲醇的重要中间体。CO2加氢直接合成乙醇,研究最广泛的催化剂为贵金属(Rh、Pd、Ru)基催化剂体系,还需进一步研究廉价、活性和稳定性高的催化剂。CO2与乙醇直接合成DEC研究较多的催化剂为铈基多相催化剂,但由于生成物中水分的影响,限制了DEC的选择性。环氧化物和CO2耦合反应生成DEC过程中不产生水,可以有效克服热力学的限制,因此高能化合物与CO2的耦合路线是高效制备DEC的有效途径。CO2与环氧化物共聚制备聚碳酸酯材料多采用稀土三元催化剂体系,环氧化物的转化率和聚碳酸酯选择性较高,目前已经实现工业应用。CO2通过碳酸乙烯酯与甲醇酯交换合成DMC,多使用碱性较强的催化剂和碱性基团的离子交换树脂。在CO2经碳酸乙烯酯加氢制备甲醇和乙二醇的反应中,铜基催化剂研究较多。CO2化学转化利用是CO2碳氧资源综合利用的重要途径,将有效支撑我国未来碳中和目标实现。
  • 作者(Author): 雷雨, 牛艳青, 王亨通, 温丽萍, 王光耀, 惠世恩

    摘要:为富氧燃烧技术的大范围推广必须对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行研究。本文在1800K管式炉内进行了煤焦燃烧实验,研究了富氧气氛下H2O(g)浓度(0,5%,10%,20%,30%)对煤焦燃烧超细颗粒物的影响。采用荷电低压撞击器(ELPI+)获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明H2O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布没有影响但会导致超细颗粒物的峰值出现波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下ELPI+第一级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%,而超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下ELPI+第七级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H2O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成,H2O(g)浓度为5%时抑制作用最为显著,而高H2O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H2O(g)与煤焦发生气化反应使得煤焦颗粒周围产生还原性气氛,促进矿物质还原为单质进一步促进矿物质蒸发,另一方面气化反应是吸热反应会降低煤焦颗粒燃烧温度,同时H2O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发导致超细颗粒物生成减少,两种作用相互竞争导致这种现象的出现。此外,H2O(g)的加入导致超细颗粒物平均粒径增大,0到5% H2O(g)浓度超细颗粒物平均粒径增大最为迅速。
  • 作者(Author): 程偲哲, 邹春, 姚青, 娄春, 王树森, 经慧祥, 梅媚

    摘要:生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又能很容易地实现CO2的捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气浓度大于21%,因而氧气浓度对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的三种主要组分,研究其富氧条件下的着火及燃烧行为能为生物质的着火及燃烧行为的研究提供重要依据。本文利用滴管炉结合高速摄像机,研究了74-154μm粒径的纤维素、半纤维素和木质素在温度为1273 K,氧气浓度为21%、30%、50%、70%和100%的O2/CO2气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着氧气浓度的增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火机理都转为非均相着火机理,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的氧气浓度分别为30%、70%和50%。纤维素着火对氧气浓度变化敏感,当氧气浓度超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气浓度升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气浓度的增加其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素则是因为氧气浓度的升高强化了木质素焦的燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间都随氧气浓度的升高而缩短,两者都是由于氧气浓度的升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气浓度下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。
  • 作者(Author): 孔润娟, 李伟, 任强强, 刘志成

    摘要:二氧化碳捕集和封存技术(CCUS)是减少温室气体排放,实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。目前对于加压富氧燃烧研究大多处于理论建模、机理研究和小试试验阶段。中国科学院工程热物理研究所在MW级加压循环流化床富氧燃烧中试试验平台上进行了中试研究,顺利实现了加压富氧燃烧的稳定运行,工况运行中压力为0.30 MPa,功率为0.84 MW,尾部烟气中CO2浓度达到91%。此外,通过试验获得了中试尺度加压富氧燃烧运行模式,主要流程为:启动阶段-常压O2/N2燃烧阶段-常压富氧燃烧-加压富氧燃烧阶段,各个阶段切换平稳。
  • 作者(Author): 王越明, 刘慧敏, 仇兴雷, 段伦博

    摘要:富氧燃烧技术是最有前景的燃煤电厂碳减排技术之一,本文对富氧燃烧中的颗粒物生成和灰沉积现象进行了系统的综述,介绍了氧气浓度、压力及燃料特性对颗粒物生成和灰沉积特性的影响机理。富氧燃烧中生成的颗粒物主要可分为亚微米和微米颗粒,其中亚微米颗粒主要由灰分经气化、冷凝和凝聚过程形成,微米颗粒则主要伴随焦炭破碎过程形成。氧气浓度升高导致火焰温度升高,一方面更多的灰分在高温下气化从而促进了亚微米颗粒的生成,另一方面高温加剧了碱金属蒸气和硅铝酸盐粗颗粒的交互反应导致亚微米颗粒中碱金属含量降低。而压力的上升则可能会抑制亚微米颗粒的生成。但是氧气浓度和压力对微米颗粒的产率和成分影响均不显著。积灰主要通过惯性碰撞、热泳力、冷凝和化学反应形成。富氧燃烧中氧气浓度上升会促进积灰的生成,一方面因为烟气温度升高,颗粒物粘度降低而在碰撞到壁面后更易粘结形成积灰;另一方面因为亚微米颗粒增多,更多细颗粒可以通过热泳力迁移到换热器表面形成积灰。虽然氧气浓度对外层积灰的成分并没有明显影响,但是紧贴壁面的内层积灰由于含有较多亚微米颗粒,其成分变化与亚微米颗粒趋势相似。压力升高时,积灰中的硫含量增高而氯含量降低,但是对积灰生成速率的影响暂不明确。

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