化学链技术在煤炭清洁高效利用中的研究进展

化学链技术通过循环物质的反应与再生将特定反应分为几个子反应,以实现资源的定向转化与产物的低耗分离。化学链技术用于煤炭资源的清洁利用可以降低（火用）损、实现CO₂低耗捕集、同时抑制NO_x产生,在制氧、制氢、发电、化学品生产工艺中有非常大的潜力。本文重点评述和展望了将化学链技术集成应用于IGCC发电以及新型煤化工这两个重要领域。随着研究的进一步深入,化学链技术将有可能成为煤清洁利用中具有特色的创新性技术。     

化学链制氢技术的研究进展与展望

归纳总结了化学链技术在制氢方面的研究和应用,目前主要应用方式有三种:化学链重整制氢(CLR)、钙链循环制氢(Ca-CLP)、化学链制氢(CLHG)。为制得高纯氢气CLR和Ca-CLP都需要水汽变换、变压吸附等后续处理过程,而CLHG在实现CO_2捕集的同时不需要额外的氢气净化过程,优势明显。氧载体的选择、制备和反应器结构设计是CLHG的关键。与其它氧载体相比,由于铁基氧载体具有制氢效率高、廉价易得、环境友好度高等特点更适合CLHG过程。而未经修饰的铁基氧载体容易失活,通过添加惰性组分和其它金属元素能增加其可循环性、抗积碳性、反应性。气固两相的热力学特性分析有助于CLHG反应器的设计,气固逆流接触的两段流化床和移动床两类反应器适合CLHG过程。以煤为燃料的CLHG过程将是化学链制氢的重要研究方向。     

化学链制氢技术的研究进展与展望

归纳总结了化学链技术在制氢方面的研究和应用,目前主要应用方式有三种:化学链重整制氢(CLR)、钙链循环制氢(Ca-CLP)、化学链制氢(CLHG)。为制得高纯氢气CLR和Ca-CLP都需要水汽变换、变压吸附等后续处理过程,而CLHG在实现CO_2捕集的同时不需要额外的氢气净化过程,优势明显。氧载体的选择、制备和反应器结构设计是CLHG的关键。与其它氧载体相比,由于铁基氧载体具有制氢效率高、廉价易得、环境友好度高等特点更适合CLHG过程。而未经修饰的铁基氧载体容易失活,通过添加惰性组分和其它金属元素能增加其可循环性、抗积碳性、反应性。气固两相的热力学特性分析有助于CLHG反应器的设计,气固逆流接触的两段流化床和移动床两类反应器适合CLHG过程。以煤为燃料的CLHG过程将是化学链制氢的重要研究方向。     

基于铜基载氧体的化学链空分制氧系统的研究

基于铜基载氧体，运用流程模拟软件Aspen plus对化学链空分制氧系统展开了研究，构建化学链制氧系统模型，分析了反应温度，载气流量等因素对系统性能的影响，对化学链空分制氧系统进行参数优化。此外，本文也构建了传统的深冷空分制氧系统，与化学链制氧系统进行了对比分析。结果表明：较高的释氧反应器温度可提高氧气浓度和氧气的摩尔流量；水蒸气流量的增加也有利于释氧反应的进行。与深冷空分制氧技术相比，化学链空分制氧技术不仅系统能耗较低，而且制备的氧气浓度也较高。     

铁基移动床化学链技术进展

在日益增长的能源需求与日益严峻的全球气候变化带来的双重压力下,清洁、高效且经济的能源利用方法显得尤为重要。将化学链概念用于传统化石能源的转化是一种前景广阔的新技术。化学链燃烧利用载氧体间接转化含碳燃料,同时实现二氧化碳的捕集。俄亥俄州立大学研发了采用铁基载氧体和移动床反应器的化学链技术,可实现天然气、煤、生物质等多种燃料向电力、氢、液体燃料等产品的零排放转化。目前,合成气化学链(syngas chemical looping,SCL)和煤直接化学链(coal direct chemical looping,CDCL)技术两套25 kWth级小试装置已成功运行总计超过850 h,一套250 kWth级的高压SCL装置即将投入示范运行。     

铁基移动床化学链技术进展

在日益增长的能源需求与日益严峻的全球气候变化带来的双重压力下,清洁、高效且经济的能源利用方法显得尤为重要。将化学链概念用于传统化石能源的转化是一种前景广阔的新技术。化学链燃烧利用载氧体间接转化含碳燃料,同时实现二氧化碳的捕集。俄亥俄州立大学研发了采用铁基载氧体和移动床反应器的化学链技术,可实现天然气、煤、生物质等多种燃料向电力、氢、液体燃料等产品的零排放转化。目前,合成气化学链（syngas chemical looping,SCL）和煤直接化学链（coal direct chemical looping,CDCL）技术两套25 kW_th级小试装置已成功运行总计超过850 h,一套250 kW_th级的高压SCL装置即将投入示范运行。     

一种低能耗捕集CO_2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO_2浓度降低,从而导致CO_2捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO_2煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H_2和CO_2,CO_2浓度提高,在此时进行CO_2捕集可实现捕集能耗的降低。经CO_2捕集后,得到富H_2气体,富H_2气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO_2捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO_2捕集能耗下降30.3%。     

生物质直接进料的化学链技术进展

化学链技术(chemical-looping technology,CLT)是主要针对化石燃料、生物质等转化过程的清洁高效技术,正在走向商业化。在生物质为原料的CLT中,相较间接进料,直接进料更受关注。本文综述了近年来生物质直接进料的化学链技术研究进展,包括生物质燃烧、气化、制合成气、制氢以及CO_2捕集等。为促进生物质-CLT发展,需克服生物质本身的不利特性,借鉴以煤为原料的CLT开发,并重点研发化学链氧解耦(chemical looping oxygen uncoupling,CLOU)材料。     

化学链重整直接制氢技术进展

化学链重整直接制氢技术使用固态金属氧化物作为氧载体代替传统重整过程中所需的水蒸气或纯氧,将燃料直接转化为高纯度的合成气或者二氧化碳和水,被还原的金属氧化物则可以与水蒸气再生并直接产生氢气,实现了氢气的近零能耗原位分离,是一种绿色高效的新型制氢过程。根据产物和供热方式的不同,可以将化学链重整直接制氢工艺分为双床系统和三床系统两类,并对各系统中氧载体与反应器的设计与选择进行了分析。通过Elingham图对不同氧载体的氧化还原能力进行比较,选取适于直接制氢的金属氧化物,并讨论了氧载体材料研发的最新进展。化学链制氢反应器设计应根据不同原料和产品的特点,选择合适的气-固接触方式,以强化化学链重整直接制氢效率。     

基于化学链技术制氢的研究进展

利用氢能替代常规化石能源是运输行业应对气候变化和环境污染问题的一个重要突破口。将化学链技术应用于制氢过程不仅可以提高能量转换效率、减少环境污染,还可以在制氢的同时捕捉该过程产生的CO2,具有广阔的发展前景。本文概述了化学链制氢的两种方式的原理及特点,总结了不同过程在载氧体的筛选、反应器的形式以及系统模拟方面的研究现状。指出高效载氧体的筛选和制备是各个过程成功运行的关键。化学链水蒸气重整制氢[CLR(s)]过程需要考虑管束的磨损问题,而自热化学链重整制氢[CLR(a)]过程需要注意过程中的反应热量平衡。廉价载氧体的筛选、固体燃料的化学链制氢及其系统开发是化学链制氢(CLH)过程未来研究方向。     

复杂氧化物载氧体的调变策略及在过程强化中的应用

CO₂减排已经成为各国发展的重要议题之一。化工产业的传统分离过程由于?效率过低,往往会导致大量的能源浪费及CO₂排放。作为一种典型的、耦合分离与反应的过程强化策略,化学链技术有利于实现产物分离、能量梯级利用,从而显著提升系统?效率。高通量计算与化学链技术的结合,可以针对不同化学反应,指导相应的化学链载氧体热力学性质的调变策略。以化学链空气分离、氧化脱氢和热化学储能三个典型过程为例,简述化学链过程中复杂载氧体热力学性质的调变策略。热力学分析表明,不同化学链流程中载氧体性质的优化方向和最优区间均存在显著差异。因此,未来化学链技术发展的重要方向之一,是针对不同的化工流程进行载氧体的精确调变,从而实现化工流程的最优化。     

碳中和目标下的煤化工变革与发展

碳中和目标的达成将对我国煤化工产业的发展产生深刻的影响。本文分析了煤炭消费与煤化工的CO₂排放情况及煤化工在国家经济中的作用,指出碳减排技术与煤化工工艺耦合是实现煤化工碳减排与可持续发展的关键,现实地选择优化产业结构与提高能量利用效率的措施可明显但有限地降低CO₂排放量,认为要实现煤化工亿吨级规模的碳减排必须采用绿电绿氢、碳捕获与封存/碳捕获利用与封存（CCS/CCUS和CO₂）资源化利用技术。文中评述了近年来绿电绿氢、CCS/CCUS和CO₂资源化利用技术应用的主要进展,指出2030年碳达峰前这些碳减排技术将处于关键的示范考验期,能否成熟可靠将决定之后的煤化工发展走向,同时预测氢冶金与绿氨合成示范技术的推广应用将可能导致煤化工产业格局的重大变化。最后基于空气直接捕集CO₂技术与光电催化CO₂转化或模拟光合反应的研究进展,设想了未来可能呈现的零碳化工体系。     

低能耗化学吸收碳捕集技术展望

低能耗的CO₂捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO₂捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO₂研究,提出以下化学吸收法的研究方向：开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO₂吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。     

甘油膜分离-吸附协同强化化学链重整评估

作为生物柴油的副产物,甘油理论氢气产量高,是蒸汽重整的潜在原料。基于化学链技术,结合氢气膜分离和二氧化碳吸附,对甘油化学链重整制氢过程进行热力学模拟研究,分析反应器操作压力和膜渗透侧压力的改变对氢气产量和系统热量需求的影响。结果表明,反应器压力的提高和渗透侧压力的降低可以有效的增强氢气产量,抑制甲烷的生成,系统的反应热对压力的变化并不敏感,而吸附剂甘油比的提高能够提高重整所需的热量,进而实现系统的自热。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

Thermodynamics of Hydrogen Production Based on Coal Gasification Integrated with a Dual Chemical Looping Process

The performance of an innovative hydrogen production technology, which is based on a coal gasification system integrated with a dual chemical looping process, namely, chemical looping air separation (CLAS) and calcium looping CO₂ absorption (CaL), is evaluated. CLAS offers an advantage over other mature technologies in that it can reduce capital costs considerably. CaL is an efficient method for hydrogen production and CO₂ capturing. The proposed technologies are studied by Aspen Plus based on the Gibbs free energy minimization principle. The key factors in terms of reduction temperature, gasification pressure, temperature of water‐gas shift reaction, and water consumption, which proved to have a significant impact on the performance of the whole hydrogen generation process, are discussed.     

新型太阳能辅助碳捕集技术进展综述与性能比较

近年来,CO₂捕集技术正在从定向分离的单一过程向同步存储或利用的集成过程快速过渡。这种发展趋势也对太阳能辅助碳捕集的集成形式提出了更高的要求。本文综述了化学链燃烧、水合物法和热化学循环三种新型太阳能辅助碳捕集技术,从辅助方式、操作条件和性能等方面展开深入分析。围绕理想分离最小功和二次定律效率两个参数,对新技术和传统技术进行了性能评价和对比。结果说明了对于CO₂体积分数在5%～20%的混合气体,吸收法和热化学循环法的二次定律效率较高,发展较为成熟,而水合物法的分离最小功最小,理论上较易实现分离。新型太阳能辅助碳捕集技术可促进碳产品的生产,为全球碳循环的搭建完成了重要的一环。