“碳捕获、利用与封存”专题_中国煤炭行业知识服务平台

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“碳捕获、利用与封存”专题

来源：洁净煤技术

行业视野: 碳中和
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关键词; 107位
专家; 22篇
论文; 24277IP
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CO2合成醇酯类化学品和高分子材料研究进展

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。

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2021年第02期

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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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2021年第02期

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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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2021年第02期

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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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2021年第02期

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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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2021年第02期

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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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2021年第02期

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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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