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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“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

105个

关键词

123位

专家

26篇

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  • 作者(Author): 段伦博

    摘要:  国家主席习近平于2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出,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,CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。    碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内碳源(碳排放)和碳汇(碳吸收)平衡抵消,净CO2排放为零。实现碳中和,一方面要减少碳源,另一方面要增加碳汇。我国社会CO2排放主要来源于建筑、工业、交通、电力、炼油、农业等行业,其中约1/2来源于能源行业,而能源行业中煤炭资源消耗带来的CO2排放占比约96%,其中约1/2煤炭资源用于燃煤发电。针对能源行业(特别是煤电行业)进行技术转型对我国实现碳中和具有重要意义。    针对我国“富煤、贫油、少气”的能源结构现状,能源行业技术转型一方面需要大力发展可再生能源,逐步使可再生能源转变为我国的主要能源;另一方面需要加快煤电退出以及大规模部署碳捕集装置。煤电装机容量需要逐步减少,甚至部分机组提前退役,但考虑到国家能源安全、社会用电量需求的增长、电网调峰需求、供暖、能源转型成本、煤电机组搁浅成本以及煤电企业及上游企业人员就业等经济和社会问题,煤电在未来相当长一段时间内仍将保持相当比例。而燃煤电站是CO2排放量最多、排放地点最集中的场所之一,也是比较适宜大规模集中控制碳排放的场所。针对煤电机组加装碳捕集、利用与封存(Carbon capture,utilization and storage,CCUS)系统可以使其成为一种低碳的发电技术,若将生物质与煤掺烧进行发电,甚至可以达到CO2负排放的效果。因此,CCUS技术的储备乃至大规模应用是我国实现碳中和承诺的重要保障。    目前,CCUS技术在中国仍处于示范阶段,高昂的成本是限制其商业化的主要原因,而CCUS的应用规模主要取决于其经济性。因此,为了实现我国承诺的CO2减排目标,应加大对CCUS技术的研发力度,从而降低技术成本、提高其经济可行性,为该技术的大规模应用做好准备。CCUS技术由CO2捕集、利用和封存三部分组成,捕集是将工业源排放或大气中CO2捕捉起来获得高浓度CO2;利用主要有物理应用(包括驱油、超临界CO2萃取、食品添加等)、化工应用(包括无机和有机精细化学品、高分子材料等)和生物应用(包括微藻固定CO2转化为生物燃料和化学品等);封存是将压缩后的高浓度CO2气体注入地下或海底进行封存,封存同时还可能实现资源化利用,如驱油、驱气等。    近二十年来,国内外学者对多种技术路线的CCUS技术开展了大量研究工作,CCUS的研发已然成为了学科前沿,在包括解决关键科学问题、优化工艺路线以及工业装置示范等方面均获得了长足的发展。这些研究成果有利于进一步完善化学反应、过程优化、材料合成等专业方向上的理论体系,也促进了与物理、化学、材料、生物、地质、安全等多学科的深度交叉和融合,对科学发展也大有益处。    无比荣幸,受《洁净煤技术》编辑部邀请组织本期专刊,这充分体现了《洁净煤技术》对前沿技术的关注和对国家重大需求的响应。专刊的正式出版时间也恰逢《洁净煤技术》入选北大中文核心期刊目录,这是对编辑部辛勤工作的肯定,一并祝贺!    本专刊从征稿、审稿到发表历时近一年时间。收录了来自华中科技大学、清华大学、中国科学院、浙江大学、东南大学、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12篇综述性论文和14篇研究论文,对碳中和相关的前沿关键技术进行报道,其中不乏行业领军人物和青年才俊的真知灼见。值此专刊正式刊出之际,我谨代表编辑部对众多学者的踊跃投稿表示感谢,特别感谢同行专家们对稿件认真细致的评阅。相信通过本专刊,可以展示我国碳中和技术发展的阶段性成果,促进高等院校、科研院所以及企业之间的学术交流与合作,为推动我国碳中和技术的发展尽微薄之力。
  • 作者(Author): 马双忱, 武凯, 刘畅, 别璇, 王智, 王雨菲, 李嘉雨

    摘要:分析了目前CO2减排的压力和趋势,以电化学催化还原为技术核心,结合燃煤排放特点,对电化学体系进行了优选,提出限碳背景下燃煤电厂的减排策略。在缓解日益严峻的CO2减排和温室效应问题的同时,将大体量废弃的CO2转化为具有利用价值的产品是碳捕集与利用的必由之路。对CO2电化学催化还原技术的过程原理进行简要阐述,围绕电极、电解质、CO2溶解性、反应器形式进行讨论,结合电化学催化还原技术特点和燃煤电厂结构特征,对大体量、低浓度CO2电化学催化还原条件进行筛选,确定了以Cu基气体扩散电极-离子液体-连续式反应器为核心的基本电化学体系,进而提出燃煤电厂烟气中CO2电化学催化还原对策,但在向实际应用转化过程中该技术仍面临非理想气源中杂质的影响、还原电流密度低引发的产物生成速率慢、电极寿命短、产物多样性伴随的分离及提纯难度大等障碍,为面向应用的技术发展指明了研究方向。
  • 作者(Author): 赵江婷, 熊卓, 赵永椿, 张军营

    摘要:光热催化是一种极具前途的CO2还原策略,可以利用太阳光谱的广泛吸收来激发热化学和光化学过程的结合,从而协同推动催化反应的进行,使得CO2在较为温和的条件下实现高效转换。作为光热催化的一种,在光催化中引入热能,可以提高太阳光利用率,促进载流子的激发和分离,加快反应分子扩散,从而提升反升性能。本文对当前光热催化CO2还原的概念和原理进行了分类,并对热助光催化还原CO2反应的研究现状进行了总结。基于反应产物的差异,介绍了热助光催化反应的催化剂选择,反应条件和反应机理,此外,还介绍了这类反应实验中关键的局部测温技术。最后对热助光催化CO2还原技术的发展进行了展望。
  • 作者(Author): 张杰, 郭伟, 张博, 张榕江, 杨伯伦, 吴志强

    摘要:减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一,碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO2进行处置捕集,而对占CO2总排放近50%的分布源CO2关注度不高。直接空气捕集(Direct air capture, DAC)技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理,还可有效降低大气中CO2浓度。笔者介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势,综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置,分析了DAC吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果,对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析,指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能,研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置,开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。
  • 作者(Author): 成鹏飞, 李鹏飞, 胡帆, 刘璐, 王飞飞, 张健鹏, 米建春, 柳朝晖, 郑楚光

    摘要:无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO2的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富的优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,本文对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的实验和数学定义;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,并总结了煤粉无焰富氧燃烧的模拟研究情况;最后展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。
  • 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。
  • 作者(Author): 雷雨, 牛艳青, 王亨通, 温丽萍, 王光耀, 惠世恩

    摘要:为富氧燃烧技术的大范围推广必须对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行研究。本文在1800K管式炉内进行了煤焦燃烧实验,研究了富氧气氛下H2O(g)浓度(0,5%,10%,20%,30%)对煤焦燃烧超细颗粒物的影响。采用荷电低压撞击器(ELPI+)获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明H2O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布没有影响但会导致超细颗粒物的峰值出现波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下ELPI+第一级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%,而超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下ELPI+第七级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H2O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成,H2O(g)浓度为5%时抑制作用最为显著,而高H2O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H2O(g)与煤焦发生气化反应使得煤焦颗粒周围产生还原性气氛,促进矿物质还原为单质进一步促进矿物质蒸发,另一方面气化反应是吸热反应会降低煤焦颗粒燃烧温度,同时H2O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发导致超细颗粒物生成减少,两种作用相互竞争导致这种现象的出现。此外,H2O(g)的加入导致超细颗粒物平均粒径增大,0到5% H2O(g)浓度超细颗粒物平均粒径增大最为迅速。
  • 作者(Author): 程偲哲, 邹春, 姚青, 娄春, 王树森, 经慧祥, 梅媚

    摘要:生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又能很容易地实现CO2的捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气浓度大于21%,因而氧气浓度对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的三种主要组分,研究其富氧条件下的着火及燃烧行为能为生物质的着火及燃烧行为的研究提供重要依据。本文利用滴管炉结合高速摄像机,研究了74-154μm粒径的纤维素、半纤维素和木质素在温度为1273 K,氧气浓度为21%、30%、50%、70%和100%的O2/CO2气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着氧气浓度的增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火机理都转为非均相着火机理,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的氧气浓度分别为30%、70%和50%。纤维素着火对氧气浓度变化敏感,当氧气浓度超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气浓度升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气浓度的增加其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素则是因为氧气浓度的升高强化了木质素焦的燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间都随氧气浓度的升高而缩短,两者都是由于氧气浓度的升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气浓度下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。

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