“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; 27312IP
点击量; 17434次
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碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集应用研究进展

作者(Author)：于洋, 刘琦, 吕静, 罗聃, 彭勃

摘要：化石燃料的使用是全球气候变暖的主要原因，二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技术能够有效减少碳排放，缓解气候变化压力。化学吸收法是CO2 捕集的重要方法之一，具有分离效率高、成本低的优点，但其存在解吸过程中消耗能量较多、长期使用造成设备腐蚀性等问题。利用碳酸酐酶（CA）强化化学方法吸收CO2，可以提高CO2 的吸收效率且有效解决传统工艺中的热能损失，已逐渐成为CO2 捕集与封存研究中的热点。但CA 自身热稳定性低、可重复性差，需对其进行固定化以提高稳定性和活性。笔者重点介绍了CA 的固定化方法及常用载体材料，总结了CA 在强化CO2 捕集中的作用机理，讨论了其在CO2 捕集中的应用，并对该技术的发展作出展望。固定化载体与方法会影响固定化酶的性质，故CA 在固定化时要选择合适的载体与方法。CA 固定化方法包括吸附法、包埋法、共价结合法和交联法四种，各有优劣，应根据酶所应用的领域来选择合适的固定化方法。常用固定化载体有天然高分子、无机载体材料等，选择时应综合考虑载体的理化性质和工业应用能力。在CO2 捕集过程中，CA 主要通过促进化学溶剂吸收CO2 和诱导CO2 矿化生成碳酸钙两个方面强化捕集效率。未来研究方向应集中于：开发具有更高活性和稳定性的新型CA、制备廉价高性能载体材料和进一步探究CA 的内在因素和外界条件对其工业应用产生的阻碍。

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2021年第02期

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应用不同机器学习算法预测化学链中氧载体性能

作者(Author)：阎永亮, 查健锐, 段伦博, Peter T. Clough

摘要：低成本和高性能的氧载体材料筛选是化学链技术未来商业应用的关键。超过1000 种材料被作为氧载体在化学链条件下进行测试。其中，矿石和工业副产品作为氧载体最近引起了极大的兴趣，因为它们成本低、供应方便，特别是与固体燃料具有充分的反应性。然而，这些材料具有高度可变的成分，这强烈地影响了它们在化学链中的性能。采用实验方法逐个测试成本巨大。本文运用新兴的机器学习算法，以天然锰矿为对象，将已有的实验数据作为训练集，去预测含锰矿物在化学链反应中的性能，并对比支持向量机和人工神经网络两种算法在预测过程中的表现。其结果显示这两种算法对训练集内的数据均有较好准确性，但在对新输入值预测的准确性、鲁棒性方面存在差异。支持向量机可以避免神经网络在小样本训练集下，存在的过度拟合现象。另外，灵敏度分析表明氧载体锰含量变化对反应特性的影响较大，而比表面积的影响较小。本文的工作可为氧载体材料的选择、设计和优化提供参考。

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2021年第02期

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氧分级对药渣O2/CO2燃烧NOx生成规律与反应机理的影响

作者(Author)：孙浩家, 佟海川, 王长安, 王超伟, 唐冠韬, 车得福

摘要：在我国目前的能源结构中，化石能源尤其是煤炭资源所占比例很高，造成了极大的环境压力。抗生素发酵药渣为近些年来产量迅速升高的固体废弃物，也是一种生物质燃料资源，但是目前对药渣的能源化利用研究较少。本文以CH4 等气体来模拟药渣可燃成分，利用Chemkin 模拟软件中的PFR 反应器构建了药渣在O2/CO2 气氛下氧气分级燃烧及非分级燃烧模型，对两种情况下NOx 生成特性进行了模拟研究，探求了氧气分级及非分级燃烧时各种因素的影响，并利用生成速率分析法和敏感性分析法对结果进行了反应机理分析。研究结果表明，在氧气非分级条件下，NOx 转化率随燃烧温度升高先升高后降低，在1 500 ℃左右达到峰值；NOx 转化率随过量氧气系数增加而升高，在过量氧气系数由0.9 增至1.1 时，增幅显著。在氧气分级条件下，主燃区燃烧温度对NOx 转化率的影响较为复杂；NOx 转化率随燃尽风率增加先降低后升高，随燃尽风位置推后降低。氧气分级条件下，还原气氛促进了NOx 中N 向其他组分转化，能够明显降低NOx 生成。当燃烧温度低于1 500 ℃，燃尽风率为0.35 左右时，NOx 转化率最低。本文首次对药渣在O2/CO2气氛下的燃烧进行了反应动力学模拟研究，探求了各种因素的影响，为实现药渣能源化利用提供了一定的指导。

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2021年第02期

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不同钙基吸附剂捕集CO2后的硫酸化反应特性研究

作者(Author)：孙锋, 申成, 罗聪, 罗童

摘要：钙基吸附剂在进行了多次CO2 捕集之后，碳酸化效率会大幅衰减，此时的吸附剂能否高效地进行脱硫利用是值得重点关注的问题。为了深入研究这个问题，本文筛选了高性能合成钙基吸附剂和天然石灰石吸附剂，通过热重分析仪分析对比了它们在多循环CO2 捕集之后的碳酸化和硫酸化反应性能，采用微粒模型研究了它们的硫酸化反应动力学特征。结果发现，高性能合成钙基吸附剂在多循环后的CO2 吸附能力比石灰石高10 倍以上，而它们的SO2 吸附能力只相差约40%。在经历多次CO2 捕集反应循环之后，两种吸附剂的硫酸化能力均有提升：其中，石灰石吸附剂的提升幅度更大，硫酸化转化率从26%提升到35%，高性能合成钙基吸附剂的硫酸化转化率从38%提升到43%。通过微粒模型计算发现，两种吸附剂的硫酸化反应均是与SO2 浓度相关的一级反应，多循环捕集CO2 反应后，石灰石吸附剂的硫酸化反应活化能下降接近30%，而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化反应活化能只下降了5%。研究结果说明，两种不同钙基吸附剂在进行循环CO2 捕集之后，其脱硫能力得到了不同程度的提高。

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富氧燃烧烟气净化工艺研究进展

作者(Author)：刘敦禹, 蔡雨阳, 金晶, 许开龙

摘要：随着工业的快速发展，化石燃料的消耗与日俱增，造成了大量温室气体CO2 的排放，全球气候变化形势不容乐观。为了减少CO2 的排放，需要对高浓度的CO2 进行捕获、利用与封存，而富氧燃烧技术能有效地实现碳捕集，是目前最具有潜力的碳减排技术之一。富氧燃烧过程中，SOx、NOx、Hg 等污染物以及惰性气体的存在不利于碳的捕集与封存。由于烟气中的各成分浓度会对管道运输、地质储存和提高采收率(EOR)产生影响，文中首先介绍了烟气中CO2 及各种杂质浓度的不同标准，然后系统综述了国内外脱硫、脱硝、脱汞和惰性气体脱除以及联合脱除技术的研究进展。SOx 脱除技术分为干法脱硫技术、湿法脱硫技术以及半干法脱硫技术，其中石灰石/石膏湿法脱硫技术是目前应用最广泛也最成熟的烟气脱硫技术，并描述了富氧燃烧烟气中CO2 气氛对SOx 脱除的影响。NOx 脱除技术除了传统的选择性催化还原技术(SCR)、选择性非催化还原技术(SNCR)外，重点描述了氧化吸收法脱硝技术以及加压条件下NO 的氧化机理。总结了Hg 脱除技术中不同烟气成分对Hg 氧化的影响，论述了活性炭以及活性炭改性后对Hg 脱除的影响。介绍了惰性气体的净化技术，主要采用变压吸附方法来吸附和解吸附，降低了CO2 气流中惰性气体去除的成本。重点讨论了在烟气压缩液化系统中的联合脱除技术，有效地利用压缩过程条件将SOx、NOx、Hg 分别以硫酸、硝酸、Hg(NO3)2 形式协同去除，提出了高压下NO2 与Hg 反应产物的不确定性，简单介绍了低温碳捕集技术的研究进展。最后对未来研究方向进行展望。

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化学链合成氨技术研究进展及展望

作者(Author)：吴烨, 冯鸣谦, 方婧, 刘冬, 张睿, 应遥瑶, 徐磊

摘要：氨气不仅是重要的化工原料和良好的氢载体，它可以作为无碳燃料的属性也引起了越来越多科研工作者的关注。低能耗高效率的合成氨工艺是实现氨能够作为燃料应用的关键。笔者阐述了合成氨工艺的发展历程，概述了以Haber-Bosch 工艺为基础的多相催化和光、电等外场力驱动的合成氨工艺的新发展，重点介绍了化学链合成氨的最新研究成果，并对其研究方向进行展望。传统Haber-Bosch 工艺苛刻的反应条件以及热力学和动力学之间的矛盾，促使科研工作者一直努力探索可持续的环境友好型合成氨技术。随着催化科学和表面科学的进步，人们对合成氨的反应机理和催化剂的物化性质有了更深入的认识，这为开发“绿色”合成氨工艺提供了有价值的参考信息，如要提高过渡金属催化合成氨性能，须尽量规避表面物种吸附能间的线性关系。另外，以可再生能源为能量来源的光、电催化合成氨，借助外场作用可以有效地影响反应速率和机理。化学链技术的发展为合成氨工艺提供了新思路，将合成氨过程解耦为吸氮和释氮产氨两个或多个分步反应，可较好地缓解合成氨热力学和动力学矛盾，规避反应物竞争吸附。同时，各分步反应可分别优化，使整个化学链合成氨工艺达到最佳反应效果。未来采用太阳能聚热供能以及以生物质炭为碳源，并对化学链合成氨工艺进行经济性分析反馈指导工艺流程的优化，可降低碳基化学链制氨工艺的成本和能耗。

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富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

作者(Author)：吴晓峰, 范卫东

摘要：富氧燃烧过程中，由于使用再循环烟气代替空气中的N2 作为稀释剂，烟气中存在大量的CO2 和H2O。CO2 和H2O 作为非极性三原子分子，具有N2 所没有的辐射能力，导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中，气体辐射模型是一个重要的子模型。已有前人提出多种修改过后适用于富氧燃烧的气体辐射模型，但是不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下，气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响，通过编程，将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的六种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明：在气体富氧燃烧中，气体辐射模型影响了火焰结构。同时，燃烧温度分布有所变化，不同模型结果之间差别最高可到500K。气体与壁面之间的辐射换热也被大大影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大，而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中，当有效辐射层厚度在0.3m 左右时，比如在100kW 下行炉中，气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是因为颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16m 左右时，比如1000MW 塔式炉中，气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大，温度差别可到100K 左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。

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等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO2/NO联合脱除特性

作者(Author)：张春晓, 李英杰

摘要：在钙循环捕集CO2 技术背景下，研究了等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO2/NO 联合脱除特性。探究了烟气中O2 和CO2 对CaO/椰壳焦脱除SO2/NO 的影响。结果表明，O2 通过对椰壳焦表面碳原子的活化作用降低了异相还原NO 温度，在300~950 C 等速升温过程中CaO/椰壳焦的NO 脱除效率逐渐增加，780 -C 以上能实现100%脱硝。O2 也提高了CaO/椰壳焦的脱硫效率。CO2 与CaO 的碳酸化反应以及与椰壳焦的气化反应对同时脱除SO2/NO 有明显抑制作用。O2 和CO2 共同作用下，在500~800 C 范围内CaO/椰壳焦的脱硝效率随温度升高而增加，脱硫效率先降低后升高。NO 促进了CaO/椰壳焦脱除SO2，而SO2对脱硝有抑制作用。800 C 时CaO/椰壳焦同时脱除SO2 和NO 的效率分别为97.7%和93.9%。

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