全球二氧化碳减排不应是CCS,应是CCU

提出了二氧化碳减排的CCU(Carbon Dioxide Capture and Utilization—CCU)新理念,系统分析了全球现在非常重视和关注的CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage—CCS)存在投入较大的经济问题以外还存在比较大的CO2泄露、咸水层破坏、地表拱起和诱发地震等潜在风险。因此作者提出二氧化碳减排不应是CCS而应该是CCU,即在低能耗低成本条件下,利用CO2矿化转化天然矿物和固体废物联产出高附加值的化工产品,将CO2作为一种资源,真正实现CO2的高效利用。作者已探索形成了可行的技术方法,包括氯化镁矿化CO2联产盐酸和碳酸镁、固废磷石膏矿化CO2联产硫基复合肥等技术。研究表明在人类可利用的范围内,利用地壳中1%的钙、镁离子进行CO2矿化利用,理论上以50%的转化率来计算,可矿化约2.56×107亿吨CO2,按照全球2010年的CO2排放量约为300.6亿吨,可满足人类约8.5万年的CO2减排需求。同时中国的磷石膏固废每年产出约5 000万吨,利用其中的钙离子进行CO2矿化,每年可消耗CO2约1 250万吨。作者提出的CO2矿化利用的CCU新理念和技术路线,在实现CO2减排的同时,由于高附加值产品的生成,总体经济效益分析具有较好的利润空间,是真正能够开展规模化工业化应用的二氧化碳减排方法。

CO_2减排CCS与CCU路线的热力学认识

基于Gibbs自由能理论提出了以自由能耗散Ω作为CO2减排路线的热力学评价依据,减排的意义在于减少耗散。建立了输出功w与Ω的线性函数关系:w=-1/εΩ/α=-1/(1-β)·Ω/α,参数ε、β、α分别代表自由能耗散比、保留比和不可逆损失。分析计算结果表明,CCS减排路线使自由能耗散增加5.7%且转变为环境负荷,从热力学意义上不可取。CCU减排路线以循环利用为手段,将排放物的自由能转化于再生产品中从而实现自由能回收,降低环境负荷,具有热力学优势。以工业固废磷石膏矿化8×104t/a CO2的实例分析表明,CCU是具有经济效益的CO2减排路线,同时带来可观的资源与环境效益。

天然钾长石-磷石膏矿化CO_2联产硫酸钾过程评价

利用工业固废磷石膏热活化天然钾长石矿化CO2是一种减排CO2、消除工业固废并联产高价值硫酸钾的新方法。通过耦合热活化钾长石及CO2矿化过程,研究了新工艺的技术条件。通过单因素实验确定了最优化操作条件,并对最优条件下操作过程进行了评价。结果表明,钾长石/硫酸钙质量比1∶2,焙烧温度1 200℃,焙烧时间2 h,矿化温度100℃,初始CO2压力4 MPa为最佳工艺参数,此时提钾率为87%,矿化率为7.7%。新工艺在经济上可行。

NHPI催化分子氧选择性氧化木质素模型分子中的C—C键

以1,2-二苯乙烷为模型分子,考察了N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)对分子氧氧化断裂木质素分子中C—C键的催化作用,比较了Cu、Co和Mn的多种可溶性盐对NHPI催化活性的促进作用,探究了工艺条件对1,2-二苯乙烷氧化的影响规律。结果表明:NHPI能够在温和条件下催化分子氧氧化1,2-二苯乙烷中的C—C键断裂生成苯甲醛和苯甲酸。可溶性的Cu、Co和Mn盐都具有助催化作用,其中乙酸锰的助催化作用最强。确定了二苯基乙酮为氧化的初级反应产物。发现提高反应温度、增加乙酸锰用量以及延长反应时间,有利于C—C键的氧化断裂和提高小分子产物的选择性。优化的反应条件为NHPI为底物物质的量的10%,乙酸锰和NHPI之比为1:10,反应温度90℃,氧气分压1.0 MPa,反应时间8 h,C—C键的氧化断裂产物苯甲醛和苯甲酸的总选择性可达76.5%。

焙烧温度对硅酸钙矿化CO_2的影响

基于CO2矿化利用(CMU)的学术思想,提出了钾长石与氯化钙或硫酸钙焙烧提钾/提钾渣矿化固定CO2的技术路线。但是这两种路线得到提钾渣中硅酸钙(主要物相是硅灰石Ca Si O3和假硅灰石Ca3Si3O9)矿化CO2活性有很大的差异。本文考察了焙烧温度对硅酸钙矿化CO2的影响,结果表明,未焙烧硅酸钙矿化CO2转化率达到95%,随着焙烧温度的升高,硅酸钙的转化率逐渐降低,由900℃的82%逐渐降至1300℃的48%。XRD分析表明,焙烧处理使硅灰石逐渐转化成为更易于与CO2反应的假硅灰石;SEM观察发现,焙烧导致非晶态的硅酸钙颗粒晶化与烧结,比表面积显著地降低。上述两种相反的影响中,比表面积降低的不利因素占据了主导,从而降低了硅酸钙矿化CO2反应的活性。

扭曲扁平管结构对管内传热强化与阻力特性的影响

采用CFD数值计算方法,以水-空气为换热系统、水为管内流体,研究了扁平度、扭距等结构和流动参数对扭曲扁平管传热强化和阻力特性的影响规律,建立了适用于扭曲扁平管对流换热系数和Fanning摩擦因子的准数关联式。结果表明:扭曲扁平管产生的二次流对管内对流传热起到强化作用,雷诺数Re为6 000~18 000时,综合传热性能评价因子η为1.01~1.61;增大扁平度能够提高扭曲扁平管的综合传热性能;减小扭曲比虽然能够提高扭曲扁平管的对流换热系数,但阻力损失增加,且不利于提高扭曲管的综合传热性能。

钾长石-氯化钙高温反应体系热力学分析

对窑炉反应器中钾长石-氯化钙高温焙烧反应体系进行了系统的热力学分析。结果表明,在温度<1423K时钾长石转化提钾主要是通过反应Ca Cl_2+2KAl Si_3O_8=Ca Al2Si2O8+4Si O_2+2KCl实现的,按照氯化钙配料为化学计量比配料的5倍计算,当温度≥1073 K时钾长石的平衡转化率可达85%。标准状况下纯氯化钙在高温水蒸气中是稳定的,但当二氧化硅存在时氯化钙将按照反应3Ca Cl_2+3H_2O+3Si O_2=Ca_3Si_3O_9+6HCl发生显著水解,当入窑空气温度为25°C、相对湿度75%时,1073 K反应平衡时氯化氢分压>10k Pa;在钾长石-Ca Cl_2高温焙烧过程中少量产物七铝酸十二钙的形成途径可能是:14KAl Si_3O_8+54Ca O=14Ca_3Si_3O_9+Ca_(12)Al_(14)O_(33)+7K_2O;钠长石与氯化钙反应的热力学趋势远大于钾长石,因此应尽量选用低钠长石含量的钾长石矿为原料。

CO_2碳酸化石灰岩酸解产物回收乙酸及副产沉淀碳酸钙

乙酸酸解石灰石造腔是一种建造地下储库同时环保地开采石灰岩制备沉淀碳酸钙的新方法。通过耦合乙酸酸解石灰石及酸解产物乙酸钙CO2碳酸化的工艺过程,研究了乙酸酸解石灰岩的表面反应动力学和乙酸钙CO2碳酸化的工艺技术条件。采用正交实验分析法,研究了CO2碳酸化反应中乙酸钙浓度、反应温度、CO2压力、反应时间对乙酸钙碳酸化反应制沉淀碳酸钙的影响,并通过正交实验确定了最优化操作条件。实验结果表明,乙酸酸解反应速率主要受乙酸浓度控制。CO2碳酸化反应在当乙酸钙溶液浓度为0.631 mol·L-1,CO2压力为5.0 MPa,温度为80℃,反应时间为50 min时CO2碳酸化效率达到最高(23.13%),生成的沉淀碳酸钙产品各项指标均符合中国国标优级要求。

交错式涡流杆的传热强化作用和阻力特性

采用CFD数值计算方法,以水为工作介质,研究了涡流杆间距、杆长等结构和流动参数对强化管层流传热和阻力性能的影响规律。结果表明,内置交错涡流杆强化管可以使流体形成显著的径向涡流,雷诺数Re为300~1 800时,其努塞尔数和摩擦因子分别为光滑圆管的1.28~5.11倍和2.71~9.81倍,综合传热性能评价因子η为0.95~2.82。减小涡流杆间距、增加杆长均能够提高强化管的综合传热性能。

地球自然钾长石矿化CO_2联产可溶性钾盐

CO2捕捉封存是减少CO2排放,缓解温室效应重要的方法.然而,受能耗、安全以及经济因素影响,CCS技术的推广受到限制.新提出的基于矿化的CO2捕捉利用方法(CCU)是利用自然矿石与CO2反应,将CO2矿化为稳定的固体碳酸盐,同时提取高附加值的化工产物.利用自然界丰富的天然钾长石作为矿化原料,不仅可以减排大量二氧化碳,同时还可以获得稀缺的可溶性钾盐以降低CO2减排成本.实验结果表明,将钾长石与固体废料六水合氯化钙作为助剂,经800℃活化后,可在较为温和的条件与CO2反应,将其矿化为稳定固体碳酸钙,同时提取出钾长石中的钾离子,钾长石在该过程中的转化率高达84.5%.通过在氯化钙溶液中添加三乙醇胺(TEA)可实现在250℃的低温下活化转化钾长石,矿化CO2,同时提取出钾长石中的钾离子.低温下钾长石的转化率最高可达40.1%.利用地球自然钾长石矿化CO2联产可溶性钾盐的CCU新方法,具有工业可行性,是人类减排CO2,缓解温室效应的新途径.

氯化镁矿化利用低浓度烟气CO_2联产碳酸镁

CO2矿化利用是一种新的CO2减排方式,主要原理是利用天然矿物或工业废料与CO2反应,将CO2矿化为碳酸钙或碳酸镁等固体碳酸盐,同时联产高附加值的化工产品.本文提出采用低能耗的电解工艺利用氯化镁溶液矿化利用低浓度烟气CO2的新方法,该方法将氯化镁转化为活性较高的氢氧化镁,与不同浓度的CO2反应从而矿化CO2.该方法可以直接矿化浓度仅为20%的低浓度CO2,这使得直接矿化利用工业烟气CO2成为可能,避免了较高能耗的CO2捕捉提纯过程.另外,该方法可在较低的能耗下减排大量CO2,同时获取高附加值的碱式碳酸镁或三水合碳酸镁.由于氯化镁自然储量非常丰富,氯化镁矿化利用CO2具有大规模减排的潜力.