CO2的能源化利用技术进展与展望

在当前碳中和背景下,人类向着"少碳、用碳与无碳"的CO2减排之路前行.CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)作为最直接的"碳中和"技术策略,为促进大气CO2净减排发挥了重要作用.然而,当前CCUS技术普遍面临着低效率、高能耗、高成本的技术难题,限制了该类技术的大规模应用与推广.近年来,随着可再生电能的不断发展,CO2减排与能源体系耦合的电池技术、储能技术应运而生,这类CO2能源化利用技术有望解决当前CCUS技术体系高能耗、高成本的技术难题,同时,有利于新能源的周期性消纳.然而,在这类CO2能源化利用技术中,主要是将CO2作为一种能源介质,对外输出的能量并非来自CO2本身;但是,CO2转变为碳酸盐的过程是化学位降低的反应过程,意味着CO2本身也是一种潜在的能源.作者利用这一热力学有利的反应,成功开发了利用CO2本身蕴含的能量进行深度发电的CO2矿化发电技术,并将CO2矿化电池的最大功率密度提升至了96.75 W/m2.     

天然钾长石-磷石膏矿化CO2联产硫酸钾过程评价

利用工业固废磷石膏热活化天然钾长石矿化CO2是一种减排CO2、消除工业固废并联产高价值硫酸钾的新方法。通过耦合热活化钾长石及CO2矿化过程,研究了新工艺的技术条件。通过单因素实验确定了最优化操作条件,并对最优条件下操作过程进行了评价。结果表明,钾长石/硫酸钙质量比1:2,焙烧温度1200°C,焙烧时间2 h,矿化温度100°C,初始CO2压力4 MPa为最佳工艺参数,此时提钾率为~87%,矿化率为~7.7%。新工艺在经济上可行。     

微藻吸收利用CO2的影响因素及吸收能力研究

为了研究微藻吸收CO2的优化条件,提高微藻对CO2的吸收利用率,设计了微藻吸收CO2反应装置,研究了在自然光照条件下体系初始pH值、光照强度、入口CO2浓度及微藻初始浓度4个因素对微藻吸收CO2的影响.实验结果表明,在体系初始pH值控制在9.0左右、光照强度1.5×104lux、入口CO2浓度10%和微藻初始浓度控制在1 000 mg/L条件下,反应体系吸收CO2的能力最强,装置对CO2的吸收量可达1.73 g/(L.d),微藻利用CO2的效率为8.24 g/(g.d).利用微藻吸收CO2既可减少碳排放,又可实现碳利用(产生生物质),是很有实用价值的减排技术.     

提高CO2封存强度的多层协同抽注技术

我国已提出2030年碳达峰、2060年碳中和的碳减排目标,提高CCUS技术发展水平与商业化规模,是实现我国碳减排目标的关键所在。“十四五”规划已明确提出要开展碳捕集利用与封存（CCUS）重大项目示范。然而,由于我国大多数CO2储层的低渗透、非均质等特征,导致单一储层的CO2封存能力有限,无法满足CCUS重大项目示范所需的CO2地质封存量。本研究首次提出以CO2封存强度（单位土地面积的CO2封存量）作为评价CCUS项目储层封存能力的关键指标,并计算了我国主要CO2咸水层封存和CO2强化驱油场地的CO2封存强度。计算结果表明,现有CO2咸水层封存和CO2强化驱油项目的封存强度大多在105 t/km2以下,无法满足我国双碳目标的需要。为显著提高CO2封存强度,本研究提出了CO2多层协同抽注技术的概念,通过注入井在多个储层射孔注入CO2,并利用抽水井从多个储层中抽出咸水,实现储层可用孔隙和储层压力的最优化调控,最终实现CO2封存强度的大幅度提高。为研究CO2多层协同抽注技术的效果,本文利用T2Well模拟软件,构建了三种CO2多层统注的数值模型,模拟了CO2定压注入过程,分析了注入60天后储层压力分布、储层内CO2饱和度分布以及CO2累计注入量。模拟结果表明,在多层抽注协同条件下,储层压力聚集现象有明显缓解,从而降低了封存区域因压力聚集导致的力学不稳定性。通过分析CO2饱和度可知,CO2注入后在抽注井间压力差的驱使下,羽流将向抽出井偏移;此外,受岩石性质的影响,羽流形状和范围略有差异。根据三种条件下的模拟结果,计算CO2封存强度可知,非均质砂岩条件下多层协同抽注的封存强度最高达到111.5×104 t/km2,远大于现在已实施项目的封存强度。因此,多层协同抽注技术将大大提高CO2封存强度,有利于节约我国国土资源,并可促进CO2封存技术的推广。     

在Shell炉粉煤输送中模拟CO_2取代N_2的工艺研究

根据目前减排的理念,以某煤化公司的甲醇生产项目为依托,对在Shell炉粉煤输送中模拟CO2取代N2的工艺进行研究.采用平衡常数法研究体系中的复杂反应,通过部分简化建立模型,建立起CO2返回工艺体系,并考察了耗碳量,单位耗碳内的甲醇产量,出口有效气含量(CO+H2)的影响.通过模拟得到的结果表明,CO2返回工艺对各操作条件是有影响的,致使单位耗碳内的甲醇产量下降,但对于CO2减排却是有利的,而且合成气品质优于纯氮气的生产工况.以降低一定甲醇的产量为代价来减少CO排放,获得较好的社会效益是可取的.     

全球二氧化碳减排不应是CCS，应是CCU

提出了二氧化碳减排的CCU(Carbon Dioxide Capture and Utilization—CCU)新理念,系统分析了全球现在非常重视和关注的CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage—CCS)存在投入较大的经济问题以外还存在比较大的CO2泄露、咸水层破坏、地表拱起和诱发地震等潜在风险。因此作者提出二氧化碳减排不应是CCS而应该是CCU,即在低能耗低成本条件下,利用CO2矿化转化天然矿物和固体废物联产出高附加值的化工产品,将CO2作为一种资源,真正实现CO2的高效利用。作者已探索形成了可行的技术方法,包括氯化镁矿化CO2联产盐酸和碳酸镁、固废磷石膏矿化CO2联产硫基复合肥等技术。研究表明在人类可利用的范围内,利用地壳中1%的钙、镁离子进行CO2矿化利用,理论上以50%的转化率来计算,可矿化约2.56×107亿吨CO2,按照全球2010年的CO2排放量约为300.6亿吨,可满足人类约8.5万年的CO2减排需求。同时中国的磷石膏固废每年产出约5 000万吨,利用其中的钙离子进行CO2矿化,每年可消耗CO2约1 250万吨。作者提出的CO2矿化利用的CCU新理念和技术路线,在实现CO2减排的同时,由于高附加值产品的生成,总体经济效益分析具有较好的利润空间,是真正能够开展规模化工业化应用的二氧化碳减排方法。     

河北省电力行业CO2减排潜力研究

从碳减排潜力的评价方法入手,通过对河北省的火力发电及新能源和可再生能源发电的CO2减排量的计算,得出河北省电力行业的CO2减排潜力。结果表明,从2006年到2012年,河北省电力行业的碳减排潜力可达356.2万t,是河北省实施CDM项目的重点领域。     

基于技术经济学的碳捕集系统参数影响分析及优化

在燃煤机组中添加碳捕集设备是现阶段实现CO2减排的有效途径,但是碳捕集设备的添加往往造成机组能耗和成本的显著增加。从碳捕集系统仿真模型和碳捕集机组耦合系统出发,基于技术经济学方法,分析了碳捕集系统主要参数对再生能耗、发电成本以及捕碳成本的影响,选取了碳捕集系统最佳运行参数。结果显示捕集率在85%的情况下,贫液负荷为0.24 mol/mol、MEA溶液浓度为30%、再生塔压力为0.19 MPa、贫液入口温度为40℃时碳捕集系统运行状态最佳,此时再生能耗为3.963 GJ/t CO2,发电效率为35.450%,发电煤耗为346.979 g/k W·h,发电成本为0.564$/k W·h,捕碳成本为299.417$/t CO2。     

区域减污降碳协同控制研究——以重庆为例

在我国面对实现碳达峰碳中和与环境根本好转双目标的背景下，重庆市作为西部大开发的重要战略支点，有责任有义务率先实现减污降碳，助力国家生态文明建设。CO2和大气污染物的排放过程复杂，涉及要素众多，因而有必要明确影响两者排放的关键因素，为重庆市实现减污降碳协同控制提供科学参考。本文以对数均值除法指数模型（LMDI）为基础构建出扩展的LMDI-CO2模型和LMDI-AP模型，并以2011-2020年重庆市CO2排放和工业SO2排放为对象进行实证分析，定量评估各因素对重庆市CO2和工业SO2排放变化的影响效果。同时，根据重庆市经济社会、能源环境历史发展情况挖掘各因素的影响机制，归纳协同减排的关键因子，探究出重庆市减污降碳协同控制机制。结果显示，2011-2020年，经济发展效应是推动重庆市CO2排放增加的首要因素，贡献率达245.59%；能源强度效应对CO2减排的贡献最大，贡献率为-210.51%；此外，产业结构优化也为CO2减排做出贡献。工业经济发展是推动重庆工业SO2排放的主导因素，贡献率为64.47%；其他因素均为SO2减排做出贡献，其中能源强度和结构效应贡献率分别为-42.65%和-6.31%。可见，随着经济的发展、人口规模的扩大和生活水平的提高，重庆市CO2和污染物减排的压力将会增大，“高碳化”能源结构制约着两者减排，提高能源效率和优化产业结构对实现“双减”起着关键作用。因此，降低能源强度、升级产业结构、优化能源结构是未来重庆市实现减污降碳协同控制的重要途径。     

氢经济、CO2减排与氢碳经济

近期和未来一个时期内制氢将主要依靠化石燃料,因此也就存在一个潜在的CO2排放问题.常规的CO2收集和储存方法不仅成本高,而且从生态方面来讲也不是一个可靠的解决方法.旨在探索化石燃料制氢所涉及的能源和环境问题的解决方法,探讨了大规模催化分解天然气制氢和碳的技术性、环保性和经济性等方面的问题.碳产品主要被用于建筑材料、直接碳燃料电池发电、土壤改良和环境治理等方面.以化石燃料为基础的"氢-碳"经济格局为目前的碳氢化合物经济到未来最终的可再生氢能经济提供了一个平稳的过渡.     

多维度视角下CO2捕集利用与封存技术的代际演变与预设

“双碳”目标背景下,亟需深刻了解二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术及其未来在中国发展的前景,从时间、空间以及技术链三个维度对CCS的历史演变、现状以及未来走向进行总结与展望很有必要（意义重大、）。时间维度上,从1950年至2050年,可划分为技术孕育阶段（1950~1980年）、诞生与发展阶段（1980~1995年）、研发与示范阶段（1995~2020年）、实施阶段（2020~2030年）以及商业化阶段（2030~2050年）。空间维度上,CCUS技术水平处于领先地位的国家主要分布在发展时间较长、整体研发水平较高的北美和欧洲地区,此外,中国、澳大利亚,沙特阿拉伯和巴西也进入了先进行列。技术链方面,CCUS技术代际可划分为三个。在捕集环节,第一代捕集技术可应用于电厂;第二代捕集技术面向电力与工业应用;第三代能耗、运行成本以及维护费用均能降低至第一代的50%左右。在输送环节,第一代CO2输送技术突破流动、扩散规律,腐蚀材料控制,泄漏影响评估,监测报告核实工具等;第二代CO2输送技术集中于大规模管网开发、标准规范制定;第三代可应用于大规模国家和国际管网。在封存环节,第一代优先发展地质封存共性技术;第二代针对安全监测、风险管理优化;第三代侧重完整监测与补救措施。目前,我国CCUS总体水平处于研发和示范的初期阶段,与其它领先水平国家存在一定差距,应加强CCUS领域的国际合作与交流,引进和学习国外CCUS核心技术和实践工程经验,为未来我国大规模全流程CCUS项目的实施做好准备和铺垫。     

Generation of electricity from CO_2 mineralization: Principle and realization

Current CO2 reduction and utilization technologies suffer from high energy consuming. Thus, an energy favourable route is in urgent demanding. CO2 mineralization is theoretically an energy releasing process for CO2 reduction and utilization, but an approach to recovery this energy has so far remained elusive. For the first time, here we proposed the principle of harvesting electrical energy directly from CO2 mineralization, and realized an energy output strategy for CO2 utilization and reduction via a CO2-mineralization fuel cell(CMFC) system. In this system CO2 and industrial alkaline wastes were used as feedstock, and industrial valuable Na HCO3 was produced concomitantly during the electricity generation. The highest power density of this system reached 5.5 W/m2, higher than many microbial fuel cells. The maximum open circuit voltage reached 0.452 V. Moreover, this system was demonstrated viable to low concentration CO2(10%) and other carbonation process. Thus, the existing of an energy-generating and environmentally friendly strategy to utilize CO2 as a supplement to the current scenario of CO2 emission control has been demonstrated.     

云南省碳中和技术路线与行动方案

为解决碳达峰碳中和技术路线和行动方案不明确、不清晰的问题,以云南省为研究对象,分析梳理了云南省的能源结构、碳排放现状、碳排放重点行业、林业碳汇情况等,归纳总结出云南省碳中和目标导向下的技术路线和行动方案.研究结果表明:云南省可再生资源丰富,应充分发挥绿色能源优势,大力发展水能、风能及太阳能等可再生能源.充分利用废弃矿山...     

道路营运新能源汽车减碳测算

测算车辆运行碳排放,包括燃料消耗直接碳排放与电能利用间接碳排放。基于质量平衡法得出各种燃料的碳排放系数,基于火力发电煤耗量提出纯电动汽车间接CO₂排放计算方法。采集车辆运营数据与能耗数据,计算出各运输类型与各能源类型车辆CO₂年度排放量,得出电动车辆替代传统燃料车辆后的CO₂减排率。发现除大型柴油公交及中短途城际运输车辆外,电动汽车均有明显减碳效果,小型城市配送车辆减碳率最高,达48.62%。预测火电占比降低及火力发电煤耗量降低后电动汽车的碳减排量,相对于2016年,2020年将再减碳7.07%。     

二氧化碳管道运输系统优化模型及其应用

二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)作为能够实现煤化工行业温室气体大规模减排的前沿技术,已成为当前研究热点.而管道运输是该技术得以实施的关键环节,高昂运输成本是影响该技术大规模推广的主要因素.因此,通过开发煤化工二氧化碳(CO_2)捕集压缩、管道运输系统优化模型,实现CO_2管道运输系统内关键环节的工艺和技术优化配置,降低捕集压缩、运输及注入整个系统的总成本.将模型初步应用于陕西延长榆林煤化工CCUS项目,结果表明:当封存区域CO_2封存需求量小,而且能够在封存现场提供方便的液化压缩设备时,榆林能化煤化工企业可以采用气相压缩输送方案,并结合封存地点液化加压注入;对于大规模CO_2封存及运输需求时,推荐超临界/密相CO_2输送,能够有效减少封存区再次加压环节的成本,从而使整个流程更为经济.     

煤炭开发过程碳排放特征及碳中和发展的技术途径

理清煤炭开发过程碳排放特征,是推动煤炭开发过程碳达峰、碳中和的前提和基础.基于煤炭开发全生命周期碳排放清单分析方法,重点从生产用能、瓦斯排放及矿后活动3个环节,建立煤炭开发过程碳排放计算模型,测算煤炭开发过程碳排放量,并分析不同环节碳排放特征,提出煤炭开发过程碳减排技术途径.研究表明:1)生产用能碳排放强度呈下降趋势,...     

CO2的捕获与埋存

CO2捕获和埋存（CCS）技术是捕获、运输和安全埋存CO2的一个普通术语。介绍了人工捕获CO2方法、CO2的埋存场所、埋存条件、埋存机理和提高油气采收率。大量利用CCS技术来提高油气能源效率,以及更多地使用可再生能源,是限制大气变化和海洋酸化的前提。     

湘钢炼铁CO2减排措施研究

计算分析了湘钢炼铁工序的CO2排放量,结果表明,湘钢目前高炉炼铁CO2减排尚有较大潜力。通过努力进一步提高现有高炉的能源利用效率,并加强研究和应用能大幅度降低能源消耗的新技术,可进一步减少炼铁CO2排放量。     

基于生命周期评价的退役三元锂电池循环利用系统能耗与碳足迹分析

随着新能源汽车产业的快速发展,动力电池进入大规模退役期,退役动力电池循环利用及其节能减排效应成为重要研究课题.采用生命周期评价方法分析了当前我国退役动力电池循环利用系统的能耗和碳足迹.研究结果表明,1 kWh容量的退役三元锂电池循环利用全生命周期能耗与碳足迹分别为-160.19 MJ和-12.11 kg CO2eq.再...