《煤炭学报》“低碳热转化”专题_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》“低碳热转化”专题

“双碳”目标下我国能源结构正经历深刻转型和升级。可再生能源的发展正在加速推进，装机容量和发电比例显著提升，成为我国未来能源结构的重要支撑。煤电的定位将由主体能源转变为灵活性调峰能源。推进能源绿色低碳转型，不仅顺应全球能源绿色低碳化的趋势，也为实现国家能源安全和可持续发展提供了强大动力支持。

行业视野: 加工
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钛铁矿载氧体对碱金属钾的高温吸收特性研究

作者(Author)：张雨琪, 朱纯, 徐禛, 朱清, 袁强, 李林, 孙镇坤, 段伦博

摘要：载氧体辅助燃烧(Oxygen Carrier Aided Combustion, OCAC)技术的协同固碱潜力得到越来越多学者的关注。以天然钛铁矿提钛后的尾矿及单一组分模化物Fe2TiO5和TiO2作为吸收剂，以KCl和CH3COOK作为模拟碱源，在静态吸收实验装置上研究了钛铁矿尾矿对碱金属钾的高温吸收特性，系统探究了时间、粒径、温度、质量比、气固组分等多种因素对吸收效果的影响规律，结合X射线衍射仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、扫描电子显微镜和X射线能谱仪等表征手段，揭示了K在钛铁矿表面富集和体相迁移的微观机理。结果表明，钛铁矿尾矿在高温下具有较好的K吸收能力，吸收速率随时间增长表现出先快后慢的变化趋势。在一定条件下，减小颗粒尺寸、提高反应温度和气相中的K浓度，可进一步提升钛铁矿尾矿的固碱性能。在与实际工业烟气相似的温度和碱金属浓度条件下，钛铁矿尾矿对K的捕集率可达40%以上。钛铁矿尾矿的主相具有富Fe层和富Ti层交替排列的独特片层结构，且相较单一组分模化物具有更复杂的形态和更优异的固碱能力。其过程为：K首先在钛铁矿表面沉积并逐渐形成富集层，随后通过固相扩散向内渗入，并沿富Ti层深度迁移至颗粒内部；同时，富Ti层中的Fe逐渐向颗粒外层迁移，并对K在钛铁矿中的吸收产生双重影响。此外，Cl可通过与钛铁矿表面的Fe反应生成易挥发的FeCl2而进一步促进钛铁矿对K的吸收，钛铁矿尾矿中铁钙铝榴石等脉石相对K亦具有十分显著的协同吸收作用。本文的研究结果进一步证实了OCAC技术的协同固碱潜力，同时为低品位钛铁矿的资源化利用提供新思路。

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液氮低温预处理下生物质热解产物特性

作者(Author)：许涛, 陈凌云, 郑修仁, 伍永平, 解盘石, 陈杰

摘要：生物质作为一种可再生能源，具有来源广、多功能、碳中和等特点。生物质的高值资源化利用有利于降低对高碳化石能源的依赖程度，保障国家能源安全，减少环境污染，符合中国“双碳”国家战略需要。热解作为生物质热化学转化的基础，是实现生物质能高值利用的最佳技术之一，但是存在生物油产率低与品质差的核心问题。针对以上问题，创新性将低温冷冻技术应用于生物质热解领域，提出“低温冷冻+快速热解”的生物质制油新方法，拟提高热解生物油产率和品质。以2种农作物秸秆为实验研究对象，采用液氮快速冷冻预处理方法，研究了低温预处理下生物质热解产物分布与组成的演变机理。实验表明，与常规热解相比，液氮低温预处理后生物质热解生物油产率升幅可达14.16%～23.73%，且低温预处理温度与生物油产率呈正相关关系，在−90 ℃低温预处理下生物油产率达最大值(22.3%～26.3%)，超出铝甑法生物油产率8.5%～22.71%。液氮低温预处理对生物油成分分布有明显的转化作用，生物油组成中苯系物(BTEX)与酚类物质有明显上升，最大涨幅分别为43.61%和12.45%。液氮低温预处理抑制了生物质热解气中CO2和CO的释放，成分占比降幅了7.2%～29.7%；促进CH4和H2的生成，成分占比提高了0.2%～14.7%。此外，低温预处理使固体产物元素组成中C元素含量增加，同时O元素含量下降，这有利于提高生物炭的可燃性，并降低其自燃风险。

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生物质锅炉中温受热面碱蒸气冷凝与飞灰黏附多重结渣模拟

作者(Author)：邱桐禹, 宿海宁, 孙裕庭, 朱轶铭, 王学斌, 杨天华

摘要：生物质作为CO2零排放的清洁可再生能源，在部分替代化石燃料用于燃烧发电的领域具有良好的应用价值。但生物质燃料普遍含有大量碱金属成分，在燃烧过程中易于以气相形式析出凝结在受热面形成有黏性的初始沉积层，强化壁面对烟气中飞灰颗粒的捕获，导致锅炉受热面结渣情况进一步恶化。针对以上问题，利用Factsage软件计算生物质锅炉中温过热器初始沉积层黏附特性，结合临界速度模型，建立综合考虑KCl冷凝−飞灰捕捉的受热面结渣综合模型；利用ANSYS FLUENT软件编写用户自定义函数(UDF)，对生物质锅炉中温过热器受热面沾污行为进行模拟研究，并与现场采样结果对比验证模型准确性。结果表明，中温过热器区域的沉积速率与取样结果相吻合；壁面温度升高对飞灰碰撞效率影响较小，但抑制KCl冷凝导致总沉积量降低；烟气入口速度变化影响KCl冷凝和飞灰碰撞效率，大颗粒(50、80 μm)碰撞效率随烟气速度增大而增大，而10 μm小颗粒更易被粘性壁面捕获，导致沉积效率更高；相同烟气入口速度下，粒径50 μm和80 μm飞灰为主要沉积；总体上，碱蒸气冷凝在中温过热器区域结渣过程贡献显著，KCl直接冷凝在壁面的沉积质量占总沉积质量的5.41%，黏性沉积表面捕获飞灰颗粒沉积质量占19.24%。模型适用于生物质锅炉以中温过热器为代表的中温受热面(～700 ℃)积灰沾污预测。

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啤酒糟流化床气化中颗粒粒径对气固流动和产气影响的CPFD模拟

作者(Author)：国洪帅, 姜华伟, 杨海瑞, 王翠苹, 李延辉

摘要：我国酿酒工业每年产生大量废弃啤酒糟，其具有挥发分含量高、硫含量低的特点，特别适合作为气化原料，而流化床气化炉以优异的气固混合和温度均匀性而著称，通过流化床气化实现啤酒糟的资源化和能源化利用具有重要意义。为探究啤酒糟流化床气化过程中颗粒粒径对气固流动行为和产气的影响，基于计算颗粒流体动力学(CPFD)方法，对以空气和水蒸气为气化剂的啤酒糟鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟，研究了床料粒径和啤酒糟粒径的影响。通过CPFD数值模拟，获得了鼓泡流化床气化炉内颗粒体积分数分布、酒糟和床料的颗粒分布等流动特征，以及产气中主要气体组分的摩尔分数。借助鼓泡流化床气化实验装置，研究了床料粒径和啤酒糟粒径对产气中各气体组分体积分数的影响规律，并对数值模拟结果进行了验证。结果表明，床料粒径的增加不利于气化炉内的充分流态化和颗粒混合，使气化炉内温度沿高度的分布不均匀，并且不利于碳颗粒和水蒸气的充分混合以及气固反应和气相反应的均匀吸放热，造成H2摩尔分数显著降低；啤酒糟粒径的适当增大有助于延长其在气化炉内的停留时间，从而提高固态碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应转化率，生成更多的H2和CO，但过大的啤酒糟粒径会造成啤酒糟和床料的混合较差，使啤酒糟比表面积减小，不利于热解和气化反应，导致H2、CO、CH4和NH3等可燃组分的摩尔分数均降低。

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退役晶硅光伏组件解离与资源化研究进展

作者(Author)：王敏, 胡中发, 白冰, 陈佩, 王贵山, 张乾生, 薛渊, 张一, 王学斌

摘要：近年来，全球光伏产业蓬勃发展，光伏装机量快速攀升。光伏发电碳排放较传统化石能源发电仅为10%。然而，太阳能光伏板的使用寿命仅为20～25 a，随着首批光伏组件达到其寿命极限，世界各地将陆续迎来光伏组件的“退役潮”。实现退役光伏组件无害化绿色处置并回收利用光伏组件中的二次能源是光伏产业可持续发展的关键环节。目前主流的晶硅光伏组件主要由光伏玻璃、EVA(乙烯−醋酸乙烯共聚物)胶膜、晶硅电池片和含氟背板组成。完整的光伏玻璃和晶硅电池片具有较高的经济价值，因此如何选择性去除EVA胶膜和含氟背板是退役光伏组件回收再利用的重要步骤。基于此，首先简要介绍了晶硅光伏组件各部分的结构和用途，并根据各部分的物理化学特性，从光伏组件回收完整性的角度详细分析了包括热法处置、物理分离和化学解离在内的各类工艺的优缺点。已有研究表明，退役晶硅光伏组件回收难点集中在以下3个方面：高效低污染、低能耗地去除EVA胶膜、背板中含氟物质的无害化处置以及晶硅电池片上热解残碳的脱除。针对上述难点，展望了未来退役光伏组件回收技术的发展趋势，并对我国退役光伏组件回收技术研究与设计提出了合理建议。

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直接空气捕集CO₂典型工艺与关键装置开发进展

作者(Author)：余斌鹏, 谈磊, 王鼎, 王利民, 向小凤, 王志超, 晋中华, 杨伯伦, 吴志强

摘要：常规的碳捕集与封存技术和碳捕集、利用与封存技术多针对固定源排放CO2，直接空气捕集CO2(Direct air capture, DAC)技术作为一种新兴的负碳排放技术可对分布源排放的CO2进行捕集，进一步降低全球大气CO2体积分数。介绍了DAC典型液体吸收工艺、固体吸附工艺的发展过程及相关示范项目建设情况，分析了新兴DAC工艺的技术特点，探讨了现有DAC工艺关键装置方案和未来发展趋势。DAC液体吸收工艺具有吸收剂原料成本较低、选择性较高的特点，可实现大规模连续化捕集，但再生过程中能耗较高。DAC固体吸附工艺具有模块化、投资成本较低的特点，且再生过程能耗相对较低，但需要定期对吸附材料更换和吸附设备维护，适用于较小规模的DAC应用场景。对2种典型DAC工艺吸收/吸附材料进行了概述。DAC电振荡吸附工艺中CO2在固体电极中发生化学反应被捕集，并通过外加电场改变固体电极极性实现CO2脱附，该工艺具有比基于热量或压力的分离过程更高的效率。空气中CO2选择透过DAC分离膜从而实现了高效碳捕集。DAC变湿吸附工艺通过湿度的改变实现CO2的吸脱附，突破了常规变温/变压吸附的高能耗限制等问题。DAC生物吸收工艺通过藻类生物的光合作用将CO2吸收固定。基于双功能催化剂的DAC工艺可以在一个综合过程中实现CO2的捕集与催化，节省了CO2捕集后的运输与存储成本。DAC液体吸收工艺的关键装置为空气接触器、颗粒反应器、煅烧炉和熟化器，其中空气接触器开发的核心在于提高气液接触效率，减少喷淋过程中的水分损失和减轻设备腐蚀，颗粒反应器和熟化器开发的关键在于提高固液两相物料的接触效率以及反应后的固液分离效率。DAC固体吸附工艺由引风模块、吸附/再生模块、供能再生模块和CO2压缩模块组成的模块化装置组成，其中优化吸附模块的核心在于提高气固传质速率、调谐CO2捕集效率、降低压降；并基于不同应用场景工艺需求选择合适的再生系统或利用清洁能源，优化DAC工艺过程和开发高性能的DAC核心装置至关重要。

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超临界CO₂发泡混凝土的制备及固碳性能研究

作者(Author)：他旭鹏, 张源, 万志军, 曹钊, 李建伟, 李绪萍, 陈景序, 张靖

摘要：实现绿色低碳是推动煤炭产业高质量发展的必然选择。为了实现这一目标，提出一种采用超临界CO2相变发泡技术制备泡沫混凝土的方法，制备了一种兼具高孔隙结构和固碳能力的硅酸盐水泥基超临界CO2发泡混凝土。研究了超临界CO2对材料干密度、孔隙结构和固碳能力的影响规律及作用机制。结果表明：超临界CO2相变发泡混凝土制备过程是考虑硅酸盐水泥特性及其与CO2矿化反应特性的温压动态协调过程。利用超临界CO2相变发泡技术制备硅酸盐水泥基泡沫混凝土机理可分为CO2−水泥浆液共存、CO2−水泥浆液共溶、超临界CO2−水泥浆液共溶、卸压发泡4个阶段。提高实验压力可以增大超临界CO2−混凝土体系中的CO2浓度，降低超临界CO2发泡混凝土的干密度，超临界CO2发泡混凝土干密度为787.14～993.52 kg/m3，变化范围为8.28%～19.20%。超临界CO2发泡混凝土孔隙率的发展受CO2在超临界CO2−混凝土体系中的扩散—溶解—反应行为影响，其孔隙率为47.87%～89.79%，增大实验压力，优化保压时间是制备高孔隙率超临界CO2发泡混凝土的发展方向。超临界CO2发泡混凝土泡孔总体呈均匀、规则、独立的圆孔，其孔径大致相同，约为0.2 mm。增大实验压力可以促进CO2矿化反应程度，有效优化泡孔结构及分布密度。每吨超临界CO2发泡混凝土骨架固碳率为6.32%～10.36%，泡孔储碳量为0.98～2.27 kg，具有明显的固碳潜力，但其制备工艺及参数仍需进一步改善。超临界CO2发泡混凝土有望发展为一种近零碳矿用功能性材料，对实现煤电一体化基地源头减碳意义重大。

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扩散作用控制下CO₂矿化封存实验及模拟研究

作者(Author)：王晓, 文凯星, 石祥超, 吴彬, 吴晓亮, 于兴川, VLADIMIRAlvarado

摘要：玄武岩地层由于富含钙、镁、铁等二价金属元素，能够通过高效的矿化反应将注入的CO2转化为碳酸盐岩，实现CO2安全有效的永久封存。但围绕CO2矿化封存机制的研究尚不完善，多数研究忽略了扩散作用对CO2矿化机制的影响。通过试管填充及烧杯平铺实验，开展了不同矿物、不同粒径及不同反应时间下的CO2−水−岩反应，并对反应后岩样开展多维度分析，包括拉曼光谱、无机碳含量以及SEM-EDS等，从而阐明了扩散作用在CO2矿化封存中的重要性以及扩散作用控制下CO2矿化产物的时空演变规律。同时，通过TOUGHREACT建立了扩散作用控制的试管填充实验的数值模拟模型，并通过与物理实验结果拟合，确保数值模拟模型的准确性。在此基础上，开展了更多影响因素的作用规律研究，并为物理实验现象提供机理解释。结合物理实验及数值模拟结果表明：① 在不存在扩散作用的烧杯平铺实验中，反应14 d后无矿化产物，28 d后仅有微量菱镁矿生成。② 相反，在扩散作用控制下的试管填充实验中，橄榄石填充管中的主要的沉淀物是菱镁矿，天然玄武岩填充管中的沉淀物以方解石、菱铁矿为主，菱镁矿为辅。在相同矿物粒径、相同反应时间下，天然玄武岩中CO2矿化速率远小于橄榄石，这是由于橄榄石与玄武岩其他组成矿物相比溶解速度最快。③ 在橄榄石或玄武岩填充管中，碳酸盐沉淀物沿填充管均呈非均匀分布。通过数值模拟解释了造成这一现象的根本原因，即在扩散作用控制下，填充床中H+、DIC (Dissolved Inorganic Carbon)以及二价金属阳离子存在浓度梯度，且浓度梯度方向不同。④ 矿物比表面积对CO2−水−岩反应有显著影响，不仅影响矿化效率而且影响矿化产物空间分布，并最终影响反应后多孔介质孔隙度分布。⑤ 与压力相比，温度对CO2矿化的影响更大；当温度从65 ℃升高到85 ℃时，方解石、菱铁矿及碳酸盐沉淀总量明显增加，但从85 ℃升高100 ℃，仅菱镁矿沉淀量增加明显。压力对方解石沉淀的形成影响较小，而对菱镁矿及菱铁矿的形成几乎没有影响。

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