新型太阳能辅助碳捕集技术进展综述与性能比较

近年来,CO₂捕集技术正在从定向分离的单一过程向同步存储或利用的集成过程快速过渡。这种发展趋势也对太阳能辅助碳捕集的集成形式提出了更高的要求。本文综述了化学链燃烧、水合物法和热化学循环三种新型太阳能辅助碳捕集技术,从辅助方式、操作条件和性能等方面展开深入分析。围绕理想分离最小功和二次定律效率两个参数,对新技术和传统技术进行了性能评价和对比。结果说明了对于CO₂体积分数在5%～20%的混合气体,吸收法和热化学循环法的二次定律效率较高,发展较为成熟,而水合物法的分离最小功最小,理论上较易实现分离。新型太阳能辅助碳捕集技术可促进碳产品的生产,为全球碳循环的搭建完成了重要的一环。     

化学吸收法捕集二氧化碳的研究进展

近年来,由于化石燃料的大量燃烧,二氧化碳的排放量剧增,进而引起了一系列生态问题。因此,研究更有效的二氧化碳捕集技术及更高效的二氧化碳吸收剂迫在眉睫。众多学者综合考虑燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧3种二氧化碳捕集工艺技术后,发现燃烧后捕集工艺技术最适合工业应用。化学吸收法作为燃烧后捕集二氧化碳的一项高效节能、相对成熟的新兴技术,是目前电厂应用最广和最具潜力的捕集技术之一。首先介绍了碳捕集技术的研究现状,然后着重阐述了目前碳捕集技术中备受关注的4种化学吸收剂,即有机胺溶液吸收剂、离子液体吸收剂、氨水溶液吸收剂和新型相变吸收剂,并分别探讨了这4种吸收剂的捕集原理、研究现状、各自的优缺点及改进方向。     

燃煤电站与光伏余热辅助胺法脱碳系统集成

为应对全球变暖问题,对现有燃煤电站进行碳捕集改造以及大力发展清洁能源势在必行。化学吸收法在碳捕集技术中发展最为成熟,但其再生能耗极高严重影响了燃煤电站自身的发电效率,因此有学者提出通过清洁能源辅助碳捕集的利用方式,其中光热辅助碳捕集应用最为广泛,但该利用方式未发挥单一光热的利用潜力。通过利用聚光光伏发电过程中产生的大量低品位废热辅助碳捕集可以提高光伏系统效率同时对低品位废热进行了有效利用。基于此构思了聚光光伏-光伏余热直接辅助碳捕集的新系统,建立了聚光砷化镓-余热辅助胺法脱碳的能量转化模型,验证了聚光光伏余热在质和量上都具有直接辅助胺法脱碳的潜力,依据热耗灵敏度分析优化了胺法脱碳系统关键参数,其最低热耗可达3.7 GJ/t,分析了电池工作温度及辐照强度对系统碳捕集性能以及光电效率的影响规律,确定了电池最优工作温度为140℃。将新系统集成于典型600 MW燃煤电站,并与参比系统比较可得:相较于单一燃煤碳捕集,电站发电效率提升6.01个百分点,同时增加光伏发电185.2 MW;相较于单一光伏发电,光伏发电量降低15.79 MW,但占接收太阳能60%的余热得到了有效利用,可实现CO₂捕集461.75 t/h。新系统在典型日的光伏日均发电为61.8 MW,日均碳捕集量为155.6 t/h,为实现年碳捕集保证率达80%以上,需要约4 km²以上的聚光面积。新系统利用光伏余热代替了原本从电站低压缸抽汽,消除了碳捕集对电站的能源惩罚,同时将高品位的太阳能转化为电,并对低品位的光伏余热进行对口利用。系统最终实现了太阳能的高效利用以及化石能源的并行清洁利用。     

碳中和目标下的水泥工业低碳技术研究

介绍了世界水泥工业低碳技术。水泥行业的碳减排对我国实现碳中和目标的影响重大,迫切需要水泥行业通过技术创新驱动实现绿色低碳发展。针对水泥工业的碳排放主要来源,碳减排技术路径主要包括能源效率提升、原/燃料替代、低碳水泥、碳捕集利用和封存。比较分析了国内外典型的水泥窑替代燃料技术。从水泥窑尾烟气中捕集CO2,除了富氧燃烧和化学吸收法外,还包括直接分离的捕碳技术。介绍了水泥窑捕集到的高浓度CO2进行资源化利用的技术途径。     

无机固体吸附剂在二氧化碳捕集应用中的研究进展

随着全球气候变暖,二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）逐渐成为科学界和工业界的研究热点。CCUS的关键是选择性地从气体混合物中捕集二氧化碳。目前二氧化碳捕集技术包括化学吸收、膜分离、吸附和低温分离等。吸附法是利用吸附剂对不同气体的吸附能力差异来进行二氧化碳捕集。综述了分子筛、介孔二氧化硅、黏土及多孔碳等无机固体吸附剂在二氧化碳捕集应用中的研究进展。对比了不同改性方法对吸附剂吸附二氧化碳性能的影响。从应用角度来看,分子筛、介孔二氧化硅、黏土具有潜在的成本效益,但仍需在工程设计开发方面得以进一步发展,以适用于不同应用需求的二氧化碳捕集。     

波塞特葡萄酒采用去氧技术的PET包装瓶

空气产品公司致力于为能源工业及化学公司和其他能源密集型行业提供大规模二氧化碳捕集或二氧化碳减排技术。该公司正在采用3项技术使发电厂减少或避免二氧化碳排放，包括后燃烧洗涤系统，电厂排放娴囱的终端捕集二氧化碳技术，以及涉及二氧化碳捕集和分离的预燃烧气化技术。     

提高IGCC合成气水合物形成速度及提纯其中H2的工艺

引言 化石燃料燃烧释放的二氧化碳气体已经被证明是导致全球气温升高和气候变化的主要温室气体.火力发电厂制造的二氧化碳气体约占全球每年产生的二氧化碳的总量的1/3.二氧化碳分离主要有3种途径:燃前除碳(pre-combustion de-carbonization),富氧燃烧以及燃后工序中从烟气中分离二氧化碳.二氧化碳气在电厂中的分离捕集可以在烟气中(燃后捕集)和IGCC工艺(燃前捕集)中实现.     

基于碳捕集的太阳能-燃煤机组热力性能及技术经济分析

针对碳捕集系统对燃煤机组热经济性方面的影响,以600MW超临界燃煤机组为研究对象,研究了燃烧后碳捕集的再生能耗,提出了基于碳捕集的太阳能辅助燃煤机组热力系统集成方案,阐述了该集成系统碳捕集的工作原理和吸收机理,建立了集成系统热经济性评价指标。利用系统灵敏度分析法,计算了碳捕集率对集成系统热经济性的影响,并将相关数据绘制成曲线图加以对比分析。结果表明：当乙醇胺溶液浓度为30%、CO2捕集率为85%、当地日照达到最佳辐射强度500W/m2时,该太阳能集成系统的热效率为43.604%,此时太阳能-燃煤机组碳捕集电站的发电成本为0.5606￥/(kW?h),CO2的减排成本为0.5557￥/(kgCO2)。     

氨法捕碳技术再生过程无机添加剂效应研究进展

近年来,二氧化碳等温室气体的过量排放已成为全球气候变化的主要原因,为达到“碳达峰、碳中和”的目标,中国积极参与国际社会碳减排行动,主动顺应全球绿色低碳发展潮流。由于中国正处于新旧能源结构交替的过渡期,二氧化碳重要来源是以化石燃料燃烧为主的火电厂排放的烟气,因此减少烟气排放并进行二氧化碳捕集仍是碳减排的关键。碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage,CCS）技术中的氨法碳捕集技术具有众多优点,成为目前研究热点之一。通过类比氨法脱碳过程中添加剂对氨逃逸与二氧化碳脱除效果的影响,重点分析了无机添加剂对富液解吸的影响,对国内外的研究进展进行了综述,对该技术未来发展方向进行了展望,包括再生机理、再生能耗、氨逸出、添加剂与吸收剂的循环利用与过渡金属氧化物的尝试等。     

盐水体系的二氧化碳-氢水合物结构和组分研究

水合物法二氧化碳(CO₂)捕集是实现“双碳”目标的高效技术之一。利用激光拉曼测量气体水合物结构和组成可以作为定性/定量分析水合物法CO₂分离捕集效率的基础。本研究利用激光拉曼测量了不同体系利用水合物法从CO₂/H₂混合气中分离捕集CO₂过程中水合物的微观结构和组成。研究结果表明，利用泡沫镍代替机械搅拌，促使H₂进入了水合物笼，从而降低了CO₂的分离效率。研究结果为进一步优化水合物法CO₂分离捕集工艺提供了科学依据。     

基于热流逸效应的燃煤电厂烟气二氧化碳分离系统

分离捕集CO₂是实现“双碳”目标的重要途径之一。常规的CO₂分离方法普遍能耗较高,若能以余(废)热为动力来分离CO₂则可综合利用能源、降低能耗。本文针对高碳排放但却拥有丰富余(废)热资源的燃煤电厂,提出了一种基于热流逸效应的烟气CO₂分离系统,并建立了相应的分离过程数学模型和系统性能评价指标。分析表明,CO₂的浓度和回收率均随热流逸式气体分离器串联级数的增加而升高,但浓度和回收率达到某一阈值后效果不再明显;典型的1000MW燃煤电厂烟气经该系统中串联的24级分离器处理后,CO₂的物质的量分数最高可达98.89%,回收率达72.53%。此外,该系统可梯级利用烟气的余热,?效率为64.8%,单位能耗为0.047GJ/tCO₂,与传统CO₂分离方法相比具有一定节能潜力。利用热流逸效应分离CO₂符合当下净零碳排放的政策导向,为CO₂的分离捕集提供了新思路。     

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...     

Carbon capture from stationary power generation sources: A review of the current status of the technologies

The world will need greatly increased energy supply in the future for sustained economic growth, but the related CO₂ emissions and the resulting climate changes are becoming major concerns. CO₂ is one of the most important greenhouse gases that is said to be responsible for approximately 60% of the global warming. Along with improvement of energy efficiency and increased use of renewable energy sources, carbon capture and sequestration (CCS) is expected to play a major role in curbing the greenhouse gas emissions on a global scale. This article reviews the various options and technologies for CO₂ capture, specifically for stationary power generation sources. Many options exist for carbon dioxide capture from such sources, which vary with power plant types, and include post-combustion capture, pre-combustion capture, oxy fuel combustion capture, and chemical looping combustion capture. Various carbon dioxide separation technologies can be utilized with these options, such as chemical absorption, physical absorption, adsorption, and membrane separation. Most of these capture technologies are still at early stages of development. Recent progress and remaining challenges for the various CO₂ capture options and technologies are reviewed in terms of capacity, selectivity, stability, energy requirements, etc. Hybrid and modified systems hold huge future potentials, but significant progress is required in materials synthesis and stability, and implementations of these systems on demonstration plants are needed. Improvements and progress made through applications of process systems engineering concepts and tools are highlighted and current gaps in the knowledge are also mentioned. Finally, some recommendations are made for future research directions.     

Towards a cleaner natural gas production: recent developments on purification technologies

ABSTRACT

The development of new, efficient and cost-effective technologies for acid gases (CO₂ and H₂S) removal from natural gas is pertinent for cleaner energy productions. The removal of acid gases from natural gas can be carried out using different techniques (chemical, physical or hybrid). Although the widely employed techniques are generally effective, they have some ascribed drawbacks such as process efficiency and high-energy cost. Emerging techniques are being considered to reduce or eliminate these limitations but their deployment on an industrial scale may require that certain scientific and technological criteria, such as higher selectivity and gas separation kinetics, be met. Unprecedented and lacking in previous appraisals, this review has focused on the emerging and sustainable developments on acid gases removal from natural gas, but not without a critical evaluation of the existing technologies to provide a better background on the subject, ascertain the status-quo and identify gaps for further improvements. Efficiency of these emerging technologies are analysed with focus on ionic liquids and their blends, binding organic liquids, enzyme-based separation technologies and others. This review also features the brief contribution of the authors towards the development of low-cost materials for CO₂/natural gas separation. This article is expected to serve as an in-depth requisite background for further research on carbon capture processes with respect to natural gas purification.     

Carbon dioxide sequestration in petrochemical industries with the aim of reduction in greenhouse gas emissions

The mitigation of greenhouse gas emissions to acceptable levels is arguably the greatest environmental challenge these days. Vast utilization of fossil fuels and forest destruction are main causes of CO₂ increase in the atmosphere. Carbon dioxide sequestration that consists of separation, transportation and utilization or storage of CO₂, is one way for reduction of its emission, in which the most costly section is separation. Different methods can be used for carbon dioxide separation such as absorption, membrane separation, adsorption and cryogenic distillation. Economic, technical and environmental issues should be considered in selection of the technology for particular application. Carbon dioxide concentration, temperature, pressure and flow rate are influential operating parameters in the selection of the appropriate separation method. Nowadays, absorption is the worldwide industrial separation method. New researches are focused on developing new stable solvents and efficient column configuration with suitable internals to minimize pressure drop. Membrane separation and adsorption (PSA type) are other long-term alternatives that can increase separation efficiency and decrease separation cost. The level of energy consumption in various separation methods are in the order: chemical absorption>physical absorption>membrane separation. Because of high investment costs, current separation technologies are suitable for large concentrated sources. In the present paper, different processes for carbon dioxide separation are investigated and compared. Available technologies and commercial plants for CO₂ sequestration are provided.     

二氧化碳转化为合成气及高附加值产品的研究进展

由于二氧化碳（CO₂）过度排放导致全球变暖日益严峻,发展零碳技术已成为人类社会面向可持续发展的战略选择。将CO₂捕集并转化为高附加值化学和能源产品,可以优化化石能源为主体的能源结构、有效缓解环境问题,并实现碳资源的充分利用,是一项可以大规模实现低碳减排的技术。本文重点介绍了CO₂高效利用新途径,通过二氧化碳-合成气-高附加值化学品的产品工艺路线,实现CO₂的资源化利用。对比综述了热催化法、电催化法和光催化法高效转化合成气的最新进展,总结了热、电、光催化制备合成气过程中催化剂的设计原理和方法以及目前工业化应用前景;简单概述了合成气作为重要平台分子,进一步通过费托合成路线或接力催化路线转化为低碳烯烃和液态燃料或芳烃等化学品过程中催化剂设计研究进展。最后,总结了大规模工业化CO₂转化为合成气及高附加值产品过程催化剂设计和反应器优化的技术难题,并对未来CO₂高效转化利用方向进行了展望。同时指出目前各技术还普遍存在反应机理不清晰、催化剂成本高以及缺乏大规模合成等问题,未来开发出高效、高活性、低成本且稳定的催化剂是各技术推广应用的关键。     

炼厂气回收过程中分离技术的能效分析

针对炼厂气多目标回收工艺设计时缺乏理论指导的问题,本文系统阐述了分离过程能效比的概念,将气体分离过程中压力和温度变化导致系统与外界交换的能量统一用电功表示,得到了分离过程能耗与产品回收量间关系的定量表示方法;以某厂炼厂气回收过程为例,比较了不同分离技术和不同分离过程的能效比。当产品氢纯度要求不高（≥97%）时,采用变压吸附（PSA）工艺的能效比较高（0.86）,与膜分离工艺相比,提高了28%;当产品氢纯度要求较高（≥99.9%）时,采用膜分离-PSA工艺可以获得更高的能效比（0.54）,与PSA-膜分离工艺相比,能效比提高了40%。研究结果表明：分离过程的能效比可以用于评价不同分离技术或不同分离过程的能量效率,可用于指导不同分离技术的适用范围和多技术耦合工艺过程的设计,能够为炼厂气回收工艺设计提供一定的理论指导。     

变温吸附碳捕集系统能效性能对标分析

准确且合理的能耗分析对碳捕集技术规模化发展至关重要,其既是碳捕集技术节能降耗的必要前期准备,也是碳捕集过程开展绿色化、清洁化性能评价的重要数据基础。因此,在对碳捕集过程的能源转换共性展开探索的同时,迫切需要面向工程实践的需求,形成易于操作的能效性能对标分析方法,从而保证对类型技术的性能认知可以在合理且统一的评价平台上进行归纳与比较。本工作基于对标分析(Benchmarking Analysis)方法,对变温吸附碳捕集(TSA)过程的能耗分析方法进行了阐述,包括流程、参数、模型等。研究了吸附温度和解吸温度对TSA能效性能结果的影响,演示并量化了该方法的可行性,重点对边界变化对评价结果的影响进行了讨论。提出的对标分析方法对碳捕集技术的能效性能对标评估给出了较具体的指导。