模块化撬装化CO_(2)回收技术研究与应用

在“碳达峰、碳中和”背景下,传统化工企业都将面临CO_(2)排放指标限制难题。CCUS(碳捕集、利用与封存)技术是解决CO_(2)排放难题的关键一招,化工企业首先需要依靠CO_(2)尾气捕集回收装置,实现上游源头减碳,再通过下游资源利用,进而形成经济可行的CCUS产业链。针对传统CO_(2)尾气回收装置建设过程中存在的占地面积大,土建费用高,灵活性差,施工周期长等突出问题,研发出模块化撬装化CO_(2)回收技术,可以有效降低前期投资成本和缩短施工周期。该技术根据装置工艺功能单元特点,基于模块化设计实现回收工艺模块划分,达到100%工厂化预制,现场模块化施工标准。同时,利用撬装化设计,合理布局管道阀门,实现模块内设备优化整合成撬,最终形成全流程模块化撬装化的CO_(2)回收装置。现场应用结果表明,相比传统CO_(2)尾气回收装置,模块化撬装化5×10^(4) t/a煤制氢CO_(2)尾气回收装置完全达到降低投资成本和缩短施工周期目标,其中土建费用降低74.0%,建设面积降低75.2%,工程施工周期缩短50.0%。

面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环高级[火用]分析

针对常规[火用]分析方法不能揭示部件总[火用]损中那部分是由自身不可逆性造成的以及有多少可以通过优化而避免的问题,对面向余热回收的超临界CO_(2)动力循环进行了高级[火用]分析,找出[火用]损来源,探究部件真实提升潜能。首先,从热力学、经济与紧凑性3个角度对回热式循环余热回收系统进行了多目标优化,进行了热经济与常规[火用]分析;继而,将每个部件的[火用]损细分为内源可避免、内源不可避免、外源可避免与外源不可避免4部分,进行了高级[火用]分析;最后,比较了常规[火用]与高级[火用]分析结果,揭示了常规[火用]分析方法的局限性。结果表明,经优化后系统净发电量、平准化度电成本与单位功率面积分别为6.24 MW、4.48美分/(kW·h)与0.19 m^(2)/kW;回热器总[火用]损率最高,约为36.7%。由于关键设备技术限制,系统极限[火用]效率相比理想工况低约7%,系统总[火用]损主要由部件自身不可逆性产生,其中有42.9%可通过部件改进而减少。在不同燃机工况下,透平具有最高的内源可避免[火用]损率。

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。

利用光驱动的生物杂合系统实现CO_(2)转化生产化学品

太阳能作为清洁能源之一,为缓解化石燃料枯竭和温室气体排放等问题提供了一种高效、经济、可持续的解决方案.自然界中的植物和光合微生物通过自身的光合系统收集并转化太阳能,从而生产生物燃料和生物化学品.然而,由于自然光合系统存在光吸收范围相对较窄、光生电子在传输过程中易损耗等问题,限制了太阳能到化学品的转化效率.为了解决上述难题,科研人员模仿自然光合作用中的关键部分,探索构建人工光合系统,相关研究引起了广泛关注.本文通过将碲化镉量子点(CdTe QDs)与大肠杆菌(E.coli)相耦合,构建了一种光驱动无机-生物杂合系统(IBPHS),用于捕获太阳能并驱动CO_(2)转化合成高价值化学品.该系统主要由光催化模块和生物催化模块组成.在光催化模块中,通过生物合成CdTe QDs进行光能捕获,并将其转化为电子.通过敲除E.coli的Cd2+外排蛋白(ZNTA)编码基因,实现了E.coli胞内Cd2+过量积累.通过“时空耦合”方式,并借助共聚焦显微镜、高分辨率透射电镜和X射线能谱分析,确认了CdTe QDs在E.coli胞内的组装合成.利用紫外-可见分光光度计研究了光催化模块对光子的吸收能力.结果表明,光催化模块的吸收峰位于400-420 nm.利用瞬时光电流,评估了光催化模块的光生电子能力.实验发现,该模块可以产生0.07μA光电流,表明完成了光催化模块的构建.在生物催化模块中,将光催化模块产生的电子用于还原NAD+再生NADH.采用NADH生物传感器,分析了E.coli胞内NADH含量,结果表明,在蓝光照射下E.coli胞内NADH含量比黑暗条件下提高了5.1倍.在此基础上,通过表达NADH依赖型乳酸脱氢酶(LDH)将丙酮酸还原为乳酸,在蓝光光照下乳酸积累量达到了0.44 g/L,而黑暗条件下无乳酸积累,从而验证了生物催化模块的有效性.基于光催化模块和生物催化模块,进一步组装构建了IBPSH,用于驱动CO_(2)还原合成甲酸和丙酮酸.在蓝光照射下,IBPHS能够合成0.65 g/L甲酸和0.18 g/L丙酮酸,其CO_(2)利用速率分别达到51.98 mg/gDCW/h和21.92 mg/gDCW/h,超过了光合细菌.综上所述,本文利用光催化模块与生物催化模块相耦合的方式,组装构建了一种新型的人工光合系统,实现了光驱动CO_(2)还原合成高附加值化学品,为理性设计材料-生物杂合系统提供了借鉴,同时也为挖掘绿色生物制造潜力、开发太阳能化学制造平台提供参考.

以富CO_(2)吸收液为汲取液的沼液中水正渗透回收特性研究

针对沼气工程存在的沼液量大难处理问题及沼气提纯的需求,提出将正渗透技术与沼气CO_(2)化学吸收分离耦合,探究了沼气CO_(2)化学吸收中的富CO_(2)吸收液作为正渗透汲取液从沼液中回收水及浓缩沼液的可行性,并以沼液浓缩过程中的水通量、沼液浓缩倍数、沼液氨氮截留率与吸收剂反向传质通量为指标,考察了汲取液种类、汲取液浓度与其他操作参数对正渗透水回收性能的影响。结果表明,富CO_(2)吸收液作为汲取液从沼液中回收水并浓缩沼液具有可行性,且随着汲取液浓度、流量和温度的增加,沼液中水向汲取液的传质通量增加,沼液浓缩倍数也相应增加,但沼液中氨氮截留率下降,同时汲取液中的吸收剂溶质向沼液的反向传质通量也增加。当采用浓度2.5mol/L、CO_(2)负荷0.5mol/mol的富CO_(2)甘氨酸钾溶液作为汲取液,汲取液温度为70℃、流速为150mL/min、沼液室温及流速为150mL/min时,采用正渗透技术从沼液中回收水的初始通量达8.05L/(m^(2)·h),经过4h运行后,沼液浓缩倍数为1.18,氨氮截留率为84.13%,反向吸收剂通量仅为2.94g/(m^(2)·h)。

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。

葡萄酒酿造过程CO_(2)的生成规律及回收探究

为密封回收葡萄酒酿造过程中产生的CO_(2),分析赤霞珠和霞多丽葡萄酒精发酵过程中CO_(2)的生成量和浓度变化规律,探究不同开放程度酒精发酵对葡萄酒常规理化指标、颜色、酚类物质及挥发性风味物质的影响。结果表明,CO_(2)生成量可用“S”型模型拟合,CO_(2)浓度变化规律符合Logistic函数。不同开放程度酒精发酵对干白葡萄酒品质的影响,只有总酚含量随开放程度减小而显著降低(P<0.05)。密封式发酵干红葡萄酒还原糖、可滴定酸和挥发酸较高,分别为3.9 g/L、6.79 g/L、0.92 g/L,酒精度、总酚、总花色苷、单宁含量较低,分别为13.1%vol、3.34 g/L、0.32 g/L、2.46 g/L。密封式发酵干白和干红葡萄酒的b*值和色度(Cab值)有所降低,能够有效减少挥发性风味物质的损失,显著提升葡萄酒的果香和花香。因此,在干白葡萄酒整体品质受发酵开放程度的影响小,可尝试在密封式发酵时回收CO_(2);干红葡萄酒发酵过程CO_(2)的密封回收还需要进一步探讨。

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。

基于真实情境的“主题式复习”单元教学实践——以“碳中和背景下海水中CO_(2)的提取和利用”为例

以热点时事碳中和为背景,在深度挖掘海水中CO_(2)的提取和综合利用相关素材蕴含的教学资源的基础上,设计并实施高三化学反应原理复习的主题式教学,以“如何从海水中提取CO_(2)?”“CO_(2)制CH_(3)OH的反应能实现吗?”“CO_(2)制CH3OH的反应效率能提高吗?”为教学主线,让学生在真实的问题情境中整合知识、培养能力、发展素养,达到深度学习的目的。

天然气轻烃回收工艺中CO_(2)冻堵防治技术研究

为降低轻烃回收工艺中CO_(2)冻堵造成的风险,提高RSV工艺对原料气中CO_(2)含量的适应程度。在梳理CO_(2)固体形成规律的基础上,通过固系物追踪验证析出固体的物流和设备,通过敏感性分析研究了不同工艺参数对冻堵裕量的影响,并针对性地提出不同序列的阶段性解冻措施。结果表明,脱甲烷塔塔顶气和干气过冷回流是容易发生CO_(2)冻堵的物流,脱甲烷第2块塔板的冻堵风险最大;脱甲烷塔塔压、低温分离器温度是影响CO_(2)冻堵裕量的最敏感因素;原料气中CO_(2)含量不同,对应的解冻措施也不同,可通过增加塔压、降低低温分离器温度等措施来控制CO_(2)固体析出;在相同乙烷收率的前提下,改进后的RSVF工艺较RSV工艺,不仅冻堵裕量有所增加,而且总能耗也有所降低。

基于大气CO_(2)浓度升高对植被最大光能利用率的模拟及CASA模型的改进

[目的]为了在大气CO_(2)浓度不断升高的背景下准确估算植被净初级生产力(NPP)。[方法]在Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA)模型中引入CO_(2)浓度因子,来模拟不同植被类型的最大光能利用率,并在此基础上对改进后模型的NPP估计潜力进行探索。[结果]2000-2020年,年平均大气CO_(2)浓度在中国陆地范围均表现为显著升高趋势,平均增幅为2.14μmol/(mol·a);纳入CO_(2)胁迫因子后,植被类型按最大光能利用率从大到小为农田>常绿阔叶林>混交林>针叶林>灌丛>湿地>草地(1.85,1.69,1.30,0.87,0.52,0.40,0.40 g/MJ);CASA_CO_(2)模型对NPP的估算精度相比于原CASA模型得到提高,CASA_CO_(2)模型在植被水平和综合水平的NPP模拟值与实测值之间的R^(2)分别提升-0.1%~3.7%和0.5%,RMSE分别降低0.3%~9.2%和0.7%,年NPP估算结果的RMSE降低1.9%;CASA_CO_(2)模型改善CASA模型对整体NPP的低估,由10.62%降至9.81%,CASA_CO_(2)模型对春季、秋季和冬季的整体NPP分别低估5.11%,2.72%,2.51%,夏季高估0.53%。[结论]在模型中考虑CO_(2)浓度变化对植被的影响,可以提高NPP估算的精度。

煤基化学品中CO_(2)综合利用的研究进展

全球每年CO_(2)排放量达到百亿吨左右,除了造成资源浪费、生产成本增加以外,无形之中也给环境保护带来巨大的压力,尤其是在双碳目标提出后,如何提高CO_(2)的综合利用成为国内外学者研究的重中之重。分析总结了煤制甲烷、烯烃、甲醇等传统工艺中,CO_(2)作为补充碳源对传统工艺的影响。对比后发现,补入系统中的CO_(2)不仅提高了碳资源的利用率,同时一定程度上减少了成产成本的投入,即在“节能减排”、“增效创收”等方面发挥着显著作用。

CO_(2)浓度升高对农田生态系统水分利用效率的影响效应——基于气候箱控制性试验的Meta分析

选取1985—2020年21篇与气候箱控制性试验有关的文献,利用Meta分析法研究CO_(2)浓度升高对农田生态系统水分利用效率(WUE)的影响。结果显示,在气候箱的控制下CO_(2)浓度升高对水分利用效率有正面影响,增加的比例为20%,对碳积累和蒸散发分别有正面和负面的效应,影响的效应分别为34%和-4%,但都存在显著的异质性(P<0.05)。研究还发现,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应与对碳积累的影响效应有显著的正相关关系(P<0.05),而与对蒸散发的影响效应没有显著的相关关系(P>0.05)。异质性分析结果显示,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应在不同物种间具有显著的差异,其中对大豆和番茄的影响效应显著高于对小麦的影响效应(P<0.05)。此外,CO_(2)浓度升高对WUE的影响效应与光照强度、温度和土壤相对含水量都有显著的相关关系(P<0.05),其中与光照强度有负相关关系,与温度和土壤含水量有正相关关系;而与CO_(2)富集程度没有显著的相关关系。

烟道气回收CO_(2)与蒸汽伴注对井下工具腐蚀防护研究

注入烟道气回收CO_(2)可以有效提高采收率,并且有降低碳排放的环保意义,但有严重的腐蚀风险,针对渤海某油井采用的烟道气回收CO_(2)与蒸汽伴注方案,开展井下工具20Cr13、42CrMo、25CrMnMo、ZG35四种材质的腐蚀实验,进而开展缓蚀剂实验与材质升级实验,提出了针对烟道气回收CO_(2)与蒸汽伴注工况的防腐手段。

锰离子氧化沉淀法实现锂离子电池LiNi_(0.8)Co_(0.05)Mn_(0.15)O_(2)材料的回收和利用

以浓盐酸为浸出剂,以NaOH和NH_(4)HCO_(3)为沉淀剂,利用Mn^(2+)在碱性条件下的氧化反应改变离子的沉淀次序进而分步回收的方案,探究了浓盐酸酸浸处理三元正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.05)Mn_(0.15)O_(2)的最佳条件。在分步沉淀过程中,Mn^(2+)被氧化为不溶于非还原性酸的MnO(OH)_(2),并在酸性条件下回收。Ni、Co则在碱性条件下利用NaOH回收,而Li则利用NH_(4)HCO_(3)回收。该方法中Mn的回收率达到85.1%,产品纯度达到98.6%;Li的回收率达到95.0%,产品纯度达到99.3%。由回收材料重新合成的三元正极组装的软包电池的首圈放电比容量达到了175 mAh·g^(-1),可以以超过99.5%的库仑效率稳定循环50圈。

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。

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。

啤酒厂CO_(2)回收、使用与外销平衡系统综合技术利用与实践

2010~2022年,由于市场激烈竞争,各大型啤酒集团全方位推行了生产卓越化改革,文章对CO_(2)回收、使用与外销平衡系统改造项目从系统特征、改进措施等方面进行了详细阐述,力求为生产厂家提供更加高效的、节省成本的生产方式.

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。