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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

评选|《洁净煤技术》2023年度优秀论文初选

来源:洁净煤技术

《洁净煤技术》2023年度优秀论文评选活动旨在促进洁净煤技术领域科学成果的传播与推广,增强洁净煤技术前沿技术的交流与互动。本届优秀论文评选采用专家评审与读者投票相结合的方式,从本刊2022年正式刊出的论文中,遴选30篇论文入围本轮投票,根据综合得票确定20篇获奖论文。

希望喜欢支持《洁净煤技术》的读者,关注并参与本次活动,积极转发投票页面,选出您心目中的《洁净煤技术》2023年度优秀论文。

行业视野

洁净煤技术

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  • 作者(Author): 林光平, 刘兆川, 聂立, 李维成

    摘要:煤与可再生能源及绿氢耦合,构建煤基零碳/低碳综合能源中心,可显著提高新型电力系统的稳定性和调节的灵活性,且可显著降低发电的碳排放,同时生产低碳替代燃料,以供下游工业领域的深度脱碳,或跨季节储能。基于此构建IGCC联产甲醇耦合光伏制氢、IGCC联产合成氨耦合光伏制氢、富氧燃烧耦合光伏制氢及CO2加氢制甲醇等典型系统。以典型容量进行了各单元基本的质量能量平衡匹配,及适应可再生能源波动性的白天/夜间不同运行模式分析,并进行各单元技术现状分析,认为这些系统具备基本的技术可行性。投煤量2 000 t/d等级的IGCC与420 MW光伏、8.4万m3/h电解水制氢、2 500 t/d等级甲醇合成构成的耦合系统,可实现上网电负荷在0~557 MW调节,甲醇产量在750~2 500 t/d调节。投煤量2 000 t/d等级的IGCC与435 MW光伏、8.7万m3/h电解水制氢、2 000 t/d等级合成氨构成的耦合系统,可实现上网电负荷在0~605 MW调节,合成氨产量在600~2 000 t/d调节。200 MWe煤富氧燃烧发电系统与8万m3/h CO2捕集、3 600 MW光伏、72万m3/h电解水制氢、2 743 t/d甲醇合成(CO2加氢制甲醇)构成的耦合系统,可以实现上网电功率在60~3 660 MW调节,甲醇产量在823~2 743 t/d调节。在这些系统中,煤的转化利用过程是系统稳定可靠运行及灵活调节的基础,可大幅消纳可再生能源的波动。煤与可再生能源二者耦合,实现了各自单独运行时难以同时实现的低碳与稳定的双重目标。同时绿氢副产O2的有效利用可有效降低传统IGCC及富氧燃烧的成本。煤与可再生能源及绿氢耦合的煤基零碳/低碳综合能源中心具有很好的发展前景,将在我国碳达峰、碳中和战略目标的实现过程中发挥重要作用。适应可再生能源波动性的PEM电解水制氢技术、H2大规模低成本储存技术、CO2加氢制甲醇技术、燃气轮机燃用H2技术等还有待进一步大型化并大幅降低成本,以促进煤基零碳综合能源中心在未来的大规模应用。
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    洁净煤技术
    2022年第11期
    334
    257
  • 作者(Author): 邹仁杰, 罗光前, 吕敏, 方灿, 王莉, 付彪, 李泽华, 李显, 姚洪

    摘要:煤炭清洁高效利用是推动我国能源结构低碳绿色转型的重要途径。重金属作为燃煤主要污染物之一,对人类及生态环境危害巨大,目前美国已开始执行燃煤电厂重金属排放标准,主要通过选煤技术降低重金属源头生成以实现达标排放。我国煤炭用量大、部分煤种重金属含量高、地区差异大,亟需开发符合我国国情的重金属控制技术。以挥发性强、毒性高的3种典型重金属砷、硒、铅为对象,总结了国内外燃煤电厂重金属排放现状及控制技术进展。我国煤电污染物超低排放技术路线对重金属具有一定的协同控制效果,其中硒较多以气态形式存在,集中在湿法烟气脱硫系统内洗涤脱除,砷、铅主要附着于颗粒物上,除尘器对其具有协同捕集效果,但仍存在痕量气态硒传质驱动力差、细颗粒态砷、铅易穿透等瓶颈问题,严重制约了重金属的稳定高效捕集。“转化与固定”是重金属控制的总体思路,即通过化学组分调控与物理流场优化等方式,促进烟气重金属由细颗粒态、气态向粗颗粒态,由高毒性向低毒性转变,以实现重金属的无害化处理。基于该思路,目前已形成了一系列燃煤电厂重金属全流程控制技术,根据作用阶段可分为炉前、炉中、炉后3类,主要包括选煤、煤种调配、炉内吸附剂、凝并、脱硫塔内构件优化等技术。此外,燃煤副产物(脱硫石膏与废水)中重金属的稳定化问题需额外关注,可通过浆液原位固化或先进废水处理技术,降低副产物中重金属的环境释放风险,以上部分技术已通过中试或实际机组试验验证,具备较好的推广应用前景。为进一步发展燃煤重金属控制技术,提高我国重金属污染治理水平,对重金属控制技术发展进行展望:应开发实际燃煤中痕量重金属在线连续检测技术,实现重金属浓度实时获取;剖析多机制耦合作用下重金属转化行为与动力学特性,明晰复杂烟气条件下重金属详细迁移机制;建立燃煤重金属控制技术的评估体系,根据电厂特征、目标重金属、技术成熟度、经济性、环境风险等,提供具有针对性的重金属控制方案。
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    洁净煤技术
    2022年第10期
    328
    121
  • 作者(Author): 王萍萍, 赵永椿, 张军营, 熊卓

    摘要:碳计量是碳交易市场稳定发展的基石,是国家制定碳减排政策的数据依据。燃煤电厂作为我国最大的碳排放源之一,准确量化燃煤电厂碳排放量对我国双碳目标的达成具有重要意义。首先,介绍了国内外碳核算标准及相关政策,欧美等发达国家发展较早,初步形成了各自的碳排放计量方法体系。美国火电厂主要采用实测法核算碳排放量,将相关技术标准和规范写入法规,规定25 MW以上燃煤机组必须采用实测法并上交温室气体强制性报告;欧盟目前的碳计量采用核算法和实测法并行,根据电厂碳排放量划分层级并规定不确定度要求,同时欧盟的碳交易市场发展迅速,为其他国家碳交易市场建设提供参考。相比欧美等发达国家,我国目前尚缺少完整的碳核算体系,实测法处于初步发展阶段,缺少碳核算数据库,标准体系有待完善。其次,基于核算法和实测法分别介绍了目前燃煤电厂碳计量的排放因子法、物料衡算法、实测法、生命周期法和模型法的发展现状,并对其优缺点和适用范围进行总结。排放因子法应用范围最广,计算过程较简单,但直接运用IPCC指南的排放因子缺省值计算我国燃煤电厂碳排放误差较大;物料衡算法利用碳平衡计算燃煤电厂碳排放量,但计算中间过程较多,需完整数据才可获得准确的碳排放量;实测法与其他计算方法不同,可直接测量烟气流量与烟气中CO2浓度,在我国政策推动下快速发展;生命周期法可加入电力生产阶段的上下游碳排放,故可扩大核算边界;模型法可直接预测碳排放量或元素碳含量,弥补关键核算数据缺失问题。论述了核算法和实测法数据对比现状,阐明核算法的主要误差来源为排放因子和净热值等数值的选取与测量,实测法的主要误差来源为烟气流量和CO2浓度测量,实测法的精度一般高于核算法。最后,从碳交易市场发展、不确定来源探究、碳排放政策法规制定等方向进行展望,以期为制定中国特色的燃煤电厂碳排放计量方法体系提供参考。
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    洁净煤技术
    2022年第10期
    441
    373
  • 作者(Author): 徐连兵

    摘要:在全球能源向清洁化、低碳化、智能化发展的趋势下,发展氢能源产业已成为当前能源技术变革的重要方向,对我国实现新时代能源转型意义重大。基于此,对我国氢能源利用前景与发展战略开展系统研究。首先,结合我国氢能源产业链特点,从制氢、储氢、用氢等方面阐述了我国氢能源发展现状,在制氢方面,我国每年氢气产能约4 100万t、产量约3 342万t,是全球最大的产氢国;在氢气储运方面,由于应用规模小、技术装备水平低等因素,我国氢能源运输能力建设严重滞后,与国外存在显著差距;在加氢站建设方面,我国已建成运营加氢站127座,加氢站的设计、建设以及三大关键设备均实现国产化;在用氢产业方面,我国在交通领域、发电领域以及其他信息领域得到一定程度的商业化应用,特别是氢燃料电池产业得到快速发展。其次,对我国氢能源利用存在主要问题进行了深入分析,认为当前我国氢能源产业集群发展初见成效,但与国际氢能源发展相比,我国氢能源开发利用面临严峻挑战,特别是在燃料电池技术发展、氢能源产业装备制造等方面,缺少立足长远的国家氢能源发展战略与综合规划,亟待从发展战略与规划、基础研究、应用研究、产品开发、规范标准、性能测试、技术实证、商业创新等方面全面研究与布局。最后,对我国氢能源利用前景与应用场景进行系统分析,提出推进氢能源利用的战略举措和建议:在战略举措方面,一是要契合国家战略,坚持规划引领,做好氢能源产业发展战略规划;二是应突出平台效应,协同创新发展,发挥好各类核心氢能源产业化平台作用;三是要加强科技创新,深化产学研合作,加强协同创新,充分发挥科技创新在全面创新中的引领作用;四是健全人才机制,打造核心优势,充分调动科技人员的积极性和创造性。在政策建议方面,需进一步强化氢能源在国家能源体系中的重要地位,加强核心技术自主研发与技术标准体系建设,因地制宜选择氢能源产业发展路线,并适当引导国有资本在氢能源产业的优化布局,确保我国氢能产业的健康持续发展。
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    洁净煤技术
    2022年第09期
    493
    377
  • 作者(Author): 陆诗建, 贡玉萍, 刘玲, 康国俊, 陈曦, 刘苗苗, 张娟娟, 王风

    摘要:CO2排放量迅速增加,严重威胁人类生存环境及气候变化,如何减少碳排放量是关注热点。化学吸收法是捕集CO2的主要方法之一,其脱除CO2的实质是利用碱性吸收剂溶液与烟气中CO2逆向接触并发生化学反应,形成不稳定盐类,而盐类在一定条件下会逆向分解释放出CO2而再生,从而实现CO2从烟气中分离脱除。以醇胺溶液为吸收剂的化学吸收法技术开发相对成熟,且分离效果好、操作简单,在电力、钢铁、水泥、化工等行业得到广泛应用。醇胺溶液是化学吸收法的核心,目前应用于工业减排的醇胺溶液包括一级醇胺溶液、二级醇胺溶液、三级醇胺溶液以及空间位阻胺等。综述了4种典型的醇胺溶液和低浓度烟气吸收法胺液的国内外研究现状,介绍了国外三菱重工的KM-CDR工艺、壳牌康索夫脱硫脱碳工艺、陶氏化学Ucarsol溶剂的配套工艺、西门子氨基酸盐溶液的配套工艺、Powerspan的ECO2工艺,同时对阿尔斯通的富氧燃烧技术进行了总结;国内在碳捕集方面研究时间较短,在“双碳”计划推动下,碳减排成为近年来国内研究的重点和热点,论述了浙江大学、华北电力大学、北京化工大学以及中国矿业大学等高校和研究院的研究成果,调研结果表明国外应用规模达到百万吨级,国内技术水平接近,可达10万t级,应用规模尚有较大差距;目前,化学吸收法已有工业应用,国内已建成多个碳捕集示范工程,系统介绍了华电句容电厂1万t/a CO2捕集示范工程、国华锦界电厂15万t/a CO2捕集示范工程以及胜利油田4万t/a 燃煤CO2捕集与驱油示范工程等典型案例。当前国内外燃煤电厂CO2捕集示范工程的规模总体较小,仅有3项百万吨级示范工程,其中中石化建成了我国首套百万吨级的碳捕集项目,这对我国碳捕集行业的发展具有里程碑意义。在有机胺捕集CO2领域,应重点在吸收剂再生能耗与降解性降低、捕集系统热能综合利用与回收、高通量CO2捕集吸收反应器研制以及吸收剂逃逸控制等方面开展研究,开发低能耗、低损耗、低成本CO2捕集技术,推进多行业工程示范,为燃煤烟气CO2捕集技术规模化推广奠定基础。
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    洁净煤技术
    2022年第09期
    841
    408
  • 作者(Author): 涂智芳, 魏建文, 周小斌

    摘要:基于有机胺的化学吸收法是燃烧后CO2捕集行之有效的技术之一。然而,传统有机胺法的高再生能耗使其工业推广及应用受限。为降低CO2捕集能耗,相变吸收剂应运而生。该类吸收剂吸收CO2后由均相变为互不相溶的两相,CO2主要富集于其中一相,仅需分离CO2富相用于再生,即可大幅减少再生体积进而降低吸收剂捕集CO2的再生能耗。相变吸收剂包括液-液相变吸收剂和固-液相变吸收剂,后者的CO2吸收产物能以固体形式从溶液中沉淀析出,可实现产物快速分离,成为近年来相变吸收剂的研究热点。根据吸收剂的组分构成,固-液相变CO2吸收剂主要可归为3类:有机胺非水溶液、盐溶液和离子液体固-液相变吸收剂。有机胺非水溶液以有机胺作为吸收活性组分、有机溶剂充当相分离剂,具有吸收速率快、腐蚀性小的优点,但其吸收CO2后固相产物易形成黏稠胶状物且再生较困难;盐类固-液相变吸收剂主要包括氨基酸盐和碳酸盐水溶液或贫水溶液,具有成本低、原料易得的优点,但现有盐类相变吸收剂的固-液相变特性及相分离效率有待进一步改善;离子液固-液相变吸收剂主要有常规离子液(溶剂)/有机胺(活性组分)和功能化离子液(活性组分)/有机试剂(溶剂)2种体系,具有热稳定性好和再生效率高等特点,但离子液体合成较复杂且使用成本较高。总之,相比于传统有机胺吸收剂,固-液相变CO2吸收剂具有较大的节能潜力,有望为高效低能耗的CO2捕集提供新的选择。目前固-液相变CO2吸收剂的开发还处于试验研究阶段,要推动其实际应用,今后的工作应侧重于吸收剂的构建方法、相变机制、热力学、动力学及工艺优化等问题的研究。
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    洁净煤技术
    2022年第09期
    244
    120
  • 作者(Author): 张亚婷, 严心娥, 刘国阳, 李可可, 贾嘉

    摘要:石墨烯作为一种结构、性能独特的二维碳材料在CO2还原转化过程中展现出良好的应用前景,寻找石墨烯丰富的碳质前驱体和可控制备方法是实现其大规模应用的基础。煤炭作为一种富碳矿物资源,含有丰富的官能团和高芳香度纳米石墨微晶结构。以煤炭及其衍生物为碳源制备高附加值石墨烯材料具有独特优势,是同时实现煤炭材料清洁化利用和石墨烯低成本实际应用的重要途径。针对不同变质程度煤种,从化学组成和煤质结构出发,通过适当的分子剪裁和化学结构组装,成功实现了系列多尺度、多形态煤基石墨烯材料的可控制备。常用的制备方式包括:机械力剪切、化学插层氧化、电化学剥离、气相沉积、阳极电弧放电及液相自组装等。如通过化学氧化或超声物理剪裁煤大分子结构制备零维石墨烯量子点;煤炭热解得到的含碳烃类小分子气体通过化学气相沉积制备二维石墨烯薄膜;煤炭高温石墨化后通过物理或化学剥离得到二维石墨烯纳米片;二维石墨烯经过结构自组装制备三维石墨烯气凝胶。由于煤基石墨烯的组成及其表界面结构具有易调控、可修饰等特性,其在CO2还原过程中展现出良好的催化活性。通过总结煤基石墨烯系列材料在CO2光催化、电催化以及光电催化转化过程中的最新研究,认为煤基石墨烯通过增大反应活性位点和改变催化剂表面结构,能够有效提高CO2还原过程的效率和选择性。最后,针对煤基石墨烯组成和结构的调控,以及CO2还原催化剂的结构设计进行了展望。
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    洁净煤技术
    2022年第08期
    289
    242
  • 作者(Author): 李鹏鹏, 任强强, 吕清刚, 陈锐

    摘要:在碳达峰、碳中和背景下,水泥等建材行业能耗高、排放高、产能过剩,面临巨大挑战。从水泥行业现有CO2减排技术出发,分析了水泥低碳生产方式的原理和现状,归纳总结了原料替代、燃料替代和熟料替代技术现状。最后结合国内现状和发展规划,对水泥行业低碳技术进行展望。水泥行业现有CO2减排技术包括将低碳原料或工业废弃物代替生料中某些成分的原料替代技术;将低碳排放的清洁燃料应用于水泥生产的燃料替代技术;将有凝胶活性的材料添加到混凝土中以节省熟料使用量的熟料替代技术;应用电能和使用燃料时提升能源利用效率的方法和技术以及颇具前景但尚未大规模应用的碳捕集、封存技术(CCS)。原料替代方式是最有效的低碳生产方式,硅酸盐水泥原料中包含大量石灰石,会在水泥生产过程中分解产生烧制熟料必需的CaO和大量CO2,利用富钙废弃物替代石灰石等高载碳原料,可显著减少CO2排放,同时提供等量的CaO,用以替代的原料包括电石渣、硅钙渣、钢渣、石英污泥及造纸污泥等,其中不同工业废料对于水泥生产不仅可代替石灰石原料,还可能提供额外效益,如硅钙渣能提供硅质原料,钢渣的应用可能改善生料易烧性。应用农林业废弃物提供生产水泥的热量可降低碳排放,将生活垃圾或城市污泥部分代替生产用燃煤还可协同处置废弃物和垃圾,燃料预热技术是将燃料经一次预热后投入生产窑炉中,代替直接投入的燃料,是实现低排放和提升能源效率的有效方法。熟料替代可有效降低碳排放,将矿渣、粉煤灰、火山灰、石灰石、烧黏土等混合型材加入混凝土,利用其本身具有的胶凝活性可发挥部分替代熟料的作用,有利于CO2减排,但我国水泥熟料系数较低,建议国内适当提高水泥的熟料系数。当前技术水平决定了熟料替代应用依然广泛,燃料和生料替代率预期将逐步提高。中期目标是实现替代燃料和替代原料技术的应用能力最大化,CCS技术更成熟,且可全面淘汰落后产能。长期目标是水泥企业可根据政策和生产要求制定有效且经济的减排方案,助力水泥行业实现碳中和。
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    洁净煤技术
    2022年第08期
    331
    187

主办单位:煤炭科学研究总院有限公司 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

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