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钙循环热化学储能及其耦合CO2捕集技术的研究进展综述

2025-01-08






钙循环热化学储能利用钙基热载体与CO2的化学链循环反应实现高效储放热,因其成本低廉、来源广泛且储热密度高,被视为潜力巨大的储能技术。该技术还能耦合CO2捕集,降低碳捕集能耗。然而,钙基热载体易失活、磨损,且相关研究多处于实验室阶段。近年来,国内外学者提出多种增强载体活性、减少磨损的方法,并改进系统设计与反应器。文章综述了研究进展,总结了问题,并提出未来研究方向。

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这是《洁净煤技术》2060碳中和的第27篇文章

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钙循环热化学储能及其耦合CO2捕集技术研究进展


作者
代金雨,罗聪,李小姗,邬凡,张立麒

单位
华中科技大学 煤燃烧与低碳利用全国重点实验室

引用格式
代金雨,罗聪,李小姗,等.钙循环热化学储能及其耦合CO2捕集技术研究进展[J]. 洁净煤技术,2024,30(10):1−18.
DAI Jinyu,LUO Cong,LI Xiaoshan,et al. Recent advances on calcium looping thermochemical energy storage and its coupling for CO2 capture[J]. Clean Coal Technology,2024,30(10):1−18.




关键点


1)整理了钙基材料相关研究进展,对钙基热载体的物化特性与改性方法进行了综述。

2)总结了钙循环热化学储能技术,特别是钙循环热化学储能辅助太阳能发电系统、钙循环热化学储能耦合CO2捕集系统的设计方法,为后续研究提供参考。



研究背景
钙循环热化学储能的基本原理是采用钙基热载体(以CaO为主)与CO2的化学链循环可逆反应进行循环的储热与放热过程。由于钙基原料的成本低廉、来源广泛、储放热密度高,钙循环技术被认为是一种十分有潜力的热化学储能技术,具有良好的应用前景。此外,在钙循环储放热过程中,可利用碳酸化反应捕集CO2,形成储能与CO2捕集的耦合以降低碳捕集的能量需求。该技术得到了业界广泛关注。

研究内容
本文综述了钙循环热化学储能及其耦合CO2捕集技术的研究进展,从钙基热载体的物化特性与改性方法、钙循环储能和CO2捕集系统的流程设计、钙循环储能和CO2捕集系统的反应器设计等三个方面归纳了近年来钙循环储热技术的研究进展,包含钙循环储能辅助太阳能发电、钙循环热化学储能耦合CO2捕集系统的改进方法,以及直接与间接辐照煅烧储热反应器的开发研究现状。最后总结了现阶段存在的主要问题,并提出了未来该技术的研究方向。

研究结论

1)钙循环储热具有优秀的储热性能,但是钙基热载体的烧结失活,是现阶段钙循环技术面临的主要的问题。为了减少烧结,近年来研究了诸如水化、酸洗、掺杂以及声学扰动等等改性方法,但是这些方法或多或少在成本或效果上存在一定的问题。寻找廉价高效的改性方法或者优良的钙源将是未来主要方向

2)钙循环储热辅助光热发电可有效解决光热发电的不稳定性,而与碳捕集系统的耦合可通过利用钙循环的高效储热性能,有效缓解CO2捕集系统的能量需求,减少CO2捕集成本。已存在较多集成方案设计。如何提高系统的集成优化将是亟需研究的重点,同时,该技术的环境影响和经济效益也需进一步评估

3)煅烧储热反应器的设计是钙循环储热技术的关键,目前主流的反应器设计分为直接辐照与间接辐照两种形式。现阶段,煅烧储热反应器的相关研究主要集中在模拟研究和小试研究,对反应器安全性、稳定性、可放大性的评估有限。现有反应器在钙循环系统下的性能评估和新式反应器设计将是今后研究重点。




重要图表


钙循环光热电厂示意

钙循环储热耦合碳捕集系统示意


作者简介

代金雨

代金雨,男,华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧与低碳利用全国重点实验室博士研究生。

通讯作者简介

罗聪
罗聪,华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室教授、博士生导师,国家环境保护燃煤低碳利用与重金属污染控制工程技术中心副主任。专注于能源低碳利用的基础理论和关键技术研发,特别是基于吸附原理的CO2捕集转化、热化学储能、氢能相关前沿工作。重点关注火力发电、水泥生产、燃油汽车领域的CO2捕集。开发了排量为甲醇重卡车载尾气CO2高效捕集系统,连续行驶百公里期间的CO2捕集效率超99%,正在开展燃煤尾气规模化CO2捕集的工业示范。近5年主持了“用于CO2捕集的固体吸附材料及技术-多反应器间能量高效转移与回收关键技术”国家重点研发计划课题、“天然钙基CO2吸附剂的盐改性及低温热活化造孔机制研究”国家自然科学基金、“大孔骨架复合钙基吸附剂颗粒的CO2捕集与储热基础研究”国际合作等多项国家级和省部级项目,获得了湖北省自然科学一等奖一项,发表相关学术论文100余篇。



课题组简介




华中科技大学煤燃烧与低碳利用全国重点实验室张立麒教授团队近年来,连续牵头“十三五”和“十四五”国家重点研发计划项目:富氧燃烧高效低成本运行关键技术与示范(2018YFB0605300)、用于CO2捕集的高活性低能耗固体吸附材料及技术(2023YFB4104004),主持国家级科研项目20余项。团队目前拥有教授2人、副教授2人、博士后2人、研究生40余人,主要围绕化石能源的清洁高效低碳利用技术开展相关基础与应用研究,重点开发了35MW富氧燃烧CO2捕集技术、年万吨级固体吸附CO2捕集技术。

团队主要研究方向








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