“碳中和技术”专刊_中国煤炭行业知识服务平台

“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，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: 碳中和
类别; 110个
关键词; 124位
专家; 27篇
论文; 27282IP
点击量; 17399次
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加压循环流化床富氧燃烧中试研究

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。

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2021年第02期

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富氧燃烧颗粒物生成和灰沉积特性研究进展

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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煤化学链燃烧载氧体研究进展

作者(Author)：白歆慰, 刘金昌, 白磊

摘要：煤的化学链燃烧是清洁煤燃烧的重要技术之一。化学链中载氧体的使用可以避免煤和空气的直接接触，从而避免氮氧化物等污染物的产生并且提高能量转化效率。一般来说，煤的化学链燃烧有两种反应途径：煤气化化学链燃烧和氧解耦化学链燃烧；不同的反应途径将极大影响载氧体组分以及结构的设计。本文详细论述了近年(2015-2020)来煤化学链燃烧中固态金属载氧体的研究进展，包括铁基，锰基，铜基以及其他复合金属载氧体。铁基载氧体被广泛应用于气化化学链燃烧中，适量添加碱金属或碱土金属可以提升载氧体的反应活性。锰基载氧体在化学链燃烧中具有两面性：一方面可以在高温缺氧气氛中释放气态氧，另一方面也可以和还原性气体发生气-固反应。通过使用惰性载体以及碱金属添加剂可以提高锰基载氧体的机械强度和氧解耦能力。新型双金属或多金属载氧体也可以显著提高载氧体的反应活性。文中总结了不同金属载氧体的优缺点，反应路径、气-固和固-固反应机理、金属与载体的相互作用以及载氧体失活原理，并基于载氧体的研究现状对未来的发展方向提出了建议。

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基于二氧化碳驱油技术的碳封存潜力评估研究进展

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。

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纳米颗粒及分散剂对TETA溶液吸收CO2的影响

作者(Author)：赵子淇, 张忠孝, 江砚池, 贾萌川, 穆艾伟

摘要：为探究纳米颗粒对TETA溶液吸收CO2的影响及分散剂对纳米流体吸收CO2的促进效果，采用两步法配制了不同纳米颗粒种类及粒径、不同震荡时间、不同TETA浓度、不同纳米颗粒固含量和不同分散剂固含量及种类的纳米流体，搭建TETA溶液鼓泡吸收CO2试验台，分别测试了不同工况下制备的纳米流体对CO2的吸收情况，并与空白TETA溶液进行对比。结果表明，纳米流体的脱除率增强系数随着纳米颗粒质量分数的增加而先提升后降低，粒径较大的纳米颗粒具有较好的传质性能，大尺寸可以减少相对表面积和能量，使得纳米颗粒的表面和量子尺度效应减弱；CO2吸收速率在初始阶段随着超声破碎时间的增加而提升，但超声破碎时间超过1 h，吸收速率减缓；TETA浓度及纳米颗粒固含量影响试验中，随着浓度及固含量上升，脱除率增强系数均呈现先升高后降低的趋势，存在最佳值。综上，在浓度1 mol/L的TETA中添加固含量0.1%、粒径60 nm的TiO2经超声震荡1 h后对CO2的吸收效果最好，脱除率增强系数最高可达1.9。以TiO2-TETA-H2O纳米流体为基液在其中添加C-Na、SDBS、X-100等分散剂时，由于TiO2颗粒表面带正电荷，分散剂类型对TiO2-TETA-H2O纳米流体稳定性的影响大致呈现以下趋势：阴离子型>非离子型>阳离子型，且以双电子层理论为依据，添加阴离子型分散剂C-Na的质量分数为0.1%时对阳离子型纳米流体TiO2-TETA-H2O的稳定效果最好。

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NiFeAlO4载氧体制备及煤化学链燃烧反应特性

作者(Author)：王九占, 魏泽华, 荆洁颖, 李文英

摘要：采用共沉淀法和溶胶凝胶法制备了具有尖晶石结构的NiFeAlO4载氧体，考察了制备方法、载氧体与煤质量比对NiFeAlO4载氧体化学链燃烧特性和循环稳定性的影响，并分析了载氧体对煤转化过程的作用。结果表明，溶胶凝胶法制备的NiFeAlO4载氧体具有更好的反应性，当载氧体与煤质量比为20:1时，碳转化率为86.7%，远高于煤单独热解时的碳转化率（34%），此时CO2浓度为93.6%。对反应前后NiFeAlO4载氧体晶相结构和形貌的分析表明，循环过程中经过“还原-氧化”后生成的NiO和载氧体颗粒团聚是导致载氧体活性下降的主要原因。相较于载热作用，NiFeAlO4载氧体在煤化学链燃烧中主要起供氧作用，它不仅会促进挥发分向煤气的转化，而且NiFeAlO4载氧体与焦炭之间也存在固固反应，利于更多CO2气体的生成。

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燃煤电站与光伏余热辅助胺法脱碳系统集成

作者(Author)：邢晨健, 王瑞林, 赵传文

摘要：为应对全球变暖问题，对现有的燃煤电站进行碳捕集改造以及大力发展清洁能源是势在必行的举措。化学吸收法在碳捕集技术中发展最为成熟，但其再生能耗极高严重影响了燃煤电站自身的发电效率，因此有学者提出通过清洁能源辅助碳捕集的利用方式，其中光热辅助碳捕集是应用最为广泛的，但该利用方式未发挥单一光热的利用潜力。通过利用聚光光伏发电过程中产生的大量低品位废热辅助碳捕集可以提高光伏系统效率同时对低品位废热进行了有效利用。基于此本研究构思了聚光光伏-光伏余热直接辅助碳捕集的新系统，建立了聚光砷化镓-余热辅助胺法脱碳的能量转化模型，验证了聚光光伏余热在质和量上都具有直接辅助胺法脱碳的潜力，依据热耗灵敏度分析优化了胺法脱碳系统关键参数，其最低热耗可达3.7GJ/ton CO2，分析了电池工作温度及辐照强度对系统碳捕集性能以及光电效率的影响规律，确定了电池最优工作温度为140℃。将新系统集成于典型600MW燃煤电站，并与参比系统比较可得：相较于单一燃煤碳捕集，电站发电效率提升6.01个百分点，同时增加光伏发电185.2MW；相较于单一光伏发电，光伏发电量降低15.79MW，但占接收太阳能70%的余热得到了有效利用，其可实现461.75t/h CO2捕集。新系统在典型日的光伏日均发电为61.8MW，日均碳捕集量为155.6t/h，为实现年碳捕集保证率达80%以上，需要约4km2以上的聚光面积。新系统通过利用光伏余热代替了原本的从电站低压缸抽汽，消除了碳捕集对电站的能源惩罚，同时将高品位的太阳能转化为了电，并对低品位的光伏余热进行了对口利用。系统最终实现了太阳能的高效利用以及化石能源的并行清洁利用。

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现实可行且成本可负担的中国电力低碳转型路径

作者(Author)：李政, 陈思源, 董文娟, 刘培, 麻林巍, 何建坤

摘要：电力行业的脱碳对于实现《巴黎协定》的减排目标至关重要，但同时也面临着巨大的困难和挑战，具有很强的复杂性和不确定性。为了给出现实可行且成本可负担的电力低碳转型路径，建立了具有足够时空分辨率和技术准确度的“自下而上”能源系统模型来模拟与优化中国电力行业的未来发展路径。通过设置三种典型情景（基准情景、2℃情景和1.5℃情景），分析电力脱碳技术路径以及相应的实施方案。结果表明，若按照当前的电力发展趋势，将不能实现《巴黎协定》规定的2℃/1.5℃目标，必须在当前基础上加大可再生能源扩张、加快燃煤电厂退出以及大规模部署碳捕集技术。未来30年，风电和光伏发电需要逐渐转变为主力电源，年均装机增速达到当前水平的2-4倍。燃煤机组的容量需要逐渐减少，部分机组甚至要提前退役，这将导致燃煤机组的平均寿命降低0.42-1.93年，对应1050-6550亿元的搁浅成本。碳捕集技术需要大规模应用，尤其是煤炭生物质掺烧再加碳捕集装置的技术，到2050年，电力行业的二氧化碳年捕集量达到8.9-10.8亿吨。为了保障上述转型路径的实现，需要处理好电网安全稳定运行、煤电有序退出、碳捕集技术的部署以及转型投资成本的问题。通过加大储能等先进技术研发力度、建立存量煤电有序退出机制、加快碳捕集相关技术的研发与应用示范以及建立和完善绿色投融资机制等措施，可以有效地解决这些问题。应对气候变化是全人类共同的责任，应当从现在起就超前部署相关措施和政策，以实现2℃/1.5℃目标下的中国电力低碳转型。

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