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。     

典型制氢工艺生命周期碳排放对比研究

氢能大规模发展需要解决“以何种方式制取氢气”的问题，在实现“双碳”目标的背景下，需要全面考察氢能产业链的碳排放情况。在相同的研究尺度下，建立统一的核算边界，采用统一的参数数据，定量测算典型制氢工艺的生命周期碳排放情况。结果显示，全生命周期视角下的CO₂排放量从大到小依次为甲醇制氢(煤炭为原料)、以火电为主的电解水制氢、煤制氢、甲醇制氢(天然气为原料)、天然气制氢、光伏发电电解水制氢、风电电解水制氢。煤制氢、天然气制氢的碳排放主要在氢气生产过程，甲醇制氢的碳排放主要在甲醇生产过程，电解水制氢过程虽清洁，但电力隐含的碳排放不容忽视。     

煤和焦炉气联供制合成天然气过程的建模、模拟与分析

近年来中国的煤制天然气项目快速发展。然而煤制天然气项目的CO₂排放量大、污水产量高难处理,生产过程能效低。与此同时,中国焦炭工业每年产生约700亿立方米的副产物焦炉气,这些富氢的焦炉气大多被燃烧或直接排放进入大气,对环境造成严重影响,同时还浪费了巨大的经济价值。煤和焦炉气联供制天然气新工艺可有效解决这些问题。焦炉气与煤元素互补,焦炉气中的氢气可用来调节合成气的氢碳比;甲烷可通过甲烷干重整过程降低煤制烯烃过程排放的CO₂,提高碳元素利用率,实现节能减排。本文针对煤和焦炉气联供制天然气这个新的工艺过程进行建模、模拟与分析,发现新过程的能效比煤天然气烃过程提高了约8个百分点,而CO₂排放量则减少了约60%。     

气煤联供实现资源高效利用和碳减排技术进展

为解决煤化工过程资源利用率低和碳排放高的问题,有研究者提出以天然气、焦炉气、页岩气等富氢资源和煤炭资源联供方案,旨在实现源头碳减排。文章指出依据联供过程技术的差异,较有代表性的方案可分为集成甲烷部分氧化和集成甲烷干/水蒸气重整的气煤联供过程。文章以生产甲醇为例,从资源利用和经济效益等方面对集成甲烷部分氧化和集成甲烷干/水蒸气重整的气煤联供过程进行分析和比较。集成甲烷部分氧化的工艺碳元素利用率达到57.9%,每吨甲醇排放CO₂为1.50t,较传统煤制甲醇工艺排放减少37.5%。甲醇产品成本稍低于传统工艺。集成甲烷干/水蒸气重整工艺的碳元素利用率最高,达到83.7%。减排效果最明显,每吨甲醇排放CO₂为0.90t,较传统工艺排放减少62.5%,但是由于CO₂转化增加能耗,甲醇产品成本有所提升。由于气煤联供过程有利于CO₂减排,当碳税高于65CNY/tCO₂时,两个气煤联供工艺的生产成本低于传统的煤制甲醇工艺。     

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。     

双氧水生产用氢气来源路线及预处理方法概述

对双氧水工业生产用氢气的质量要求作了说明,对国内双氧水装置常见的氢气来源进行了概述,主要有氯碱工业和氯酸盐工业电解副产氢气,化肥工业弛放气,甲醇裂解制氢,煤、天然气和石油制氢等;并对膜提纯、变压吸附提纯、脱氯脱氧工艺提纯等几种典型的氢气预处理提纯方法的原理、特点和应用条件作了简要介绍。     

碳中和目标下推动绿色甲醇发展的必要性分析

目前我国甲醇产能接近9800万吨、产量8000万吨，表观消费量约占世界总量的60%，自给率达90%以上，但以煤为主天然气和焦炉气为辅的原料格局导致甲醇生产每年产生2亿吨CO₂排放。文章指出：在碳中和背景下，随着以电力领域为代表的烟气CO₂捕集工作的深入开展、绿电装机规模的不断增加，将有越来越多的CO₂和绿电以产品形式存在，捕集1t CO₂的综合成本达到300元左右。在该成本边界下，如不能将捕集获得的CO₂进行资源化利用带来效益，将会对双碳目标的达成带来不利影响，因此如何对CO₂进行转化利用成为研究热点，将CO₂加氢合成绿色甲醇则是一个很好的解决方案，并且相关研究和工业开发也逐渐掀起热潮。本文从政策驱动、工艺优势、降碳效应、绿电及CO₂转化消纳、市场需求、甲醇产业升级6个方面进行了分析，认为发展绿色甲醇是实现碳中和目标重要且必要的举措之一。     

化石原料制氢技术发展现状与经济性分析

对煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢以及工业副产回收氢气等化石原料制氢技术发展现状进行了详细分析,研究对比了几种化石原料制氢技术的生产成本与经济性,并对化石原料制氢产业发展前景进行了深入思考,总体认为：煤制氢具有资源成本优势,是实现大规模制氢的首选技术;天然气制氢发展潜力大,但目前存在资源约束和成本较高的问题;工业副产回收氢气是未来颇具发展潜力的制氢方式;甲醇制氢规模灵活,但存在设备成本高、稳定性较差等不足。在当前太阳能等新能源制氢技术尚未成熟的现实条件下,化石原料制氢必将担当主要角色,未来氢能产业必将是化石原料制氢与电解水制氢、新能源制氢多种方式共存、多元化发展的供给格局。     

甲醇水蒸气重整制氢研究进展

氢气需求的持续增长,带动制氢技术的不断进步。煤制氢技术投资较高,天然气制氢原料来源受到限制,电解水制氢成本较高。甲醇制氢投资适中,适合各种规模的制氢装置,铜基催化剂反应温度低,低温活性和氢气选择性好,价格低廉,因而甲醇制氢技术得到广泛应用。催化剂载体和助剂的改进研究,对工业催化剂的改进具有重要的指导意义。综述甲醇水蒸气重整制氢工艺、反应机理和催化剂,介绍了催化剂载体和助剂等方面的研究进展情况。     

CO2捕集与合成甲醇利用技术的研究进展

二氧化碳(CO₂)是主要的人为产生的温室气体之一，其排放量的不断增加，引起了社会各界的广泛关注。近年来，科学家不断尝试从源头上减少CO₂的排放，但没有取得明显的效果。实际上, CO₂既是温室气体的主要来源，也是有用的碳源。因此，如何捕集和有效利用CO₂也是近年来许多学者一直在探索的研究方向。本文综述了吸收法、吸附法、膜分离法等主要的CO₂捕集方法；从CO₂的利用、H2的来源、CO₂加氢合成甲醇工艺等方面介绍了CO₂加氢合成甲醇的研究进展，为缓解CO₂排放提供参考思路。     

面向工业过程碳减排的分子筛膜技术研究进展

我国工业过程碳排放占比高达70%,实施节能增效、替代燃料、CO₂捕集等是实现工业过程碳减排的重要路径。高效膜分离技术已成为过程工业节能减排和环境治理的共性支撑技术。本文围绕碳减排目标,结合本文作者课题组在分子筛膜领域的相关工作,重点论述分子筛膜分离技术在有机溶剂脱水、清洁能源生产、CO₂分离和反应过程强化等领域的研究进展。基于本文作者课题组十余年的有机溶剂脱水产业化工作,提出降低膜装备投资的中空纤维分子筛膜技术路线、强化分子筛膜应用技术研究是实现大规模工业应用的关键。分子筛膜在工业气体分离领域仍属空白,加强高硅/全硅分子筛膜的制备及其在复杂组成气体的分离应用研究,对推动分子筛膜气体分离的实际应用至关重要。     

碳中和背景下现代煤化工技术路径探索

从源头减碳、过程控碳、末端碳捕集封存和碳资源高附加值利用四个方面,分析了现代煤化工产业低碳发展的技术路径、对降低碳排放的效果以及未来应用前景。文中指出：源头减碳技术路径包括原料结构调整和能源结构调整,引入富氢和绿氢资源与煤炭进行碳氢互补,提高煤炭利用效率,并通过气代煤、电代煤,尤其利用弃风、弃电,可显著降低碳排放和工艺生产成本;过程控碳技术路径包括节能提效和开发革新技术,依靠现代煤化工技术进步,突破传统工艺瓶颈,是当前企业易于实施、应用较多的节能减排方式;末端碳捕集封存技术路径包括地质深层掩埋、驱油、强化深部咸水开采等,将工艺过程产生的高浓度CO₂通过低成本捕集,有效提高油气采收率,并为水资源匮乏地区提供额外供水;碳资源高附加值利用技术路径主要包括CO₂化学转化制高附加值及大宗化学品,国内正加快CO₂制低碳烯烃、芳烃、甲醇、碳酸酯的技术研发与示范应用,努力将CO₂从化石能源利用的终结排放者转化为碳循环利用的参与者,发展碳循环经济,减少碳排放。最后提出：未来将现代煤化工融入能源系统的大格局统筹考虑,推...     

煤和焦炉气联供制烯烃过程的建模模拟与分析

由于煤富碳少氢,煤制烯烃过程生产1 t产品将排放约5.8 t CO₂.与此同时,中国焦炭工业每年产生约7×10¹⁰ m³的副产物焦炉气,这些富氢的焦炉气大多被燃烧或直接排放进入大气,对环境造成严重影响的同时还浪费了巨大的经济价值.本文对焦炉气辅助煤制烯烃的新过程进行了建模模拟与系统分析.焦炉气与煤元素互补,焦炉气中的H₂可用来调节合成气的氢碳比;CH₄可通过甲烷水蒸气重整和甲烷干重整两个过程,提高合成气的氢碳比的同时降低煤制烯烃过程排放的CO₂,提高碳元素利用率,实现节能减排.这个新的联供过程的能效比煤制烯烃过程提高了约10个百分点,而CO₂排放量则减少了约95%.     

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。     

Methanation of carbon dioxide: an overview

Although being very challenging, utilization of carbon dioxide (CO₂) originating from production processes and flue gases of CO₂-intensive sectors has a great environmental and industrial potential due to improving the resource efficiency of industry as well as by contributing to the reduction of CO₂ emissions. As a renewable and environmentally friendly source of carbon, catalytic approaches for CO₂ fixation in the synthesis of chemicals offer the way to mitigate the increasing CO₂ buildup. Among the catalytic reactions, methanation of CO₂ is a particularly promising technique for producing energy carrier or chemical. This article focuses on recent developments in catalytic materials, novel reactors, and reaction mechanism for methanation of CO₂.     

太阳燃料甲醇合成

我国将力争于2060年前实现碳中和,而实现碳中和的根本途径是能源利用形式由化石能源向可再生能源转变。本文指出太阳燃料甲醇合成（又称“液态阳光”）是利用太阳能等可再生能源分解水制取绿氢,再将二氧化碳与绿氢结合转化为甲醇的综合性技术,它不仅可将再生能源存储在液体燃料甲醇中,还可解决重要领域如冶金、建材、化工中的刚性二氧化碳排放,是实现碳中和目标切实可行的技术路线和有力手段。本文就作者团队研究发展的液态阳光水分解制氢和二氧化碳加氢制甲醇技术进行总结,并对当前液态阳光技术的工业应用进行了介绍。