CO_(2)捕集、利用和封存在能源行业的应用:全球案例分析和启示

为了实现中国21世纪中叶达到碳中和,大规模应用CO_(2)捕获、利用和封存(CCUS)技术可以减少能源行业的温室气体排放。通过对国内外CCUS技术、项目的调研,得出了关于未来CCUS部署的3个见解,这些见解有助于能源行业实现转型。首先,碳源浓度较低导致碳捕集效率低,从而导致碳捕集的经济成本较高的问题是目前CCUS项目无法商业化的主要因素,在发展当前的碳捕集技术,提高捕集效率和降低捕集成本的同时也应大力研究空气捕集技术,尤其是在工艺设计和新型吸附材料研发方面,争取实现弯道超车;其次,CO_(2)在油气藏和咸水层的封存与利用应当作为CCUS技术研究的重点,逐步实现大规模推广,并在技术升级和体系完善的基础上推广CO_(2)增强地热、煤层气等其他耦合技术;最后,应当在当前国际上较成熟的碳政策的基础上研究适合中国的激励政策,建立有效的法律法规。论文总结了当前CCUS的关键挑战,并为未来的CCUS研究方向提供了指导方向。

多孔液体在CO_(2)捕集与利用领域的研究进展

为助力中国早日实现“双碳”目标,深入落实化工领域绿色低碳可持续发展的重要举措,吸附/吸收耦合有望成为气体分离的绿色变革性分离技术,其关键是高性能吸附(收)材料的开发。多孔液体作为一类具有永久孔隙的液体材料,兼具了液体吸收剂的易于管道输送、传质传热效果好等优点和固体吸附剂的高比表面积、高孔隙率等优点,有望成为新一代CO_(2)捕集的绿色变革性介质。该文首先简单介绍了多孔液体发展历程;然后,重点对多孔液体在CO_(2)的吸附/吸收、膜分离、催化转化等领域的应用进行了论述,并对多孔液体性能和优缺点进行了分析归纳。最后,对多孔液体目前面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。

中国钢铁行业CO_(2)排放特征和减排路径研究——基于ARIMA-LEAP模型

为了消除对于未来粗钢、钢材以及生铁产量预测主观性,基于时间序列中的ARIMA模型,对未来相关产量进行客观预测,构建了中国钢铁行业ARIMA-LEAP模型,并以2020年为基准年,每5a为时间节点,研究了2020~2030年中国钢铁行业不同情景下全流程及各工序的CO_(2)排放情况.在技术进步中考虑了氢还原炼铁技术,在能源结构调整中考虑了发电方式调整,在此基础上分别设置了4种单一情景和4种组合情景来研究其减排潜力.结果表明,4种组合情景下的含有规模减排的3种组合情景CO_(2)减排潜力均高于单一情景.其中SUR+TER､SUR+STR和综合减排情景可以在2030年实现达峰,达峰年均为2021年,达峰时CO_(2)排放量分别为13.225亿t､13.359亿t和13.289亿t.单一情景中相较于基准情景CO_(2)减排量由高到低依次为:规模减排情景(SUR)、结构减排情景(STR)、技术减排情景(TAR),在2030年相对于基准情景的减排量分别为493.1Mt、247.8Mt以及105.1Mt.借助LEAP模型的能源核算以及CO_(2)排放核算功能,研究了综合减排情景下2020~2030年不同工序,不同能源的CO_(2)排量,其中CO_(2)排放较多的3个工序为炼铁､轧钢以及烧结工序,产生CO_(2)较多的4种能源为洗精煤、喷煤粉、电力以及焦炭,其中洗精煤CO_(2)排放量更是达到10Bt级,而其余3种能源也达到Bt级.确定了中国钢铁行业CO_(2)排放特征.对技术减排以及结构减排成本进行简单比较,制定中国钢铁行业CO_(2)减排路径.

CO_(2)地质利用与封存中碳迁移及其相态分布规律

CO_(2)地质利用与封存技术是“双碳”战略下重要的碳减排手段,前人的研究多集中于地质利用方面,而对地层的碳封存潜力尤其是CO_(2)矿化潜力的定量评价存在不足。为此,通过程序开发手段,将闪蒸计算加入开源的反应溶质运移模拟软件中,利用改进后的软件建立了松辽盆地大情字井油田H59区块的三维地质模型,通过历史拟合注采过程校正模型地层参数,最后采用校正后模型量化表征了不同注入阶段及注采结束后CO_(2)迁移与相态转化的时空演化过程。研究结果表明:①在油藏CO_(2)混相驱条件下,CO_(2)在注入井端的小范围内呈现气相,在接触到油相前缘后,CO_(2)受浮力影响减弱,在垂向上逐渐趋于均匀分布,并向开采井端均匀推进;②气水同注阶段与注气阶段均有超过70%注入的CO_(2)溶解于油相,但气水同注阶段溶解于水相的CO_(2)含量明显增加;③注采结束后的相态演化特征表现为溶解水相CO_(2)逐渐转变为矿物相,而溶解油相CO_(2)存在转变为游离态气相的趋势;④注采结束后,主要矿化过程为绿泥石及铁白云石溶解产生铁、钙离子,与碳酸根离子结合构成方解石和菱铁矿等沉淀矿物(固碳矿物),而主要溶解矿物有钾长石、钙蒙脱石、铁白云石及绿泥石。结论认为,基于现场实测数据,利用嵌入闪蒸计算的CO_(2)地质利用与封存组分模拟软件,提高了对CO_(2)迁移及分布相态规律的进一步认识,研究结果对实现注CO_(2)高效提高采收率与封存具有重要指导意义。

电解铝CO_(2)资源化利用的隔膜电解池的设计

将工业废气中的CO_(2)转化为高值化学品,创造经济效益,是CO_(2)高排放行业迫切需要解决的重大现实问题。然而,由于缺乏工业适用的电化学反应装置,研究工作一直未取得实质性突破。针对上述问题,提出了一种新型隔膜电解池,可以在阴极上将CO_(2)电还原为CO,在阳极上将HCl氧化成Cl_2,所得CO、Cl_2用于合成光气。通过这种方法,不仅可以实现CO_(2)减排,还可以解决含HCl工业废气综合利用问题。为了提高电解CO_(2)制CO的效率,采用无氰电镀法制备了三维流通型Ag/Cu多孔修饰电极,通过提高电极比表面积,增加活性位点,将阴极电流密度提高至46.3 mA/cm^(2),生成CO的法拉第效率稳定在92.52%。本项研究在电能储存和CO_(2)减排领域具有重要理论研究价值和工程应用前景。

CO_(2)催化加氢制备C_(1)产物的反应路径与催化剂研究进展

通过二氧化碳(CO_(2))催化加氢制备碳基燃料和高值化学品是一种极具应用前景的碳减排技术,但其工业化仍面临许多挑战。针对CO_(2)催化加氢制备的C_(1)产物,包括甲酸(HCOOH)、一氧化碳(CO)、甲醇(CH_(3)OH)和甲烷(CH_(4)),从反应路径、催化工艺等方面综述了相关研究进展。首先,总结了CO_(2)催化加氢生成不同C_(1)产物的反应路径及其竞争关系。随后,针对CO_(2)催化加氢催化剂的改性方式,讨论了不同催化剂的催化性能。最后,对CO_(2)催化加氢催化剂的未来发展方向进行了展望。

海洋CO_(2)地质封存研究进展与发展趋势

CO_(2)捕集、利用和封存是中国实现“双碳”目标的核心技术,也是全球研究的热点。CO_(2)地质封存是其中的关键环节,特别是海洋CO_(2)地质封存是今后的重点发展方向。以国内外海洋CO_(2)地质封存的发展历程为基础,结合典型CO_(2)海洋封存示范项目案例,系统梳理了国内外海洋CO_(2)地质封存理论研究进展,分析了CO_(2)在井筒流动、相变与传热、CO_(2)流体运移与储层物性参数展布规律、海洋地质封存机制及封存潜力、地质封存盖层完整性及安全性评估等方面的研究现状。认识到中国目前对海底地质结构中CO_(2)注入过程的多相态转化、溶解、捕获传质特征及动力学特性认识尚浅,对海洋封存机制及不同封存机制之间的相互作用机理尚不明确,未来应开展海洋CO_(2)动态地质封存空间重构机制研究,解决地质封存相态转化及流体动态迁移机理等关键科学问题,揭示海洋CO_(2)地质封存机制的相互作用机理,形成适用于中国海洋地质封存CO_(2)高效注入和增效封存方法。

水限制环境CO_(2)与施氮交互作用对春小麦水分利用效率的影响

在模拟大气CO_(2)浓度升高环境条件下,进行了不同施氮处理对春小麦水分利用效率的影响试验,探索水资源限制地区提高春小麦水分利用率及其产量的途径。结果表明,CO_(2)浓度升高与施氮交互作用对小麦产量水分利用率有显著影响。在CO_(2)浓度升高90μmol·mol^(-1)环境条件下,135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理春小麦产量的水分利用率与对照相比分别下降了5.8%和15.1%;225 kg·hm^(-2)和405 kg·hm^(-2)施氮处理春小麦产量的水分利用率与对照相比分别增加了9.3%和8.9%;225 kg·hm^(-2)和405 kg·hm^(-2)施氮处理使春小麦生物量水分利用率与对照相比分别提高了10.4%和10.8%;而135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理造成春小麦生物量水分利用率不同程度地下降。90μmol·mol^(-1) CO_(2)浓度升高与施氮处理导致春小麦千粒重水分利用率下降,其中135 kg·hm^(-2)和315 kg·hm^(-2)施氮处理使春小麦千粒重水分利用率较对照分别下降了13.9%和21.2%。在CO_(2)浓度升高180μmol·mol^(-1)环境条件下,施氮处理对春小麦产量水分利用率的影响不显著。尽管施氮处理提高了春小麦生物量水分利用率,却导致春小麦千粒重水分利用率不同程度降低。综上可知,在未来大气CO_(2)浓度升高背景下,可以根据CO_(2)浓度升高幅度,从调控氮肥投入量途径入手,提高春小麦水分利用效率及其产量。

运移距离对CO_(2)混相驱重力超覆的影响规律及表征分析

CO_(2)驱油技术具有提高原油采收率和资源化利用与封存的双重目的,已在低渗-致密油藏得到广泛应用。为明确运移距离对CO_(2)混相驱油过程中密度差引起的重力超覆程度的影响规律,分别采用室内物理模型和数值模型开展研究。实验结果表明,混相条件下,由于岩心长度减小,重力超覆的扩展空间受限,但油气混相程度的降低,导致重力超覆程度降低幅度较小;当岩心长度继续减小时,混相程度降低对重力超覆的影响大于岩心长度对重力超覆扩展空间限制的影响,从而使重力超覆程度加剧。数模结果表明,随着运移距离的减小,重力超覆程度减弱,混相驱采收率提高。因此,结合油田现场情况,为减缓重力超覆,应适当减小井距,缩短CO_(2)气体运移距离,从而提高CO_(2)驱的波及效率。研究结果对于CO_(2)驱油现场试验方案设计和参数优化具有一定的指导意义。

CO_(2)与绿氢合成甲醇的过程模拟及储能性能分析

文章模拟了CO_(2)与绿氢合成甲醇的过程,提出了CO_(2)储能密度指标,研究了多个参数对甲醇储能性能的影响。研究结果表明:系统能效和甲醇能量产率随着电解水效率、单程CO_(2)转化率、电解水压力和CO_(2)初始压力的升高而升高,随着甲醇合成压力的升高而降低;CO_(2)储能密度随以上参数的变化趋势与系统能效和甲醇能量产率相反;电解水效率和单程CO_(2)转化率是敏感关键的参数;在最优组合工况下,基于甲醇高位和低位热值的系统能效分别为68.0%和59.6%,CO_(2)储能密度为6.07 k W·h/kg,能量产率为0.108 kg/(k W·h),表明以CO_(2)为原料的电制甲醇的系统能效不够理想,但储能密度优势显著。

耦合CO_(2)脱气的岩溶地热水结垢趋势定量分析

岩溶地热系统是最具开发潜力的水热型地热系统之一,在水热型地热资源利用中,地热水结垢(尤其是井下结垢)是目前面临的最普遍、最重要的问题之一,制约着地热水资源可持续利用。针对岩溶地热水结垢趋势分析方法存在的不足,在重点考虑CO_(2)脱气这一重要过程对结垢趋势影响的基础上,利用化学热力学模拟技术构建了一种耦合CO_(2)脱气过程的结垢趋势定量分析的改进方法,并将其应用于南京汤山岩溶地热区。结果表明汤山地区地热水不具有发生SiO 2结垢的趋势;在井口有发生碳酸盐结垢趋势,主要成分为CaCO_(3);井筒中下部有发生不同程度的硫酸盐结垢趋势,主要成分为CaSO_(4),SrSO_(4),BaSO_(4)。本研究在改进结垢趋势分析方法不足的同时,为防垢除垢工作提供了理论基础和方法指导,可有力促进地热水资源的可持续利用。

沼气水洗脱碳及其副产CO_(2)再利用研究的进展

随着我国“双碳”战略的实施,脱除沼气中副产的CO_(2)并对其进行充分利用,对于满足我国尤其是农村地区对清洁能源的需求和减少二次温室气体排放均具有重要意义。通过比较和分析多种沼气脱碳技术的优缺点表明,水洗法具有环保、工艺简单、成本较低的优点,但同时仍需解决脱碳效率、CO_(2)解吸及后续再利用等关键问题。重点介绍了强化水洗脱碳效率及其副产CO_(2)回收利用方面的进展,阐述了气水两相微混合、微纳米气泡及CO_(2)吸收水直接利用技术在提升气水传质效率和降低脱碳成本方面的应用潜力。在此基础上,提出了相应的处置策略:通过微混合和微纳米气泡技术增大气液接触面积、促进气液传质,提高脱碳过程效率、降低水耗;结合开发CO_(2)吸收水的直接利用技术,在规避CO_(2)解吸再生能耗的同时获取高附加值产品。通过兼顾环境效益与经济效益,推动我国沼气工程的可持续发展。

电化学反应性捕集CO_(2)研究进展与挑战

CO_(2)捕集是控制温室气体排放的关键技术之一,电化学CO_(2)还原是关闭人工碳循环的有效途径,但CO_(2)捕集和电化学CO_(2)还原过程均为能源密集型过程。过去的研究将两者视为相互独立的技术和科学领域进行发展。通过直接电解捕集介质(如胺基富液和碳酸氢盐),将上游的碳捕集和下游的电化学还原过程进行集成耦合,可以避免高能耗的捕获介质再生和CO_(2)释放环节,避免CO_(2)的运输和存储操作,降低整体工艺的运行成本,提升整个碳循环的能量效率和经济效益,为节约能源和经济高效地捕集利用CO_(2)提供了一个潜在的解决方案。总结了目前电化学反应性捕集CO_(2)的研究进展,论述了在电极和电解质方面取得的成果,讨论了影响集成电解效率的限制因素,并分析了各类因素的潜在影响机制和可能的反应路径。最后,强调了直接电化学还原捕集介质领域的主要挑战和机遇,并对未来耦合碳捕集与电化学利用过程的发展进行展望。

岩溶区不同土地利用方式下土壤CO_(2)排放模拟研究

土地利用变化作为全球气候变化研究的重要内容之一,对土壤CO_(2)的排放具有重要影响。岩溶区石漠化治理过程中植被恢复伴随着土地利用方式的转变,其对土壤CO_(2)排放的影响有待进一步研究。基于控制性实验,以土壤、岩溶含水介质初始条件相同,仅土地利用方式不同的贵州普定沙湾模拟试验场为研究对象,通过1年的土壤CO_(2)浓度和通量数据,研究岩溶区不同土地利用方式下土壤CO_(2)的排放规律及其影响因素。结果表明:(1)土壤CO_(2)的浓度和通量具有明显的季节变化规律,不同季节下的土壤CO_(2)通量呈现昼夜变化规律,温度和降雨影响着土壤CO_(2)的排放,前者可促进排放量,后者可抑制排放量,且不同土地利用方式受影响的程度不同;(2)耕作活动也会影响土壤CO_(2)的排放,耕作使得土壤变得松散,加上岩溶区下伏基岩的溶蚀作用,增加了土壤CO_(2)向含水层的扩散,导致春季耕地表现为负通量;(3)不同土地利用方式下土壤CO_(2)的年排放量不同,具体为草地(897.53 tC km^(-2)a^(-1))>灌木地(258.15 tC km^(-2)a^(-1))>耕地(207.66 tC km^(-2)a^(-1))>裸土地(92.68 tC km^(-2)a^(-1)),究其原因,主要受不同土地利用下植被生物量和土壤有机碳含量的影响;(4)不同土地利用下的土壤有机碳含量为草地(29.33 g/kg)>灌木地(23.31 g/kg)>耕地(22.08 g/kg)>裸土地(19.00 g/kg),鉴于这些土壤的初始性质相同,研究发现随着土地利用方式的改变,除无植被的裸土地土壤有机碳含量减小外,其余有植被的类型均有增加,且增加的程度和植被覆盖的程度有关。综上,不同土地利用类型可以通过影响上覆植被的生物量和土壤有机碳含量,进而控制土壤CO_(2)的排放,而排放强弱与温度、降雨和耕作活动有关,可以通过土地利用方式的调整来增加土壤有机质含量和土壤储碳。

基于CO_(2)捕集和利用制甲醇方案的研究

基于CO_(2)捕集和利用制甲醇方案,从大规模利用CO_(2)角度考虑最具研究价值和应用价值的路线,对实现碳中和目标具有重要意义。介绍了CO_(2)捕集技术及氢来源、基于CO_(2)捕集和利用制甲醇的工艺路线、加氢反应及反应的质量平衡。针对催化剂研究、工业应用进展以及经济性分析等方面,综述了CO_(2)加氢制甲醇的技术现状,并指出随着我国制氢电力成本的下降及碳税政策的实施,CO_(2)加氢制甲醇将进入产业化发展阶段。

南海富CO_(2)天然气分类利用技术

南海丰富的天然气资源普遍具有CO_(2)含量高(20%~80%)的特点,现有工艺只适宜于加工CO_(2)含量相对较低的天然气资源,且过程中均有大量CO_(2)排放,碳资源利用率较低,在一定程度上限制了南海大气田的大规模开发利用。本文介绍了南海富CO_(2)天然气脱碳后商用及尿素和甲醇等化工利用两方面的现状,基于南海天然气的组成特点,提出了按CO_(2)含量小于20%、20%~30%、大于30%的3种区间,分别采用脱碳+海洋封存、CO_(2)捕集+化工利用、CH4-CO_(2)干重整+费托合成方案的分类利用新思路,并介绍了CH4-CO_(2)干重整、CO_(2)捕集、CO_(2)海洋封存、CO_(2)矿化、CO_(2)化工利用等南海富CO_(2)天然气分类利用核心技术以及中国海油在这5类核心技术方面的研究进展。本文研究有助于推动富CO_(2)天然气的精准、高效利用及富CO_(2)天然气利用产业链的延伸。

利用CO_(2)提高页岩油储层采收率实验研究

为探索利用CO_(2)提高吉木萨尔凹陷页岩油采收率机理,实验研究了利用CO_(2)吞吐和压裂提高页岩油储层采收率规律和机制。结果表明:(1)吉木萨尔凹陷某井页岩油甜点储层岩相类型以粉砂质白云岩岩相、泥晶云岩岩相、白云质粉砂岩岩相为主;(2)泥晶白云岩岩相岩心样品介孔发育,孔隙结构较复杂,吞吐效率低;100×10^(-9)~10000×10^(-9)m宏孔发育更均质裂缝性储层提采效果好;(3)粉砂质白云岩岩相岩心样品宏孔较发育,CO_(2)吞吐效率高;100×10^(-9)~10000×10^(-9)宏孔发育不均质、孔喉比大,裂缝性储层吞吐提采反而不利;(4)泥晶白云岩岩相、粉砂质白云岩岩相样品随吞吐周期增加,累计采收率增速降低,吞吐效果变差;(5)页岩油储层超临界CO_(2)压裂相对冻胶压裂和滑溜水压裂,裂缝复杂程度、裂缝迂曲度更大;(6)对页岩油储层超临界CO_(2)前置压裂,CO_(2)前置量越大,裂缝越复杂,迂曲度越大,裂缝体积比越大。研究成果可为利用CO_(2)提高吉木萨尔凹陷页岩油采收率提供支撑。

煤粉在O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)富氧分级燃烧中的氮元素迁移路径研究

空气分级燃烧在煤粉燃烧初期形成的还原性气氛是抑制燃料型NO_(x)的生成的主要因素,富氧分级燃烧能扩大煤粉燃烧初期还原性区域、延长煤粉在还原性气氛中的停留时间,对不同气氛下煤中氮元素在富氧燃烧过程的迁移路径进行研究,可为抑制焦炭NO_(x)的生成及提升煤粉燃烧效率提供支撑。通过高温滴管炉实验平台,研究O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)富氧分级燃烧条件下过量氧气系数和氧气体积分数对煤粉燃烧过程中固定碳、挥发分、C、H、O、N、S元素的释放及煤中氮迁移转化的影响。实验结果表明:当二次风氧气体积分数为40%时,O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2)气氛下的煤中挥发分、固定碳、N、H、O、S的释放率均随二次风过量氧气系数的增加而增加,煤中的挥发分和H元素在煤粉燃烧初期基本完全释放,煤中N、O、S元素的释放与C元素的释放有很强的正相关性。燃烧过程中煤中释放的氮主要转化成N_(2),少量向NH_(3)、HCN和NO_(x)转化,且N_(2)>>NH_(3)>>HCN,N_(2)的转化率随二次风过量氧气系数的升高呈先升高后降低的趋势,NH_(3)、HCN转化率随二次风过量氧气系数的升高不断降低,二次风过量氧气系数较低时,烟气中并未检测到NO_(x)排放。二次风过量氧气系数为1时,O_(2)/N_(2)、O_(2)/CO_(2)气氛的NO转化率分别为29.9%、28.1%。当二次风过量氧气系数为0.5时,O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)气氛中煤中各组分释放率均随二次风氧气体积分数的增加而增加,煤中释放的氮主要向N_(2)转化,N_(2)的转化率随二次风氧气体积分数的升高而增大,NH_(3)和HCN的转化率均随二次风过量氧气系数的增加而减小。高浓度CO_(2)能促进焦炭气化反应,导致O_(2)/CO_(2)气氛中各组分的释放率较高,且N_(2)转化率也相对较高。

高值化CO_(2)利用现状及减碳效果分析

通过资源利用化的方式将CO_(2)转化为具有工业利用价值的产品,是实现碳中和目标的主要方式之一,结合上海“双碳”工作前景以及节能减排目标的实施,基于燃煤电厂CO_(2)捕集、利用商业模式和推广政策研究,通过对CO_(2)材料利用的现状进行评述,分析项目的经济效益和减碳效果,对高值化CO_(2)利用项目提供策略建议,有利于实现燃煤火电厂CO_(2)的减排和资源化利用,为上海碳中和专项工作提供支撑。

CH_(3)COONa-NH_(4)OH-H_(2)O体系下磷石膏矿化CO_(2)-联产高纯CaCO_(3)

基于我国面临CO_(2)减排与磷石膏资源化利用的巨大压力,本文提出助剂循环使用的CO_(2)矿化与磷石膏资源化利用过程耦合的学术思想,立题以磷石膏为原料,研究醋酸钠体系下氨水强化磷石膏浸出液矿化CO_(2)联产高纯CaCO_(3)的反应过程。实验过程中系统讨论了不同工艺条件对磷石膏中Ca^(2+)的浸出及浸出液矿化CO_(2)反应效能的影响,并系统表征了反应条件对矿化产物晶粒尺寸、结构与形貌的影响。结果表明:低温常压条件下1t磷石膏可以矿化吸收208kg的CO_(2),同时联产472kg纯度为99.63%的球形球霰石。通过调节矿化反应条件可有效调控矿化产物的晶粒尺寸;提高反应温度和延长反应时间有利于亚稳态的球霰石向热力学更稳定的文石和方解石转化。实验过程中实现了醋酸钠的循环利用与回收。本文为磷石膏的资源化利用与高纯CaCO_(3)的制备提供了新的思路。