水泥行业CO2排放特征及治理技术研究

本文系统梳理分析了水泥不同种类和各工序的CO₂排放特征，其中，工艺、燃料直接CO₂排放占比达90%，与物料中碳酸盐的含量正相关，与燃料发热量和利用率负相关，电力间接CO₂排放占比约10%，特种水泥由于减少了碳酸盐分解造成的碳排放，总体碳排放量较低。新型干法水泥生产过程可分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段，工艺和燃料CO₂排放主要发生在熟料煅烧阶段，其尾气中CO₂浓度一般在11%～29%。研究分析了碳替代/碳捕集等控碳技术、CO₂资源化利用技术。水泥厂碳替代主要是原料替代、熟料或水泥替代、燃料替代等，可分别实现减碳10%、25%～50%和30%以上；碳捕集主要有富氧燃烧和烟气CO₂捕集，水泥窑富氧燃烧技术有全氧燃烧和分解炉全氧燃烧技术两种。捕集技术主要采用化学吸收法、固体吸附法；在CO₂综合利用方面，针对水泥厂的特殊应用场景，矿化具有较好的应用效果，如采用混凝土养护技术，制备高附加值的微纳米碳酸钙等。     

危废替代燃料在水泥熟料生产过程中的应用研究

为了实现危废的无害化利用，推动水泥窑协同处置危废，本文将不同种类的危废配伍后作为替代燃料在分解炉内燃烧，并系统研究了危废替代燃料对水泥窑系统运行参数的影响，分析了危废燃料对熟料标煤用量、CO₂排放的影响效果，阐明了危废燃料对熟料性能的影响规律。研究结果表明：经过配伍预处理后的危废可以作为替代燃料在分解炉内燃烧，减少熟料的标准煤耗，实现CO₂的减排。当危废替代燃料的热值控制在7 500～8 500 kJ/kg之间时，其最佳投料量范围在1.6～2.7 m³/h，最大节煤量达到1.59 kg/t.cl,CO₂最大减排量为4.39 kg/t.cl。增加危废替代燃料的单位热值，降低其含水率，可以节约更多的熟料煤耗，实现CO₂的进一步减排。合理的投加量下，危废替代燃料燃烧后，对窑系统的工艺参数和熟料质量没有负面影响。     

水泥分解炉煤/生物质耦合预热特性试验

在干法水泥生产技术中，分解炉内燃料燃烧和原料分解对水泥质量和污染物排放有重要影响。与燃料直接注入分解炉燃烧相比，燃料经循环流化床预热处理后再注入分解炉燃烧不仅可以提高分解炉内燃烧性能，减少有害气体排放，同时预热处理也可以增加水泥分解炉的燃料适应性。主要研究煤与生物质混合燃料在进入分解炉前由循环流化床预热后的预热特性，即不同因素对固相预热燃料和煤气的影响。研究表明：氧碳比(单位时间内O₂与C的摩尔质量比)的增大会导致预热炉内反应和颗粒碰撞更为剧烈，导致预热燃料粒径减小；同时氧碳比增加会使煤和稻壳耦合预热产生的焦炭灰分增加，其他组分减少；外热源升温可明显提升CO、CH₄、H₂等煤气有效燃烧组分的生成，提高固相燃料中各组分的转化率。     

13X分子筛耦合四丁基溴化铵促进剂作用下CO2/H2水合物形成动力学

水合物法捕集CO₂技术因其清洁环保、工艺简单等优点成为研究热点。但气液传热传质速度慢导致的形成速率慢、储气能力低等关键问题亟待解决。利用13X分子筛耦合四丁基溴化铵（TBAB）促进剂在279.15～280.65K、3.0～6.0MPa研究了CO₂/H₂（39.8% CO₂/60.2% H₂）水合物的形成过程的压降曲线和气体消耗量,并对比分析了TBAB浓度、压力对其促进效果的影响。实验结果表明,与采用搅拌方式的TBAB/CO₂/H₂水合物形成过程相比,13X分子筛可显著提高TBAB/CO₂/H₂水合物的压降速率和气体消耗量。在279.15K、3.0MPa,随着TBAB溶液浓度增大,CO₂/H₂水合物形成过程的气体消耗量先增大后减小;而当温压条件为280.65K、3.0MPa时,气体消耗量随耦合促进剂中TBAB浓度变化仍遵循类似规律。此外,13X分子筛耦合TBAB促进剂对CO₂/H₂水合物压降速率和气体消耗量的影响随着实验压力升高而升高。     

半导体复合材料光催化还原CO2的研究进展

光催化还原CO₂是实现碳循环的一种绿色的、环保的能源转化方式,该方法可以有效的将CO₂气体转化为可再生燃料,缓解能源危机和全球变暖问题。综述了半导体复合材料光催化还原CO₂为可再生碳氢燃料的研究进展,介绍了光催化还原CO₂的反应条件和光催化机理,并对已报道的不同类型半导体复合光催化材料进行分类,如“单一半导体型”、“金属/非金属掺杂半导体型”、“半导体复合型”和“碳材料–半导体复合型”。评述了各种半导体复合光催化材料的优缺点及其光催化性能的影响因素。在此基础上,进一步展望了半导体复合光催化材料催化还原CO₂的发展前景。     

CO2-空气微通道蒸发器两相区熵产分析

微通道已成为换热器研究领域的热点,以CO₂微通道蒸发器为研究对象,建立了CO₂微通道蒸发器两相区内、外侧均有相变的熵产模型,通过建立的CO₂微通道蒸发器二维分布参数模型求解系统熵产数.分析CO₂与空气侧质量流率、空气入口温度及CO₂蒸发温度对系统熵产数的影响.结果表明:CO₂质量流率对系统熵产数影响很小;系统熵产数主要由CO₂与空气两侧温差传热引起;系统熵产数随空气入口温度的增大而增大,随CO₂的蒸发温度的增大而减小;随着空气质量流率的增大,系统熵产数增大,且蒸发温度越高,空气质量流率对系统熵产数的影响越大.     

典型现代煤化工过程的二氧化碳排放比较

基于低碳经济发展的要求,对几种典型煤化工过程中的CO₂排放情况进行了分析,提出科学比较现代煤化工过程的CO₂排放量。对于煤制烯烃、煤制乙二醇等煤基化学品而言,使用单位热值CO₂排放量作为评价指标并不合适。基于煤基燃料产品和化学品的不同特点,结合我国碳排放强度的控制目标,本文探索采用单位产值CO₂排放量和单位工业增加值CO₂排放量作为补充指标,用以比较研究不同现代煤化工过程的低碳水平和碳排放强度。研究结果表明,用不同的指标来衡量比较现代煤化工过程的CO₂排放量,得到的结果不同。煤制甲醇、煤制二甲醚的吨产品CO₂排放量虽然较低,分别为3.85t和5.0t,但单位热值CO₂排放量较高,分别为0.159t/GJ和0.160t/GJ。在80美元/bbl和40美元/bbl的原油价格体系下,煤制天然气和煤制甲醇的单位产值和单位工业增加值CO₂排放量均高于其他现代煤化工产品。     

水泥窑二氧化碳在线监测计量的研究与探索

在推进国家“双碳”发展战略中，CO₂排放数据的质量已经成为全社会关注的焦点，准确、客观、实时且具有公信力的碳排放数据是碳交易运行的重要基础。核算法和在线监测法是目前国际上通用的两种碳排放计量方法。本文立足于水泥工业领域，从计量学的角度开展了排放端CO₂在线监测计量的初步研究与探索。该系统运行半年多的效果表明，CO₂在线监测数据及其有关参数的准确性和溯源性较为理想。     

石墨烯基复合材料光催化还原二氧化碳研究进展

化石燃料的燃烧产生的二氧化碳（CO₂）所引起的温室效应已成为全球性问题。利用太阳光催化还原CO₂,不仅可以降低温室效应的危害,还可以提供碳氢燃料,缓解能源短缺问题。石墨烯作为一种新型的光催化剂载体材料,近年来受到越来越多人的关注。综述了近年来石墨烯基复合材料光催化还原CO₂的研究进展,并对今后的研究重点做出了展望。     

基于SOFC/GT/TCO2复合动力循环和溴化锂制冷机的冷热电联供系统性能

提出了一种新型冷热电联供系统,通过TCO₂循环和溴化锂制冷机回收SOFC/GT循环的排烟余热,实现对外供冷、供热和供电。建立了联供系统热力性能的数学模型,对系统进行了能量分析和（火用）分析,并研究了空燃比、SOFC压力、CO₂工质流率、CO₂工质分流比和TCO₂泵出口压力对系统性能的影响。研究结果表明,在额定工况下,系统的净发电效率为70.79%,系统总（火用）效率为68.29%,综合能源利用率为108.5%。增大空燃比、CO₂工质分流比或降低SOFC工作压力、CO₂工质流率和TCO₂泵出口压力可提高联供系统的综合能源利用率;增大SOFC工作压力、TCO₂泵出口压力或降低空燃比可提高联供系统的净发电效率和总（火用）效率,随CO₂工质流率和CO₂工质分流比的增大,净发电效率和总（火用）效率先降低后增大。     

典型核电国家温室气体排放现状

通过分析全球能源消费数据和核电数据,得到了核电发展最快、核电反应堆关闭最快、核电装机量最大和核电占比最大等特征的典型核电国家。对这些国家的能源结构、电力组成、CO₂排放和核电减排作用进行了深入研究。通过研究得到:电力是各国CO₂排放的主要源头,但单位发电量的CO₂放电量均呈逐年下降趋势,这和各国能源结构调整存在密切关系;美国是人均CO₂排放第一大国,但韩国人均CO₂排放量增速最快;基于煤电CO₂排放因子,2011年全球核电CO₂年减排量约占全球年总排放量8.3%,而中国核电CO₂年减排量占国内总排放量的1.1%。     

Review of solvent based carbon-dioxide capture technologies

Currently, a large proportion of global fossil fuel emissions originate from large point sources such as power generation or industrial processes. This trend is expected to continue until the year 2030 and beyond. Carbon capture and storage (CCS), a straightforward and effective carbon reduction approach, will play a significant role in reducing emissions from these sources into the future if atmospheric carbon dioxide (CO₂) emissions are to be stabilized and global warming limited below a threshold of 2 °C. This review provides an update on the status of large scale integrated CCS technologies using solvent absorption for CO₂ capture and provides an insight into the development of new solvents, including advanced amine solvents, amino acid salts, carbonate systems, aqueous ammonia, immiscible liquids and ionic liquids. These proposed new solvents aim to reduce the overall cost CO₂ capture by improving the CO₂ absorption rate, CO₂ capture capacity, thereby reducing equipment size and decreasing the energy required for solvent regeneration.     

Chemical Effects of CO2 Concentration on Soot Formation in Jet-stirred/Plug-flow Reactor

Soot formation was investigated numerically with CO2 addition in a jet-stirred/plug-flow reactor （JSR/PFR） C2H4/OJN2 reactor （C/O ratio of 2.2） at atmospheric pressure. An updated Kazakov mechanism empha- sizes the effect of the O2/CO2 atmosphere instead of an O2/N2 one in the premixed flame. The soot formation was taken into account in the JSR/PFR for C2H4/O2/N2. The effects of CO2 addition on soot formation in different C2H4/O2/CO2/N2 atmospheres were studied, with special emphasis on the chemical effect. The simulation shows that the endothermic reaction CO2 ＋ H - CO ＋ OH is responsible of the reduction of hydrocarbon intermediates in the CO2 added combustion through the supplementary formation of hydroxyl radicals. The competition of CO2 for H radical through the above forward reaction with the single most important chain branching reaction H ＋ O2, ＇ O ＋ OH reduces significantly the fuel burning rate. The chemical effects of CO2 cause a significant increase in residence time and mole fractions of CO and OH, significant decreases in some intermediates （H, C2H2）, polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs, C6H6 and CI6H10, etc.） and soot volume fraction. The CO2 addition will leads to a decrease by only about 5% to 20% of the maximum mole fractions of some C3 to Clo hydrocarbon intermediates. The sensitivity analysis and reaction-path analysis results show that C2H4 reaction path and products are altered due to the CO2 addition.     

铜基硫族化合物电催化二氧化碳还原制甲酸盐的研究进展

因电催化二氧化碳还原反应（CO₂ reduction reaction,CO₂RR）助于降低大气二氧化碳浓度缓解环境问题,还可以生产高附加值化学品,引起了广泛关注。甲酸盐作为二氧化碳电还原的重要产物之一,在化工、燃料电池等领域广泛应用。铜基硫族化合物（Cu_xS）由于价格便宜、催化性能优异等优点有着广阔的应用前景,基于此研究者们在纳米结构调控、电解液优化和反应气组分控制等方面展开了大量研究以提升其在电催化CO₂RR中的催化活性和甲酸盐产物选择性。主要从催化剂结构设计、催化影响要素、催化反应机理等多角度综述了近期Cu_xS在电催化CO₂RR领域的研究进展,提出了Cu_xS在CO₂RR领域中主要面临的挑战;展望了Cu_xS族催化剂作为高活性、高稳定性二氧化碳电还原催化剂的发展前景。     

CO2矿化及吸收-矿化一体化(IAM)方法研究进展

为避免温室效应带来的负面影响,CO₂减排已成为目前的当务之急。CO₂矿物碳酸化作为一种有潜力的CO₂减排技术,受到了学者们的广泛关注。CO₂矿物碳酸化方法主要包括直接干法碳酸化、直接湿法碳酸化以及间接碳酸化等不同工艺过程。目前,CO₂直接或间接碳酸化方法面临的关键挑战是提升CO₂碳酸化反应动力学特性;反应速率慢、碳酸化效率较低是当前该技术的主要问题。传统CO₂胺类化学吸收法具有吸收速率快、吸收容量大和吸收剂能循环再生的优点,但能耗和运行成本较高。将CO₂胺类化学吸收法与CO₂碳酸化过程结合而开发的CO₂吸收-矿化一体化技术（IAM）不仅解决了传统工艺高能耗、低转化率的问题,而且使工艺流程简化、成本降低,有利于应用于工业化。本文主要综述了近年来CO₂矿化技术的研究进展,对比了各种工艺技术路线的不同特点,并分析指出加强对IAM工艺反应机理的研究以及开发出高效、经济的吸收剂和矿化原料,将是该工艺未来研究的重点和关键。     

High-efficiency and pollution-controlling in-situ gasification chemical looping combustion system by using CO2 instead of steam as gasification agent

Using CO₂ as gasification agent instead of steam in in-situ coal gasification chemical looping combustion (iG-CLC) power plant can eliminate energy consumption for steam generation, thus obtaining higher system efficiency. In this work, a comparative study of iG-CLC power plant using steam and CO₂ as gasification agent is concentrated on. The effects of steam to carbon ratio (S/C) and CO₂ to carbon ratio (CO₂/C) on the fuel reactor temperature, char conversion, syngas composition and CO₂ capture efficiency are separately investigated. An equilibrium carbon conversion of 88.9% is achieved in steam-based case as S/C ratio increases from 0.7 to 1.1, whereas a maximum conversion of 84.2% is obtained in CO₂-based case with CO₂/C ranging from 0.7 to 1.1. Furthermore the effects of oxygen carrier to fuel ratio (φ) on system performances are investigated. Increasing φ from 1.0 to 1.4 helps to achieve char conversion from 75.9% to 88.9% in steam-based case, by contrast the char conversion can achieve 66.3%-84.2% in CO₂-based case within the same φ range. In terms of iG-CLC power plant, recycling partial CO₂ to the fuel reactor improves the overall performance. Approximately 3.9% of net power efficiency are increased in CO₂-based plant, from steam-based plant. Higher CO₂ capture efficiency and lower CO₂ emission rate are observed in CO₂-gasified iG-CLC power plant, expecting to be 90.63% and 85.18 kg·MW^-1·h^-1, respectively.     

金属氧化物催化CO2与甲醇合成碳酸二甲酯的研究进展

CO₂是主要的温室气体。近年来随着工业的大力发展，CO₂的排放量迅猛增加，严重影响着人类的生存环境。将CO₂转化成有价值的化工产品，受到了研究领域的广泛关注。其中将CO₂与产能过剩的甲醇作为原料，生产碳酸二甲酯（DMC），既能减少CO₂排放，又能产生有价值的绿色产品DMC。本文简述了影响CO₂转化的因素，即受热力学限制和CO₂活化困难；重点介绍了具有酸碱活性中心的金属氧化物ZrO₂、CeO₂以及复合金属氧化物催化剂的催化性能和反应机理，并分析了影响催化活性的主要原因：表面酸碱性能决定了催化活性；进一步分析了催化剂表面的酸碱性来源于Lewis酸碱位和Br?nsted酸性位。对于开发高效的金属氧化物催化剂未来的研究方向提出了展望: 通过调控催化剂的晶相和形貌、增加氧空位和羟基官能团、掺杂碱性或者酸性物种来改变催化剂表面的酸碱性，并且向催化系统中添加脱水剂。最后指出了由于CO₂分子的稳定性很难被活化，需进一步深入研究其活化CO₂的机理，提高CO₂的转化率。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

不同CO2捕集技术的CO2耦合绿氢制甲醇工艺研究

大量的化石燃料燃烧导致温室气体排放增加,全球气候变暖。世界各国以全球协约的方式减排CO₂,我国也由此提出“碳达峰·碳中和”目标。CO₂捕集以及转化制液体燃料和化学品是双碳目标下行之有效的碳减排措施之一,不仅可以实现CO₂的资源化利用,同时也缓解了国家能源安全问题。本文以燃煤电厂烟气CO₂捕集和CO₂合成甲醇为研究对象,分析了基于四种不同CO₂捕集技术的CO₂耦合绿氢制甲醇工艺。对四种不同CO₂捕集技术的CO₂制甲醇工艺进行了严格的稳态建模和模拟,分析和比较了不同CO₂捕集技术情景下的CO₂制甲醇工艺的技术和经济性能。结果表明,MEA、PCS、DMC和GMS情景的单位甲醇能耗分别是7.81、5.48、5.91和4.66 GJ/ t CH₃OH,GMS情景的单位能耗最低,其次是PCS情景,但随着更高效相变吸收剂的开发,PCS情景的单位甲醇产品的能耗将降低至2.29~2.58 GJ/t CH₃OH。四种情景的总生产成本分别是4314、4204、4279和4367 CNY/ t CH₃OH,PCS情景的成本最低,更具有经济优势。综合分析表明PCS情景的性能表现最好,为可用于燃煤电厂最佳的碳捕集技术,为CO₂高效合成燃料化学品提供方向,缓解化石燃料短缺和环境污染问题。     

Carbon dioxide sequestration in petrochemical industries with the aim of reduction in greenhouse gas emissions

The mitigation of greenhouse gas emissions to acceptable levels is arguably the greatest environmental challenge these days. Vast utilization of fossil fuels and forest destruction are main causes of CO₂ increase in the atmosphere. Carbon dioxide sequestration that consists of separation, transportation and utilization or storage of CO₂, is one way for reduction of its emission, in which the most costly section is separation. Different methods can be used for carbon dioxide separation such as absorption, membrane separation, adsorption and cryogenic distillation. Economic, technical and environmental issues should be considered in selection of the technology for particular application. Carbon dioxide concentration, temperature, pressure and flow rate are influential operating parameters in the selection of the appropriate separation method. Nowadays, absorption is the worldwide industrial separation method. New researches are focused on developing new stable solvents and efficient column configuration with suitable internals to minimize pressure drop. Membrane separation and adsorption (PSA type) are other long-term alternatives that can increase separation efficiency and decrease separation cost. The level of energy consumption in various separation methods are in the order: chemical absorption>physical absorption>membrane separation. Because of high investment costs, current separation technologies are suitable for large concentrated sources. In the present paper, different processes for carbon dioxide separation are investigated and compared. Available technologies and commercial plants for CO₂ sequestration are provided.