全球首套规模化太阳燃料合成示范项目试车成功

<正>2020年1月17日,新年伊始,全球首套千吨级规模太阳燃料合成示范项目在兰州新区绿色化工园区试车成功。该项目迈出了将太阳能等可再生能源转化为液体燃料工业化生产的第一步。太阳燃料合成是指利用太阳能、风能、水能等可再生能源发电,进而电解水制备绿氢、将二氧化碳加氢转化制甲醇等液体燃料,把可再生能源存储在液体燃料中。简言之就是利用太阳能等可再生能源、二氧化碳和水,生产清洁可再生的甲醇等液体燃料(故又被形象地称为"液态阳光")。这将是未来解决二氧化碳排放的根本途径之一,也是将间歇分散的太阳能等可再生能源收集储存的一种储能技术,是"道法自然光合作用",实现人工光合成绿色能源的一种过程。     

可再生能源大规模制氢前景概述

传统的化石能源储备是有限的,大力开发可再生能源,加快提升非化石能源的比重,减少碳排放是今后发展的方向。水电解制氢技术已相当成熟,将可再生能源与水电解制氢技术相结合,从而和氢能源形成微网,可以实现能源的有效转换,提高可再生能源的利用率和占比,而且可以将制取的氢气作为燃料应用在工业P2G中,被认为是解决大规模储能和碳减排耦合的关键。然而要想真正实现利用可再生能源大规模制氢技术的发展,本文分析了制约其大规模发展的瓶颈以及应对方案。随着我国可再生能源发电量的提高,可再生能源与水电解制氢向着电氢体系迈进,最终实现"碳达峰"和"碳中和"的目标以及推动现有能源系统向更新型、更优化的方向发展。     

中国碳中和目标下CO2转化的思考与实践

提出政策引导CO₂回收、利用与封存（CCUS）发展,需重新定义二氧化碳的属性及价值,深度挖掘其资源属性,在以煤油气为一次能源、电为二次能源,向以电热为一次能源、氢为二次能源的再电气化能源革命转型中,为从有碳能源向无碳能源转变,将影响及重构所有社会活动及产业。本文通过未来低碳场景下CCUS绿色技术的思考,指出以二氧化碳氢化的三个技术链的创新开发和实践,使二氧化碳转化为合成气（CO+H₂）,从而实现高值化、资源化碳的固化和封存。文章提出：煤电、煤化工与水泥产业的二氧化碳氢化及费托合成高碳烃燃料,不仅高值化,还可用于电网调峰;沼气及非常规天然气CO₂与CH₄的干重整可生产绿氢、可再生燃料及甲醇而高值化,对于中国的乡村振兴具有特别意义,可打通村镇废弃物处理能源化与国家工业补农业的能源基金通道,将使中国乡村振兴获得资本强化新机遇;钢铁及炼化产业的低碳发展,煤气及干气的二氧化碳干重整高值利用,特别是干重整合成气生产甲醇经甲醇制烯烃（MTO）生产乙烯和丙烯及聚合物进行碳固化,将使CCUS获得新的产业链。CCUS将成为所有社会活动及工业的附属产业,成为新的公共服务产业链。     

碳中和目标下可再生能源的3种应用模式

介绍了当前CO₂催化氢化技术,跟踪最新CO₂转化研究进展,提出化工园区多能互补的CO₂转化循环系统。采取铁配合物Fe-PNP催化氢化CO₂代替传统贵金属催化剂,高效制备甲醇和甲酰胺,实现了氢、电、碳、热、水的多能互补。海岛环境下,通过海洋养殖贝类、藻类等生物固碳,构建兼顾发电、经济养殖、以种植海水稻供粮的耦合结构。利用可再生能源的余电进行黑碳提取和回收并将其施入土壤,改善土壤肥力,增加绿色植物种植面积,提出了通过植物的光合作用吸碳的构想。最后对可再生能源实现碳中和的途径和方案进行了展望。     

我国可再生能源发电制氢的发展概况

化石燃料的利用在短时间内带来重大的技术进步的同时也带来了诸多问题。选择绿色无污染的可再生能源作为化石燃料的替代品是实现"碳中和""碳达锋"目标的主要步骤。但是可再生能源的波动性和间歇性在并网时会造成电网的不稳定性,引起严重的弃光、弃风、弃水现象。电解水制氢技术被认为是脱碳制氢关键过程,同时也是实现能源转换提高能源的利用率的一种有效方式。本文对电解水制氢技术及我国可再生能源发电制氢项目的现状进行介绍,并列举了可再生能源发电制氢项目存在的问题及提出的建议。总之,可再生能源发电制氢将成为解决能源消纳、加速氢能产业化进程、最终实现我国向低碳清洁能源转型的重要途径。     

石化行业碳中和技术路径探索

2019年,中国石油和天然气消费所排放的CO₂为21.1亿吨,占全国总排放量的21%。在我国2060年碳中和目标下,石化行业亟需碳中和技术创新。本文介绍了国内外石化行业碳中和政策措施,从碳减排、碳零排和碳负排三方面分析了石化行业碳中和技术路径。碳减排方面包括石油/天然气绿色开发、过程低碳利用、减污降碳协同技术;碳零排方面包括可再生能源与核能发电、绿氢以及零碳原料/燃料替代,如生物质制汽柴油、芳烃等大宗能源化学品技术;碳负排方面包括生物能源与碳捕获和存储（BECCS）及CO₂转化燃料化学品技术。此外,还介绍了石化行业碳中和信息技术,包括人工智能、大数据和物联网三方面。本文将为我国石化行业碳中和路径探索提供技术参考。     

在“双碳”目标下可再生能源电解水制氢的发展机遇

随着“碳达峰,碳中和”目标的提出,我国能源结构调整成为关键点,煤炭、石油、天然气等传统化石能源占比正在逐步下降。氢能作为低碳、清洁,高效、安全、应用广泛的新型二次能源,可以同时满足资源消耗、环境保护和可持续发展三方面的需要。利用“弃水、弃风、弃电”等可再生能源水电解制取氢气,将制取的氢气作为可再生的二次能源或是燃料应用在P2G中,建立电-氢协同系统,能够有效提高可再生能源电力可调度能力、降低系统碳排放。     

加快生物质废弃物吸附增强制可再生氢气

作为全球性的优质能源载体,氢的主要生产方式包括碳氢化合物（例如天然气、煤炭和生物质）的热化学过程以及使用电力来源与可再生能源（如风能或太阳能等）的水电解过程。目前的水电解技术在大规模制氢方面经济竞争力亟待提升。本文指出：为了在2060年实现碳中和,迫切需要开发绿氢制备新技术,大力发展可再生制氢和低碳制氢。具有碳捕集、利用和封存的碳氢化合物低碳制氢（蓝色）技术将占重要地位,随后逐步转向可再生制氢（绿色）,并有望全面实现零碳制氢,进而对长期低碳化社会的发展至关重要。文章提出我国生物质资源非常丰富,但生物质废弃物制氢的技术成熟度仍然较低,迫切需要开发从生物质中高效生产可再生氢气的新技术,以显著提高氢气产量并降低成本;吸附增强反应代表了一种可用于可持续生产氢的有前景的新技术;氢气的产率和纯度可以通过过程强化得到显著提高,制氢过程的强化可以在多功能反应器中实现,其中重整和/或气化、水煤气变换和CO₂移除步骤可将重整/水煤气变换反应催化剂和CO₂捕集剂混合而集成到一个反应器中。最后指出：由于该过程潜力巨大,因此应助推耦合气化和吸附增强反应过程从生物质废弃物中生产可再生氢气的工艺过程,以加快推进碳中和进程。     

绿氢在炼化产业减碳中的作用研究

随着我国能源系统中可再生能源占比逐年增加及成本下降，炼化企业利用可再生能源生产绿氢、用绿氢替代化石能源生产灰氢将成为深度脱碳的重要手段。未来原油加工量将继续下降，炼化企业氢气需求将随之减少，而随着氢能交通的发展，交通用氢需求将大幅增长，炼化绿氢装置将成为交通用氢的重要供应者。同时，炼化企业的制氢和储氢装置也可作为储能单元，为平抑可再生能源波动性，平衡电网负载，实现电力系统与工业、交通运输部门之间的产业互连提供支持。     

“双碳”目标下膜技术发展的思考

实现碳达峰和碳中和,本质在于使经济社会发展彻底摆脱对含碳矿产资源的依赖,其关键在科技创新。作为一种高效节能的共性分离技术,膜技术在这个过程中可以发挥怎样的作用？本文从零碳能源重构、低碳流程再造、非二气体减排及负碳体系构建四个方面详细阐述了膜技术在实现“双碳”目标的关键技术途径中所发挥的重要作用,主要包括零碳电力存储、绿氢制备及利用、工业流程优化及节能降耗、CO₂及非二气体捕集、CO₂转化再利用等。文中分析了相关领域膜技术的发展现状,并对“双碳”目标下我国未来膜技术的研究方向和发展目标进行了展望,指出通过一系列颠覆性膜技术的大规模应用,可助力实现可再生能源成本全球最低、低碳流程再造代价最小两大战略目标,为我国实现碳中和提供坚实的技术支撑。     

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。     

绿氢重构的粉煤气化煤制甲醇近零碳排放工艺研究

在“碳达峰、碳中和”的背景下，传统煤制甲醇工艺存在CO₂排放强度大、能耗高等问题成为制约煤制甲醇工艺发展的瓶颈问题。本研究基于外源性的绿氢，重构粉煤气化煤制甲醇工艺，省掉了空分单元、变换单元，开发了短流程低温甲醇洗单元，提出了粉煤气化集成绿氢的近零碳排放煤制甲醇新工艺。从碳元素利用率、CO₂排放、成本分析等角度对新工艺进行了评价。结果表明，与传统煤制甲醇工艺相比，新工艺碳元素利用率从41.50%提高到95.77%，CO₂直接排放量由1.939降低至0.035 t·(t MeOH)^-1，通过分析H₂价格与碳税对产品成本的影响发现，当氢气价格和碳税分别为10.36 CNY·(kg H₂)^-1和223.3 CNY·(t CO₂)^-1时，两种工艺的产品成本相当。新工艺不仅减少了煤制甲醇过程碳排放，而且可以提高可再生能源就地消纳能力，具有良好的应用前景。     

碳中和约束下绿色减排体系的构建

基于对CO₂具有“既是亟待减排的温室气体,又是人类生存必不可少的可再生资源”双重性的认知,本文首次提出了碳中和约束下的“污染温室因子禁排、CO₂净零排放、调控CH₄产生和排放”的温室因子绿色减排体系。文中从两个方面提出绿色减排体系的构建：在国家层面,通过制定相关减排政策体系、进行国家超级工程和行动,为我国实现“30·60双碳目标”提供依据、标准和规范,形成实施绿色碳减排的基石和支撑体系;在微观技术层面,通过全过程控碳排放的CO₂绿色减排技术,包括源头上避免高碳排放、过程中控制碳排放、末端强化碳循环与捕集利用（3CU）等。最后指出,依靠能源绿色低碳转型,以节能降耗和生物固碳为抓手,疏堵结合,满足自然界的碳循环平衡需求,高效低成本实现经济社会高质量低碳化发展、生态文明建设与应对气候变化的三赢,将会促进我国2030年前达到峰值和2060年前实现碳中和。     

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。     

基于二氧化碳、水、太阳能的绿色化工精炼

化石资源为人类提供了不可或缺的化学品、材料以及燃料,但也造成了大量二氧化碳排放。生物质是可以生产低碳化工产品的可再生资源,但要占用有限的可耕地资源。提出了直接以二氧化碳、水和太阳能为原料的绿色化工精炼。采用光电板收集太阳能并转化为电能,电能通过膜式水电解池产生氢气,氢气通入新型生物反应器并在自养菌的作用下把二氧化碳还原为聚三羟基丁酸酯(PHB)。此新型生物反应器解决了因气体溶解性低而影响传质速度的关键技术,微生物干重产出达0.18 g·L^-1·h^-1,其中PHB质量分数约50%。PHB不仅是优良的可生物降解塑料,也是可用于生产C₃～C₄有机低分子和芳香烃的平台化合物。在磷酸催化作用下,PHB可转化为与汽油相当热值和元素组成的C₄～C₁₆燃料油。分离PHB后的细菌生物质残渣可水热分解获得生物油和富氮水相产物。此生物油具有比植物生物油更高的热值,而水相产物可作为营养物用于培养微生物。     

离子液体电还原CO2合成甲醇过程评价与分析

CO₂电还原合成化学品因反应条件温和、可利用分布式清洁能源等优势成为国际热点,被视为缓解全球变暖和能源危机的有效途径之一,对该类技术潜在经济及环境效益进行系统评估,可为新技术工业应用提供重要支撑。本文以离子液体电还原CO₂制甲醇工艺为例,首先进行概念设计和建模,建立了基于生命周期的工艺经济性及碳排放评价模型,获得了离子液体电还原CO₂制甲醇工艺的盈利前景和碳减排潜力。通过灵敏度分析,确定了例如法拉第效率、电费及槽电压等影响工艺经济性的关键技术参数。结果表明,与传统煤制甲醇工艺相比,离子液体电还原CO₂制甲醇工艺兼具一定的经济效益与碳减排潜力。在最佳假设前提下,新工艺可节约成本约11.67%。若完全采用可再生能源提供电力,则可实现生命周期内的负碳排放,即每生产1kg甲醇最高可消纳1.29kg CO₂。本研究为低碳合成甲醇变革性技术的研发提供了重要参考。