洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2021年第02期

• 现实可行且成本可负担的中国电力低碳转型路径

  李政, 陈思源, 董文娟, 刘培, 麻林巍, 何建坤

  电力行业的脱碳对于实现《巴黎协定》的减排目标至关重要，但同时也面临着巨大的困难和挑战，具有很强的复杂性和不确定性。为了给出现实可行且成本可负担的电力低碳转型路径，建立了具有足够时空分辨率和技术准确度的“自下而上”能源系统模型来模拟与优化中国电力行业的未来发展路径。通过设置三种典型情景（基准情景、2℃情景和1.5℃情景），分析电力脱碳技术路径以及相应的实施方案。结果表明，若按照当前的电力发展趋势，将不能实现《巴黎协定》规定的2℃/1.5℃目标，必须在当前基础上加大可再生能源扩张、加快燃煤电厂退出以及大规模部署碳捕集技术。未来30年，风电和光伏发电需要逐渐转变为主力电源，年均装机增速达到当前水平的2-4倍。燃煤机组的容量需要逐渐减少，部分机组甚至要提前退役，这将导致燃煤机组的平均寿命降低0.42-1.93年，对应1050-6550亿元的搁浅成本。碳捕集技术需要大规模应用，尤其是煤炭生物质掺烧再加碳捕集装置的技术，到2050年，电力行业的二氧化碳年捕集量达到8.9-10.8亿吨。为了保障上述转型路径的实现，需要处理好电网安全稳定运行、煤电有序退出、碳捕集技术的部署以及转型投资成本的问题。通过加大储能等先进技术研发力度、建立存量煤电有序退出机制、加快碳捕集相关技术的研发与应用示范以及建立和完善绿色投融资机制等措施，可以有效地解决这些问题。应对气候变化是全人类共同的责任，应当从现在起就超前部署相关措施和政策，以实现2℃/1.5℃目标下的中国电力低碳转型。

• CO2化学吸收系统污染物排放与控制研究进展

  方梦祥, 狄闻韬, 易宁彤, 王涛, 王勤辉

  CO2 化学吸收技术因其捕集效率高、技术相对成熟和适应性好，是目前最具工业应用潜力的CO2 捕集技术，然而，CO2 化学吸收系统在使用吸收剂捕集烟气中CO2 的同时，部分吸收剂及其降解产物随烟气排出，增加吸收剂的损耗，造成新的环境污染问题。本文介绍了CO2 化学吸收系统污染物的三类排放形式，包括物理夹带、气体和气溶胶；分析了气溶胶生成生长机理，综述了烟气凝结核、塔内条件等因素对气溶胶主导的有机胺排放影响和对降解产物排放的研究；最后对当前污染物排放控制手段的控制效果及优缺点进行总结，以期为CO2 化学吸收技术的工业应用提供指导。

• 富氧燃烧颗粒物生成和灰沉积特性研究进展

  王越明, 刘慧敏, 仇兴雷, 段伦博

  富氧燃烧技术是最有前景的燃煤电厂碳减排技术之一，本文对富氧燃烧中的颗粒物生成和灰沉积现象进行了系统的综述，介绍了氧气浓度、压力及燃料特性对颗粒物生成和灰沉积特性的影响机理。富氧燃烧中生成的颗粒物主要可分为亚微米和微米颗粒，其中亚微米颗粒主要由灰分经气化、冷凝和凝聚过程形成，微米颗粒则主要伴随焦炭破碎过程形成。氧气浓度升高导致火焰温度升高，一方面更多的灰分在高温下气化从而促进了亚微米颗粒的生成，另一方面高温加剧了碱金属蒸气和硅铝酸盐粗颗粒的交互反应导致亚微米颗粒中碱金属含量降低。而压力的上升则可能会抑制亚微米颗粒的生成。但是氧气浓度和压力对微米颗粒的产率和成分影响均不显著。积灰主要通过惯性碰撞、热泳力、冷凝和化学反应形成。富氧燃烧中氧气浓度上升会促进积灰的生成，一方面因为烟气温度升高，颗粒物粘度降低而在碰撞到壁面后更易粘结形成积灰；另一方面因为亚微米颗粒增多，更多细颗粒可以通过热泳力迁移到换热器表面形成积灰。虽然氧气浓度对外层积灰的成分并没有明显影响，但是紧贴壁面的内层积灰由于含有较多亚微米颗粒，其成分变化与亚微米颗粒趋势相似。压力升高时，积灰中的硫含量增高而氯含量降低，但是对积灰生成速率的影响暂不明确。

• 煤化学链燃烧载氧体研究进展

  白歆慰, 刘金昌, 白磊

  煤的化学链燃烧是清洁煤燃烧的重要技术之一。化学链中载氧体的使用可以避免煤和空气的直接接触，从而避免氮氧化物等污染物的产生并且提高能量转化效率。一般来说，煤的化学链燃烧有两种反应途径：煤气化化学链燃烧和氧解耦化学链燃烧；不同的反应途径将极大影响载氧体组分以及结构的设计。本文详细论述了近年(2015-2020)来煤化学链燃烧中固态金属载氧体的研究进展，包括铁基，锰基，铜基以及其他复合金属载氧体。铁基载氧体被广泛应用于气化化学链燃烧中，适量添加碱金属或碱土金属可以提升载氧体的反应活性。锰基载氧体在化学链燃烧中具有两面性：一方面可以在高温缺氧气氛中释放气态氧，另一方面也可以和还原性气体发生气-固反应。通过使用惰性载体以及碱金属添加剂可以提高锰基载氧体的机械强度和氧解耦能力。新型双金属或多金属载氧体也可以显著提高载氧体的反应活性。文中总结了不同金属载氧体的优缺点，反应路径、气-固和固-固反应机理、金属与载体的相互作用以及载氧体失活原理， 并基于载氧体的研究现状对未来的发展方向提出了建议。

• 煤粉无焰富氧燃烧的数值模拟方法进展

  成鹏飞, 李鹏飞, 胡帆, 刘璐, 王飞飞, 张健鹏, 米建春, 柳朝晖, 郑楚光

  无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一，可在捕集高浓度CO2的同时显著降低NOx排放，并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学（CFD）作为燃烧研究的重要手段之一，具有快捷、成本低和数据丰富的优点，有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累，本文对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结：首先强调了煤粉无焰燃烧的实验和数学定义；然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展，并总结了煤粉无焰富氧燃烧的模拟研究情况；最后展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。

• 空气中直接捕集CO2技术研究进展

  张杰, 郭伟, 张博, 张榕江, 杨伯伦, 吴志强

  减少碳排放并推动碳中和是应对气候变化、促进经济社会绿色转型的重要途径之一，碳中和技术已成为工业界和学术界的关注焦点。目前碳捕集与封存主要对工业固定源排放的CO2进行处置捕集，而对占CO2总排放近50%的分布源CO2关注度不高。直接空气捕集（Direct air capture, DAC）技术不仅可对数以百万计的小型化石燃料燃烧装置以及数以亿计的交通工具等分布源排放的CO2进行捕集处理，还可有效降低大气中CO2浓度。笔者介绍了DAC的发展历史、研究现状以及发展趋势，综述了已有DAC技术的工艺流程以及反应装置，分析了DAC吸收/吸附材料的作用原理以及吸附效果，对比了DAC与其他碳捕集技术的成本并进行了技术经济性分析，指出目前限制DAC工业化应用的主要因素之一在于吸收/吸附材料和相关工艺成本过高。全面探究吸收/吸附材料稳定性、动力学、吸附容量、选择性、再生能量损失等综合性能，研发利于快速装载和卸载吸附剂的相关装置，开发成本低廉的工艺系统是目前DAC领域的发展方向和迫切需求。

• 碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集应用研究进展

  于洋, 刘琦, 吕 静, 罗 聃, 彭勃

  化石燃料的使用是全球气候变暖的主要原因，二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技术能够有效减少碳排放，缓解气候变化压力。化学吸收法是CO2 捕集的重要方法之一，具有分离效率高、成本低的优点，但其存在解吸过程中消耗能量较多、长期使用造成设备腐蚀性等问题。利用碳酸酐酶（CA）强化化学方法吸收CO2，可以提高CO2 的吸收效率且有效解决传统工艺中的热能损失，已逐渐成为CO2 捕集与封存研究中的热点。但CA 自身热稳定性低、可重复性差，需对其进行固定化以提高稳定性和活性。笔者重点介绍了CA 的固定化方法及常用载体材料，总结了CA 在强化CO2 捕集中的作用机理，讨论了其在CO2 捕集中的应用，并对该技术的发展作出展望。固定化载体与方法会影响固定化酶的性质，故CA 在固定化时要选择合适的载体与方法。CA 固定化方法包括吸附法、包埋法、共价结合法和交联法四种，各有优劣，应根据酶所应用的领域来选择合适的固定化方法。常用固定化载体有天然高分子、无机载体材料等，选择时应综合考虑载体的理化性质和工业应用能力。在CO2 捕集过程中，CA 主要通过促进化学溶剂吸收CO2 和诱导CO2 矿化生成碳酸钙两个方面强化捕集效率。未来研究方向应集中于：开发具有更高活性和稳定性的新型CA、制备廉价高性能载体材料和进一步探究CA 的内在因素和外界条件对其工业应用产生的阻碍。

• 富氧燃烧烟气净化工艺研究进展

  刘敦禹, 蔡雨阳, 金晶, 许开龙

  随着工业的快速发展，化石燃料的消耗与日俱增，造成了大量温室气体CO2 的排放，全球气候变化形势不容乐观。为了减少CO2 的排放，需要对高浓度的CO2 进行捕获、利用与封存，而富氧燃烧技术能有效地实现碳捕集，是目前最具有潜力的碳减排技术之一。富氧燃烧过程中，SOx、NOx、Hg 等污染物以及惰性气体的存在不利于碳的捕集与封存。由于烟气中的各成分浓度会对管道运输、地质储存和提高采收率(EOR)产生影响，文中首先介绍了烟气中CO2 及各种杂质浓度的不同标准，然后系统综述了国内外脱硫、脱硝、脱汞和惰性气体脱除以及联合脱除技术的研究进展。SOx 脱除技术分为干法脱硫技术、湿法脱硫技术以及半干法脱硫技术，其中石灰石/石膏湿法脱硫技术是目前应用最广泛也最成熟的烟气脱硫技术，并描述了富氧燃烧烟气中CO2 气氛对SOx 脱除的影响。NOx 脱除技术除了传统的选择性催化还原技术(SCR)、选择性非催化还原技术(SNCR)外，重点描述了氧化吸收法脱硝技术以及加压条件下NO 的氧化机理。总结了Hg 脱除技术中不同烟气成分对Hg 氧化的影响，论述了活性炭以及活性炭改性后对Hg 脱除的影响。介绍了惰性气体的净化技术，主要采用变压吸附方法来吸附和解吸附，降低了CO2 气流中惰性气体去除的成本。重点讨论了在烟气压缩液化系统中的联合脱除技术，有效地利用压缩过程条件将SOx、NOx、Hg 分别以硫酸、硝酸、Hg(NO3)2 形式协同去除，提出了高压下NO2 与Hg 反应产物的不确定性，简单介绍了低温碳捕集技术的研究进展。最后对未来研究方向进行展望。

• 化学链合成氨技术研究进展及展望

  吴烨, 冯鸣谦, 方婧, 刘冬, 张睿, 应遥瑶, 徐磊

  氨气不仅是重要的化工原料和良好的氢载体，它可以作为无碳燃料的属性也引起了越来越多科研工作者的关注。低能耗高效率的合成氨工艺是实现氨能够作为燃料应用的关键。笔者阐述了合成氨工艺的发展历程，概述了以Haber-Bosch 工艺为基础的多相催化和光、电等外场力驱动的合成氨工艺的新发展，重点介绍了化学链合成氨的最新研究成果，并对其研究方向进行展望。传统Haber-Bosch 工艺苛刻的反应条件以及热力学和动力学之间的矛盾，促使科研工作者一直努力探索可持续的环境友好型合成氨技术。随着催化科学和表面科学的进步，人们对合成氨的反应机理和催化剂的物化性质有了更深入的认识，这为开发“绿色”合成氨工艺提供了有价值的参考信息，如要提高过渡金属催化合成氨性能，须尽量规避表面物种吸附能间的线性关系。另外，以可再生能源为能量来源的光、电催化合成氨，借助外场作用可以有效地影响反应速率和机理。化学链技术的发展为合成氨工艺提供了新思路，将合成氨过程解耦为吸氮和释氮产氨两个或多个分步反应，可较好地缓解合成氨热力学和动力学矛盾，规避反应物竞争吸附。同时，各分步反应可分别优化，使整个化学链合成氨工艺达到最佳反应效果。未来采用太阳能聚热供能以及以生物质炭为碳源，并对化学链合成氨工艺进行经济性分析反馈指导工艺流程的优化，可降低碳基化学链制氨工艺的成本和能耗。

• 基于二氧化碳驱油技术的碳封存潜力评估研究进展

  叶航, 刘琦, 彭勃

  CO2是人类生产生活活动排放的主要温室气体之一，被公认为是导致全球气候变化的主要原因。CCUS技术是一项能够实现CO2深度减排、缓解气候变化的重要途径。其中，CO2-EOR技术具有广阔的前景，油藏作为碳封存的理想场所，在实现CO2长期有效封存的同时，还能提高原油采收率，达到经济效益与社会效益共赢。确定目标油藏的碳封存潜力对于CO2-EOR技术的大规模实施具有重要意义。当前，CO2封存潜力评估方法较多，但往往只能针对特定油藏使用，缺乏标准的普适性方法。本文讨论了CO2驱油与封存机理，总结了国内外权威机构提出的CO2-EOR封存潜力评估公式，通过实例分析详细论证了方法的普适性，并对准确评价CO2-EOR过程中碳封存潜力的下一步工作做出了相应的展望。CO2驱油过程是通过引起原油体积膨胀、降低原油粘度、改善油水流度比、萃取轻质组分、混相效应等机理提高原油采收率；而CO2封存则主要是依靠地质构造封存、束缚空间封存、溶解封存和矿化封存四种机理，二者概念不尽相同。目前，比较权威且使用较多的CO2封存潜力评估方法主要有四种：US-DOE、CSLF、USGS和RIPED&CUP评价方法。其中，US-DOE和USGS方法是以体积平衡理论为基础的估算方法，依托封存效率，通过多种封存机理的组合来估算CO2封存量。CSLF方法以物质平衡理论为基础，估算结果与资源储备金字塔一致，但未考虑溶解封存机理。RIPED&CUP方法实则是CSLF方法的改进版，在其基础上考虑了CO2在地层流体中的溶解问题，使其计算公式更加贴合我国油藏实际条件，但在各阶段原油采收率的确定是个难题。因此为保证估算结果的准确性，应根据油藏的地质特征选用最适宜的评价方法。为更加精确地进行碳封存潜力评价，下一步工作应从明确油藏开发策略、考虑滞后效应、使用现场数据修正以及加强安全风险评估等方面开展。

• CO2合成醇酯类化学品和高分子材料研究进展

  白煜, 梁杰, 王利国, 曹妍, 贺鹏, 李会泉

  我国作为煤炭大国，燃烧化石燃料产生大量CO2。通过化学作用将CO2转化为能源燃料、基础化学品或高分子材料，有利于实现碳氧资源综合利用。本文从CO2直接利用和间接利用的角度出发，分别综述了CO2的资源化利用研究进展。直接利用方面，重点阐述了CO2直接加氢合成甲醇和乙醇；同时，CO2可作为羰基化剂合成有机碳酸酯和高分子材料，包括碳酸二乙酯、聚碳酸酯和CO2基可降解聚合物。在间接利用方面，重点阐述了CO2经过碳酸乙烯酯的酯交换反应合成碳酸二甲酯，以及碳酸乙烯酯加氢制备甲醇联产乙二醇的研究进展。CO2加氢直接合成甲醇催化剂主要包括铜基催化剂、贵金属催化剂，由于贵金属的成本高，因此Cu基催化剂研究较为广泛，甲酸盐是CO2加氢直接合成甲醇的重要中间体。CO2加氢直接合成乙醇，研究最广泛的催化剂为贵金属（Rh、Pd、Ru）基催化剂体系，还需进一步研究廉价、活性和稳定性高的催化剂。CO2与乙醇直接合成DEC研究较多的催化剂为铈基多相催化剂，但由于生成物中水分的影响，限制了DEC的选择性。环氧化物和CO2耦合反应生成DEC过程中不产生水，可以有效克服热力学的限制，因此高能化合物与CO2的耦合路线是高效制备DEC的有效途径。CO2与环氧化物共聚制备聚碳酸酯材料多采用稀土三元催化剂体系，环氧化物的转化率和聚碳酸酯选择性较高，目前已经实现工业应用。CO2通过碳酸乙烯酯与甲醇酯交换合成DMC，多使用碱性较强的催化剂和碱性基团的离子交换树脂。在CO2经碳酸乙烯酯加氢制备甲醇和乙二醇的反应中，铜基催化剂研究较多。CO2化学转化利用是CO2碳氧资源综合利用的重要途径，将有效支撑我国未来碳中和目标实现。

• 热助光催化CO2还原研究进展与展望

  赵江婷, 熊卓, 赵永椿, 张军营

  光热催化是一种极具前途的CO2还原策略，可以利用太阳光谱的广泛吸收来激发热化学和光化学过程的结合，从而协同推动催化反应的进行，使得CO2在较为温和的条件下实现高效转换。作为光热催化的一种，在光催化中引入热能，可以提高太阳光利用率，促进载流子的激发和分离，加快反应分子扩散，从而提升反升性能。本文对当前光热催化CO2还原的概念和原理进行了分类，并对热助光催化还原CO2反应的研究现状进行了总结。基于反应产物的差异，介绍了热助光催化反应的催化剂选择，反应条件和反应机理，此外，还介绍了这类反应实验中关键的局部测温技术。最后对热助光催化CO2还原技术的发展进行了展望。

• 限碳背景下燃煤电厂对策分析与电化学催化还原技术进展

  马双忱, 武凯, 刘畅, 别璇, 王智, 王雨菲, 李嘉雨

  分析了目前CO2减排的压力和趋势，以电化学催化还原为技术核心，结合燃煤排放特点，对电化学体系进行了优选，提出限碳背景下燃煤电厂的减排策略。在缓解日益严峻的CO2减排和温室效应问题的同时，将大体量废弃的CO2转化为具有利用价值的产品是碳捕集与利用的必由之路。对CO2电化学催化还原技术的过程原理进行简要阐述，围绕电极、电解质、CO2溶解性、反应器形式进行讨论，结合电化学催化还原技术特点和燃煤电厂结构特征，对大体量、低浓度CO2电化学催化还原条件进行筛选，确定了以Cu基气体扩散电极-离子液体-连续式反应器为核心的基本电化学体系，进而提出燃煤电厂烟气中CO2电化学催化还原对策，但在向实际应用转化过程中该技术仍面临非理想气源中杂质的影响、还原电流密度低引发的产物生成速率慢、电极寿命短、产物多样性伴随的分离及提纯难度大等障碍，为面向应用的技术发展指明了研究方向。

• 富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

  吴晓峰, 范卫东

  富氧燃烧过程中，由于使用再循环烟气代替空气中的N2 作为稀释剂，烟气中存在大量的CO2 和H2O。CO2 和H2O 作为非极性三原子分子，具有N2 所没有的辐射能力，导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中，气体辐射模型是一个重要的子模型。已有前人提出多种修改过后适用于富氧燃烧的气体辐射模型，但是不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下，气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响，通过编程，将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的六种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明：在气体富氧燃烧中，气体辐射模型影响了火焰结构。同时，燃烧温度分布有所变化，不同模型结果之间差别最高可到500K。气体与壁面之间的辐射换热也被大大影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大，而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中，当有效辐射层厚度在0.3m 左右时，比如在100kW 下行炉中，气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是因为颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16m 左右时，比如1000MW 塔式炉中，气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大，温度差别可到100K 左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。

• 生物质三组分在O2/CO2气氛下的着火行为研究

  程偲哲, 邹春, 姚青, 娄春, 王树森, 经慧祥, 梅媚

  生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点，既能减少化石燃料的使用，又能很容易地实现CO2的捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气浓度大于21%，因而氧气浓度对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的三种主要组分，研究其富氧条件下的着火及燃烧行为能为生物质的着火及燃烧行为的研究提供重要依据。本文利用滴管炉结合高速摄像机，研究了74-154μm粒径的纤维素、半纤维素和木质素在温度为1273 K，氧气浓度为21%、30%、50%、70%和100%的O2/CO2气氛中的着火行为，并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明，随着氧气浓度的增加，纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火机理都转为非均相着火机理，纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的氧气浓度分别为30%、70%和50%。纤维素着火对氧气浓度变化敏感，当氧气浓度超过30%时，纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气浓度升高而提高，半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气浓度的增加其燃烧比例减弱，焦燃烧比例增加，而木质素则是因为氧气浓度的升高强化了木质素焦的燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间都随氧气浓度的升高而缩短，两者都是由于氧气浓度的升高强化了焦的燃烧。另外，在较高氧气浓度下木质素焦会发生熔融并膨胀，形成明显的膨胀火焰。

• 燃煤电站与光伏余热辅助胺法脱碳系统集成

  邢晨健, 王瑞林, 赵传文

  为应对全球变暖问题，对现有的燃煤电站进行碳捕集改造以及大力发展清洁能源是势在必行的举措。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是应用最为广泛的，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。基于此本研究构思了聚光光伏-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3.7GJ/ton CO2，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600MW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185.2MW；相较于单一光伏发电，光伏发电量降低15.79MW，但占接收太阳能70%的余热得到了有效利用，其可实现461.75t/h CO2捕集。新系统在典型日的光伏日均发电为61.8MW，日均碳捕集量为155.6t/h，为实现年碳捕集保证率达80%以上，需要约4km2以上的聚光面积。新系统通过利用光伏余热代替了原本的从电站低压缸抽汽，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了电，并对低品位的光伏余热进行了对口利用。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。

• 不同钙基吸附剂捕集CO2后的硫酸化反应特性研究

  孙锋, 申成, 罗聪, 罗童

  钙基吸附剂在进行了多次CO2 捕集之后，碳酸化效率会大幅衰减，此时的吸附剂能否高效地进行脱硫利用是值得重点关注的问题。为了深入研究这个问题，本文筛选了高性能合成钙基吸附剂和天然石灰石吸附剂，通过热重分析仪分析对比了它们在多循环CO2 捕集之后的碳酸化和硫酸化反应性能，采用微粒模型研究了它们的硫酸化反应动力学特征。结果发现，高性能合成钙基吸附剂在多循环后的CO2 吸附能力比石灰石高10 倍以上，而它们的SO2 吸附能力只相差约40%。在经历多次CO2 捕集反应循环之后，两种吸附剂的硫酸化能力均有提升：其中，石灰石吸附剂的提升幅度更大，硫酸化转化率从26%提升到35%，高性能合成钙基吸附剂的硫酸化转化率从38%提升到43%。通过微粒模型计算发现，两种吸附剂的硫酸化反应均是与SO2 浓度相关的一级反应，多循环捕集CO2 反应后，石灰石吸附剂的硫酸化反应活化能下降接近30%，而高性能合成钙基吸附剂的硫酸化反应活化能只下降了5%。研究结果说明，两种不同钙基吸附剂在进行循环CO2 捕集之后，其脱硫能力得到了不同程度的提高。

• 氧分级对药渣O2/CO2燃烧NOx生成规律与反应机理的影响

  孙浩家, 佟海川, 王长安, 王超伟, 唐冠韬, 车得福

  在我国目前的能源结构中，化石能源尤其是煤炭资源所占比例很高，造成了极大的环境压力。抗生素发酵药渣为近些年来产量迅速升高的固体废弃物，也是一种生物质燃料资源，但是目前对药渣的能源化利用研究较少。本文以CH4 等气体来模拟药渣可燃成分，利用Chemkin 模拟软件中的PFR 反应器构建了药渣在O2/CO2 气氛下氧气分级燃烧及非分级燃烧模型，对两种情况下NOx 生成特性进行了模拟研究，探求了氧气分级及非分级燃烧时各种因素的影响，并利用生成速率分析法和敏感性分析法对结果进行了反应机理分析。研究结果表明，在氧气非分级条件下，NOx 转化率随燃烧温度升高先升高后降低，在1 500 ℃左右达到峰值；NOx 转化率随过量氧气系数增加而升高，在过量氧气系数由0.9 增至1.1 时，增幅显著。在氧气分级条件下，主燃区燃烧温度对NOx 转化率的影响较为复杂；NOx 转化率随燃尽风率增加先降低后升高，随燃尽风位置推后降低。氧气分级条件下，还原气氛促进了NOx 中N 向其他组分转化，能够明显降低NOx 生成。当燃烧温度低于1 500 ℃，燃尽风率为0.35 左右时，NOx 转化率最低。本文首次对药渣在O2/CO2气氛下的燃烧进行了反应动力学模拟研究，探求了各种因素的影响，为实现药渣能源化利用提供了一定的指导。

• H2O(g)对富氧燃烧超细颗粒物生成特性影响

  雷雨, 牛艳青, 王亨通, 温丽萍, 王光耀, 惠世恩

  为富氧燃烧技术的大范围推广必须对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行研究。本文在1800K管式炉内进行了煤焦燃烧实验，研究了富氧气氛下H2O(g)浓度（0,5%,10%,20%,30%）对煤焦燃烧超细颗粒物的影响。采用荷电低压撞击器（ELPI+）获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明H2O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布没有影响但会导致超细颗粒物的峰值出现波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定，5种水蒸气浓度下ELPI+第一级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%，而超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定，5种水蒸气浓度下ELPI+第七级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H2O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成，H2O(g)浓度为5%时抑制作用最为显著，而高H2O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H2O(g)与煤焦发生气化反应使得煤焦颗粒周围产生还原性气氛，促进矿物质还原为单质进一步促进矿物质蒸发，另一方面气化反应是吸热反应会降低煤焦颗粒燃烧温度，同时H2O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发导致超细颗粒物生成减少，两种作用相互竞争导致这种现象的出现。此外，H2O(g)的加入导致超细颗粒物平均粒径增大，0到5% H2O(g)浓度超细颗粒物平均粒径增大最为迅速。

• 富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO2制备工艺研究

  徐明新, 吴亚昌, 王涵啸, 欧阳昊东, 陆强

  针对富氧燃烧烟气净化及CO2 提纯需求，系统探究了富氧燃烧烟气压缩纯化过程SO2、NOx 吸收脱除以及CO2 深度提纯等各子系统的运行特性，其中SO2 与NOx 脱除采用压缩-酸液吸收，CO2 深度提纯采用低温精馏。研究结果表明：通过烟气净化可实现SO2 脱除效率达100%，NO 脱除效率达99%，同时实现纯度为99.99%的食品级液态CO2 制备。在烟气净化过程，气相反应占据主导，提高压力可缩短反应时间；当SO2 吸收塔运行压力超过0.8 MPa 时，SO2 脱除效率可达100%；当NO 吸收塔运行压力超过3.0 MPa 时，NO 排放浓度可达超低排放标准。在CO2提纯过程，提高压力会降低液体CO2 纯度。当SO2 吸收塔运行压力为1.6 MPa、NO 吸收塔运行压力为3.0 MPa、CO2 提纯塔运行压力为3.8 MPa 时，系统整体功耗最低，为0.37 MJ/kg CO2。

• NiFeAlO4载氧体制备及煤化学链燃烧反应特性

  王九占, 魏泽华, 荆洁颖, 李文英

  采用共沉淀法和溶胶凝胶法制备了具有尖晶石结构的NiFeAlO4载氧体，考察了制备方法、载氧体与煤质量比对NiFeAlO4载氧体化学链燃烧特性和循环稳定性的影响，并分析了载氧体对煤转化过程的作用。结果表明，溶胶凝胶法制备的NiFeAlO4载氧体具有更好的反应性，当载氧体与煤质量比为20:1时，碳转化率为86.7%，远高于煤单独热解时的碳转化率（34%），此时CO2浓度为93.6%。对反应前后NiFeAlO4载氧体晶相结构和形貌的分析表明，循环过程中经过“还原-氧化”后生成的NiO和载氧体颗粒团聚是导致载氧体活性下降的主要原因。相较于载热作用，NiFeAlO4载氧体在煤化学链燃烧中主要起供氧作用，它不仅会促进挥发分向煤气的转化，而且NiFeAlO4载氧体与焦炭之间也存在固固反应，利于更多CO2气体的生成。

• 应用不同机器学习算法预测化学链中氧载体性能

  阎永亮, 查健锐, 段伦博, Peter T. Clough

  低成本和高性能的氧载体材料筛选是化学链技术未来商业应用的关键。超过1000 种材料被作为氧载体在化学链条件下进行测试。其中，矿石和工业副产品作为氧载体最近引起了极大的兴趣，因为它们成本低、供应方便，特别是与固体燃料具有充分的反应性。然而，这些材料具有高度可变的成分，这强烈地影响了它们在化学链中的性能。采用实验方法逐个测试成本巨大。本文运用新兴的机器学习算法，以天然锰矿为对象，将已有的实验数据作为训练集，去预测含锰矿物在化学链反应中的性能，并对比支持向量机和人工神经网络两种算法在预测过程中的表现。其结果显示这两种算法对训练集内的数据均有较好准确性，但在对新输入值预测的准确性、鲁棒性方面存在差异。支持向量机可以避免神经网络在小样本训练集下，存在的过度拟合现象。另外，灵敏度分析表明氧载体锰含量变化对反应特性的影响较大，而比表面积的影响较小。本文的工作可为氧载体材料的选择、设计和优化提供参考。

• 加压循环流化床富氧燃烧中试研究

  孔润娟, 李伟, 任强强, 刘志成

  二氧化碳捕集和封存技术（CCUS）是减少温室气体排放，实现全球环境可持续发展的有效技术手段。加压富氧燃烧技术是一种低成本CCUS技术。目前对于加压富氧燃烧研究大多处于理论建模、机理研究和小试试验阶段。中国科学院工程热物理研究所在MW级加压循环流化床富氧燃烧中试试验平台上进行了中试研究，顺利实现了加压富氧燃烧的稳定运行，工况运行中压力为0.30 MPa，功率为0.84 MW，尾部烟气中CO2浓度达到91%。此外，通过试验获得了中试尺度加压富氧燃烧运行模式，主要流程为：启动阶段-常压O2/N2燃烧阶段-常压富氧燃烧-加压富氧燃烧阶段，各个阶段切换平稳。

• 纳米颗粒及分散剂对TETA溶液吸收CO2的影响

  赵子淇, 张忠孝, 江砚池, 贾萌川, 穆艾伟

  为探究纳米颗粒对TETA溶液吸收CO2的影响及分散剂对纳米流体吸收CO2的促进效果，采用两步法配制了不同纳米颗粒种类及粒径、不同震荡时间、不同TETA浓度、不同纳米颗粒固含量和不同分散剂固含量及种类的纳米流体，搭建TETA溶液鼓泡吸收CO2试验台，分别测试了不同工况下制备的纳米流体对CO2的吸收情况，并与空白TETA溶液进行对比。结果表明，纳米流体的脱除率增强系数随着纳米颗粒质量分数的增加而先提升后降低，粒径较大的纳米颗粒具有较好的传质性能，大尺寸可以减少相对表面积和能量，使得纳米颗粒的表面和量子尺度效应减弱；CO2吸收速率在初始阶段随着超声破碎时间的增加而提升，但超声破碎时间超过1 h，吸收速率减缓；TETA浓度及纳米颗粒固含量影响试验中，随着浓度及固含量上升，脱除率增强系数均呈现先升高后降低的趋势，存在最佳值。综上，在浓度1 mol/L的TETA中添加固含量0.1%、粒径60 nm的TiO2经超声震荡1 h后对CO2的吸收效果最好，脱除率增强系数最高可达1.9。以TiO2-TETA-H2O纳米流体为基液在其中添加C-Na、SDBS、X-100等分散剂时，由于TiO2颗粒表面带正电荷，分散剂类型对TiO2-TETA-H2O纳米流体稳定性的影响大致呈现以下趋势：阴离子型>非离子型>阳离子型，且以双电子层理论为依据，添加阴离子型分散剂C-Na的质量分数为0.1%时对阳离子型纳米流体TiO2-TETA-H2O的稳定效果最好。

• 二氧化碳矿化养护加气混凝土试验研究

  孙一夫, 李凤军, 何文, 王涛, 高礼, 李严, 高军, 方梦祥,

  本文主要对基于工业固废的加气混凝土的二氧化碳养护技术进行了初步探索，着重研究了原料掺比、养护压力以及养护制度在CO2 矿化反应中的影响。通过SEM 和XRD 分析等方法表征了在不同养护工况下反应产物的变化特点，同时也使用压汞法测定了CO2 养护前后的孔隙分布。结果表明，对自然养护4d 后的加气混凝土进行2 小时CO2 养护，试件固碳率随着养护压力升高而升高，低压养护和梯级养护有利于降低加气混凝土试件的力学强度损失，梯级养护中CO2 浓度/分压力越高，加气混凝土试件表观固碳率越高；在相同的CO2 养护条件下，SEM 观察到矿化反应产物有不同的形貌，如球状和纺锤形等，XRD 的分析则进一步证明了碳酸钙有三种不同晶型；CO2 养护之后，孔径在0.01-0.1μm 范围内的微孔降低明显，表观固碳率越高，对加气混凝土试件的填充效果越显著。

• 等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO2/NO联合脱除特性

  张春晓, 李英杰

  在钙循环捕集CO2 技术背景下，研究了等速升温流态化下CaO/生物质焦的SO2/NO 联合脱除特性。探究了烟气中O2 和CO2 对CaO/椰壳焦脱除SO2/NO 的影响。结果表明，O2 通过对椰壳焦表面碳原子的活化作用降低了异相还原NO 温度，在300~950 C 等速升温过程中CaO/椰壳焦的NO 脱除效率逐渐增加，780 -C 以上能实现100%脱硝。O2 也提高了CaO/椰壳焦的脱硫效率。CO2 与CaO 的碳酸化反应以及与椰壳焦的气化反应对同时脱除SO2/NO 有明显抑制作用。O2 和CO2 共同作用下，在500~800  C 范围内CaO/椰壳焦的脱硝效率随温度升高而增加，脱硫效率先降低后升高。NO 促进了CaO/椰壳焦脱除SO2，而SO2对脱硝有抑制作用。800 C 时CaO/椰壳焦同时脱除SO2 和NO 的效率分别为97.7%和93.9%。