“生物质能源与材料”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“生物质能源与材料”专题

我国在2020年提出“努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的目标，标志着中国正式启动实施碳达峰碳中和(“双碳”)国家重大战略。碳中和既是一场系统深刻的经济社会变革，也是一项系统性工程，涉及经济社会发展模式转型、能源革命、科技革命、产业革命、生活革命等多维度，而科技支撑是其实现的关键。为应对全球气候变化，实现人类与地球生态系统的可持续发展，碳中和科学与工程交叉学科应运而生，并显现出勃勃生机，受到学术界的高度关注。

碳中和科学与工程作为一门新兴交叉学科，面临诸多的科学与技术问题的挑战，如：地球碳循环机制、下一代气候模型、数字孪生地球、新型能源系统、碳捕集利用与封存(CCUS)、土地利用与气候变化、生态系统碳汇监测与核算等。目前，全球范围内，产业界、学术界和公共管理部门就实现碳中和的基本路径达成的普遍共识是：大规模使用清洁能源，大力实施节能减耗，积极倡导低碳生活方式，有效提升地球碳汇能力。为实现碳中和目标，不同的国家和地区所依靠的措施各不相同，据估计，欧洲国家50%的碳减排将依靠节能实现。我国碳排放主要源于煤炭为主体的化石能源活动，在确保能源安全的前提下，调整优化能源结构，构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，是我国实现碳中和最根本、最直接的路径；通过产业转型升级、节能提效、原料替代、工艺优化、循环经济、区域协同等举措，调整转变重点领域高耗能产业结构与高排放生产方式，持续提高能源利用效率和资源循环利用水平，实现零碳排放或低碳排放，是我国实现碳中和当前最重要、最经济的路径；倡导低碳消费、绿色出行等生活方式是实现碳中和目标最基础、最持久的动力源泉；而提升碳汇能力将助力碳中和目标的实现，是对我国碳中和路径的有益补充。这些碳中和的实施路径都是碳中和科学与工程学科将来需要密切关注的重要研究方向。

在国家重大需求和任务牵引下，碳中和科学与工程在零碳、低碳、去碳技术及碳监测与管理等方面已经取得了丰硕的成果，有效提升了我国重点领域、重点行业和重点区域的碳中和科技创新能力与示范应用能力。同时，碳中和科学与工程学科在基础理论的系统性和前瞻性、相关技术的有效性和颠覆性等方面尚面临诸多挑战，不论是零碳的新能源与智慧能源，低碳的节能提效、新工艺和循环经济，去碳的碳捕集利用封存、甲烷利用减排和生态碳汇，还是碳监测与管理等，都亟待展开深度攻关。

为促进我国碳中和科学与工程学科最新理论与技术成果的展示与交流，助力突破“双碳”领域卡脖子科技问题，《煤炭学报》编辑部组织策划了“碳中和科学与工程”专题。专题自 2022 年 6 月征稿发布以来，受到了煤炭及其相关行业科技界同仁的高度关注与鼎力支持，共收到来稿 108 余篇，最终录用刊登 30篇。论文内容涵盖煤炭绿色低碳开发、煤炭能源清洁利用、碳捕集利用与封存、生态修复与碳汇、碳监测与管理等研究方向。在专题刊出之际，衷心感谢各位专家学者的大力支持，特别感谢评审专家认真细致的审阅及提出的建设性意见，衷心感谢《煤炭学报》编辑部在专辑策划、评审与出版所付出的辛勤劳动!希望该专题的出版，可为从事碳中和科学与工程领域研究的广大科技工作者提供借鉴与启迪，同时希望有更多的学者关注碳中和科学与工程研究领域，为我国碳中和科学与工程学科的建立与发展贡献智慧!

行业视野: 碳中和
类别; 78个
关键词; 111位
专家; 18篇
论文; 4644IP
点击量; 2140次
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炭化/活化温度对碳酸钾活化玉米芯生物炭吸附苯的性能影响

作者(Author)：黄钰坪, 王登辉

摘要：生物炭作为一种新兴的碳质吸附剂，具有良好的VOCs控制功能。以玉米芯为原料，制备了一系列生物炭(BCx)和碳酸钾活化生物炭(KBC-x-y) (其中，x为炭化温度，y为活化温度)用于吸附苯。利用热重分析、氮气吸附−脱附、扫描电镜(SEM)以及元素分析(EA)等方法获得了生物炭(质)样品的热解特性、比表面积、孔容孔径、表面形态及原子占比等，通过吸附实验考察炭化温度/活化温度对生物炭吸附苯的影响。结果表明：碳酸钾活化后的生物炭比表面积最高可达576.76 m2/g，孔容积为0.325 m3/g，对苯的最大吸附量达到82.51 mg/g(较未活化生物炭提升2.9倍)；炭化温度与吸附能力呈现正态分布的趋势，吸附能力随着炭化温度的升高而增强，但过高的炭化温度(> 800 ℃)会导致气孔堵塞、数量减少，比表面积降低，吸附能力下降；低温/高温炭化下，生物炭吸附能力随活化温度变化呈现出相同趋势；高温炭化后(800 ℃)，最佳活化温度为400 ℃(KBC-800-400)，活化温度太高会导致微孔孔壁破碎以及挥发物的烧结效应，从而降低吸附能力，较低的活化温度未能使K2CO3在炭表面充分反应；低温炭化后(400 ℃)，最佳活化温度为(800 ℃)，低温炭化高温活化生物炭(KBC-400-800)吸附性能优于高温炭化低温活化生物炭(KBC-800-400)，可能是因为在低温炭化情况下，较高的活化温度有利于碳酸钾参与活化过程反应。

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煤炭学报

2023年第06期

303

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煤灰掺杂对气化条件下生物质中不同无机形态钾迁移转化的影响

作者(Author)：何紫萌, 邓玉洁, 石文举, 曹景沛, 赵小燕

摘要：钾(K)是生物质中一种主要无机元素，在生物质气化过程中它的迁移转化会造成结渣、积灰和灰团聚等问题，掺杂富含硅(Si)和铝(Al)的煤灰是解决这些问题的有效途径之一。大部分生物质中K主要以K2CO3、K2SO4和KCl等水溶性无机盐形式存在，但不同种类生物质中这几种无机K盐组成差异较大，导致气化过程中灰团聚、结渣行为有较大差异。因此，该研究利用了负载K2CO3、K2SO4和KCl的松木模拟含不同无机形态K的生物质，在水蒸气和CO2气氛下，系统研究了气化过程中煤灰对不同无机形态K迁移转化和在流化床条件下(石英砂为床料)灰团聚行为的影响。研究发现，尽管2种煤灰的晶体矿物组成不同，在气化过程中它们均与负载K2CO3和K2SO4的松木反应形成了钾霞石(KAlSiO4)。然而，对于负载KCl的松木，相比于水蒸气气氛，由于煤灰在CO2气氛下生成钾霞石的能力较弱，因此大部分KCl主要通过物理吸附保留，导致K保留比较低。另外，负载KCl的松木气化残渣中K的保留比显著低于负载K2CO3或K2SO4的松木，说明生物质中KCl易挥发且与煤灰的反应较弱，更易造成灰沉积和腐蚀等问题。然而，热力学平衡计算表明3种K盐和煤灰反应主要生成白榴石或长石，与实验结果差别较大。最后，尽管煤灰的加入不能阻止团聚物形成，但抑制了负载K盐的松木和石英砂生成低温熔融硅酸钾的过程，使形成的团聚物更易破碎，可以有效缓解流化床中的灰团聚等问题。

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煤炭学报

2023年第06期

239

112
烘焙预处理对玉米秸秆气化产物特性的影响

作者(Author)：薛俊杰, 徐嘉龙, 马中青, 张志霄, 胡艳军, 王树荣

摘要：我国生物质资源丰富，是一种清洁可再生的原料，通过生物质气化技术将其转化为可燃气，用于替代燃煤和天然气供热或发电，对我国实现“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标具有重要意义。然而，生物质原料存在含水率高、含氧量高及热值低等缺点，导致气化可燃气存在热值低和焦油含量高的缺陷，使得利用农林废弃生物质“变废为宝”面临较大挑战。选取玉米秸秆为原料，首先采用程序控温管式炉对其进行烘焙预处理，并用元素分析、工业分析、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪等仪器对其基本物理化学特性进行分析；其次，采用自制的小型固定床气化炉装置，研究烘焙预处理温度对玉米秸秆气化可燃气、炭和焦油产物产率和特性的影响。研究结果表明，随着烘焙温度的升高，玉米秸秆的O质量分数及挥发分明显降低，C质量分数与固定碳显著增加，使得热值从17.26 MJ/kg增加至25.50 MJ/kg；烘焙温度对气化产物的质量产率和特性也有显著的影响。随着烘焙温度的升高，可燃气的质量产率逐渐下降，H2的体积分数从13.85%大幅增加到22.56%，可燃气的低位热值在烘焙温度为220 ºC时达到最高值，为9.36 MJ/Nm3。较高的烘焙温度导致气化残炭的质量产率上升，并且气化残炭中的C 元素与固定碳增加，而挥发分与灰分减少，热值从22.74 MJ/kg增加至24.52 MJ/kg。较高的烘焙温度使得焦油的质量产率从21.07%大幅下降至12.67%，焦油组分主要由芳烃类、酚类及脂肪烃类组分构成，其中芳烃类物质与酚类物质的质量分数较高，随烘焙温度升高，芳烃类物质的质量分数先增加后减少，而酚类物质质量分数先减少后增加，其他脂肪烃物质质量分数变化规律不明显。因此，烘焙预处理可显著改善玉米秸秆的品质，进而提升气化可燃气的热值，降低焦油含量。

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煤炭学报

2023年第06期

218

111
生物质热解挥发分化学链重整工艺模拟与分析

作者(Author)：刘根, 张榕江, 孙仲顺, 马广举, 张博, 杨伯伦, 吴志强

摘要：在常规生物质化学链气化工艺中，热解、气化、重整等众多复杂的反应过程被限制在同一个反应空间中，这些反应之间存在复杂的相互作用，导致碳转化率较低，且难以实现产物定向调控与系统自热运行。基于解耦策略的生物质热解与化学链重整相结合的工艺可实现上述复杂过程定向调控，从而一定程度上克服常规化学链气化面临的挑战。利用Aspen Plus软件对该工艺进行全流程模拟，并使用热解实验结果对模型进行验证。考察了热解反应器温度、重整反应器温度、蒸汽生物质质量比对工艺性能的影响规律。结果表明：热解温度在400～600 ℃所建立的工艺模型能够有效预测热解产物分布；随着热解温度的提升，合成气产量总体上呈现上升趋势，在550 ℃下获得最高的合成气产量为1 158.98 Nm3/kg生物质；在600 ℃热解温度下，热解半焦和载氧体氧化放热可满足重整反应器的热量需求，实现系统热自持；重整反应器温度升高会增加合成气的产量，但是会降低合成气的氢碳比与能量效率，同时系统自热状态下运行所需的床料循环速率显著增加；蒸汽能够有效调节合成气产品的氢碳比，热解化学链重整工艺生产氢碳摩尔比为2.0的合成气，蒸汽生物质质量比仅为0.45，低于生物质化学链气化工艺所需的1.2～1.4。因此，综合考虑合成气产量及工艺性能，生物质热解结合化学链重整工艺操作条件以热解反应器温度550～600 ℃，重整反应器温度700 ℃，蒸汽生物质质量比为0.45较为适宜。

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2023年第06期

265

91
煤耦合生物质气化发电技术研究进展

作者(Author)：苏鑫, 刘静, 陈冠益, 姚金刚, 颜蓓蓓, 易维明, 程占军, 姚燕, 刘孝阳, 何建杰, 杨继开

摘要：煤电碳排放是我国能源消费碳排放的主要来源。生物质发电是一种零碳甚至可以是碳负排放的电力生产方式，因此发展煤耦合生物质气化发电技术可实现煤炭减量替代与碳减排效应，是一条煤电走向低碳化的可行路径。基于此，综述了煤耦合生物质发电的3种技术——直燃耦合发电技术、并联耦合发电技术和气化耦合发电技术，解析了3种技术的特点，提出了煤耦合生物质气化发电技术的优势，并基于气化耦合发电技术研究了原料的物理化学性质适应性及原料对气化炉的影响。重点解析了煤耦合生物质气化发电技术的工艺流程，包括生物质原料储存输送系统、气化炉(循环流化床(CFB)气化炉、双流化床(DFB)气化炉、下吸式固定床气化炉、上吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉和链条炉)、燃气冷却降温系统、燃气加压输送系统、燃气耦合燃烧系统和气体净化系统，并进行了能源利用效率、经济性与环境效益分析，以期为煤耦合生物质发电技术的研究与应用提供理论参考与技术支持。此外，还综述了国家为推进煤耦合生物质气化发电技术出台的一系列政策及当前煤耦合生物质气化发电站的成功案例。最后对煤耦合生物质气化发电技术存在的挑战和未来的发展进行了展望。

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2023年第06期

259

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生物质水热炭改性方法及应用研究进展

作者(Author)：钱黎黎, 王彦鑫, 倪俊, 王爽, 顾衡

摘要：水热碳化技术是实现生物质资源化利用的新型技术，具有可直接处理湿生物质、反应温度低、反应时间短、减量化效果明显等优势。由于水热炭具有发达的孔隙结构、丰富的含氧官能团、大比表面积、高热值等性质，在环境、能源、电化学和催化等领域获得了广泛的应用。简述了水热碳化技术的反应条件及反应过程，介绍了水热炭的物理活化和化学活化等传统改性方法，重点分析了低温等离子体、厌氧发酵、磁化、固态微波、聚乙烯亚胺、杂原子掺杂等新型改性方法对水热炭结构和表面官能团的作用效果。综述了水热炭作为重金属、有机物、CO2吸附剂，土壤改良剂，固态燃料、电极材料及催化剂的应用进展。作为吸附剂，水热炭对水体重金属元素(Cr、Cu、Zn等)的去除率可以达到82%～99%，对CO2的吸附量可以达到1.2～8.3 mmol/g。作为土壤改良剂，添加水热炭可以减少氮肥的施用量。作为固态燃料，木质纤维素制备的水热炭热值较高，可达30 MJ/kg，接近于烟煤的热值。作为电极材料，通过改善水热炭的孔径分布，提升水热炭中含氧及含氮官能团的数量可大幅提升其电化学性能，水热炭的比电容可达到300 F/g以上。在催化领域，水热炭本身可以作为催化剂或负载活性组分作为催化剂载体。最后，指出了未来应重点开展水热炭的复合改性、回收利用、对植物和土壤微生物的毒害机理等方面的研究，并进一步提升其燃烧性能、比电容、能量密度和稳定性，以实现水热炭的商业化应用。

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煤炭学报

2023年第06期

198

84
酒糟基炭材料的制备及应用

作者(Author)：于天潮, 张晓沛, 刘伟峰, 符冬菊, 刘旭光

摘要：酒糟是乙醇工业和酿酒工艺产生的主要固体生物质废弃物，具有来源广泛、含碳量高、元素种类丰富等特点。酒糟在经过发酵、蒸馏等处理之后，仍含有丰富纤维素、木质素、粗蛋白和淀粉等物质，是理想的生物质炭材料前驱体。酒糟基炭材料是以酒糟为碳源，通过高温热解和水热处理等炭化方式，以及经过物理、化学等活化方式制备得到的炭材料。因其碳含量高、比表面积大、孔隙结构和元素种类丰富等特点，受到广泛关注和研究。综述了酒糟基炭材料的原料组成、制备方法及其在不同领域的应用，为今后对酒糟基炭材料的进一步研究提供了系统参考。首先分析了前驱体酒糟的来源和组成，不同地区、不同酿造方法产生的酒糟组成有所不同，主要体现为纤维素、木质素和粗蛋白等成分比例，以及N、S、P等元素质量分数的差别。然后总结对比了目前研究中典型的酒糟基炭材料制备方法，包括热解法、水热法和活化方法等，并展望了在未来酒糟基炭材料研究中可采取的先进制备方法。此外，介绍了目前酒糟基炭材料在能源(超级电容器、电池)、环境(重金属离子吸附、污水净化)、农业(土壤改善、缓释肥载体)和催化领域(氧还原、有机污染物降解)等方面的应用进展。最后，对现阶段酒糟基炭材料研究和应用过程中存在的问题及未来发展前景进行了展望。

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煤炭学报

2023年第06期

285

119
纤维板水热转化氮在固液两相迁移与转化特性

作者(Author)：汪锦川, 徐德良, 卫俊涛, 李斌, 张书, 黄勇, 张红

摘要：废弃人造板氮含量高，热转化处理与应用存在NOx污染问题。重点研究纤维板水热转化过程中氮在固液两相的迁移与转化，分析了水热热转化温度及停留时间对氮在固液两相的分布与转化的影响，对氮迁移转化路径与机理进行了探讨。结果表明，纤维板中的外源氮在水热转化过程中易向液相迁移，140 ℃水热转化0 min仅有约10%氮保留在固相中。进一步提升水热温度，部分液相氮迁移回固相中。水热温度提升到220 ℃前，氮在固相中的固集作用随温度提升显著增强，分析认为主要是半纤维与纤维素水解的富含氧官能团的中间产物强化了氮固集的Maillard反应。260 ℃水热条件下，长停留时间促进了木质纤维素水解产物在固相中的缩聚，液相游离氮也广泛参与了此反应过程，由此氮的固集作用被显著增强。低温水热条件下固相氮以胺氮为主，水热温度达到180 ℃后，缩合、聚合以及芳构化作用的增强使固相中氮转变为杂环氮，水热温度的进一步提升使杂环氮向更稳定的结构转化。同时，高温水热固相产物中胺氮始终保持一定份额，验证了液相游离氮在固相中固集作用的发生。对应固相氮的迁移，液相氮含量在140 ℃达到最大值，此后随着温度的提升其含量一直保持下降趋势。液相氮以有机氮和铵氮为主，液相氮的转变由有机氮去氨基化反应和Maillard反应共同影响。低温水热条件下，提升温度导致去氨基化反应增强使铵氮含量有增加趋势，高温条件Maillard反应的增强又使部分铵氮返回到有机结构中。有机氮测试分析表明，低温水热下液相氮的结构主要以聚合度较高的大分子结构为主，180 ℃条件下开始有大量的挥发性杂环氮生成，且吡啶氮一直是有机氮的主要结构成分。

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