洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2025年第10期

• 基于实物期权的燃煤电厂CCUS投资决策研究

  聂鹏飞, 高哲远, 王喜平

  碳捕集利用与封存（CCUS）作为减缓气候变化的一项关键技术，得到了国际社会的广泛关注。但由于受到技术、成本、政策以及商业模式和公众接受度等诸多因素制约，CCUS商业化发展仍面临多重挑战。从燃煤电厂视角出发，考虑集“碳捕获–利用–封存”于一体的商业模式下CCUS投资决策问题。基于实物期权理论，构建考虑碳价格不确定性及CCUS投资成本递减情况下CCUS投资决策模型，并通过数值仿真求解得到CO2不同利用率下燃煤电厂CCUS投资的期权价值和投资时机。最后，分析碳价波动率和额外电力配额、电价补贴、投资补贴等不同激励政策对燃煤电厂CCUS投资决策的影响。结果表明：① CO2利用率越高越能促进CCUS项目的投资，当CO2利用率高于47.27%时，燃煤电厂可立即投资；② 稳定的碳价有助于促进CCUS投资；③ 电价补贴是最有效的激励政策。

• 国际CCUS政策体系历史发展经验研究

  谢小玉, 张贤, 彭雪婷, 达亚彬, 赵祎丹, 项小娟, 孔静依, 樊静丽

  随着全球应对气候变化的进程不断加快，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术以其在“双碳”目标中不可或缺的地位，获得各国越来越广泛的关注。近年来，多国政府通过立法、财政激励和技术路线图等多元政策工具，大力推动CCUS示范项目建设，以加速技术的商业化转化。首先，基于国际能源署（IEA）政策数据库（1970—2024年）系统梳理了全球CCUS相关政策，依据功能属性、作用对象与实施路径将其归纳为13类政策工具，并构建了“经济激励–国家策略–立法监管–社会需求”的四维政策体系框架；其次，以项目宣布数量位列前10的代表性国家为样本，共计筛选识别了178条政策文本和319个项目案例，进行定性与定量相结合的系统分析。结果表明：全球CCUS政策体系呈现“时间上加速、类型上多元化、国家间差异化”并存的三重趋势，其中经济激励类政策美国占比最高（19%）、国家策略类政策英国占比最高（16%）、立法监管类政策美国占比最高（53%）、社会需求类政策澳大利亚占比最高（15%）；面板固定效应回归模型进一步表明，政策与项目宣布数量存在显著正相关，其中经济激励的动效应最为显著，凸显财税和补贴等政策工具在推动项目落地方面发挥着关键作用。在“双碳”目标引导下，中国可借鉴国际经验，在现有碳市场的基础上针对CCUS技术构建专项的多元化经济激励机制，并持续健全监管体系、深化国际合作以实现政策协同，加快CCUS技术规模化部署。

• 全球CCUS技术创新的空间特征及其驱动因素分析

  杨琳, 鲍一鸣, 邱明达, 张贤, 杜宇倩

  全球碳捕集、利用与封存（CCUS）技术在多个国家和区域已有研发与示范项目，但其技术扩散的区域协同与知识外溢研究仍属空白，且专利增长与规模扩张严重脱节。基于2000—2024年IncoPat全球CCUS专利数据，创新性地融合引力模型、Shapley值分解、动态的对数平均分布指数（LMDI）分解及莫兰指数局部空间聚类（Moran’s I/LISA）多种空间分析方法，首次基于“空间—贡献—驱动”综合框架系统刻画全球CCUS专利扩散的演化路径、区域贡献与驱动效应。结果表明，首先，全球CCUS创新重心自欧洲北海与北美墨西哥湾东移至东亚及亚太，展现出自西向东、自北向南的赶超态势；各区域地理贡献呈“引擎—逆引擎—对冲式增长”三元结构，亚太地区为主引擎（55.7%），欧洲（4.8%）与北美（−28.6%）地区分别构成弱拉动与显著抑制的逆引擎，南美与非洲地区因耦合不足表现对冲式增长；动态LMDI分解表明，全球CCUS创新以经济规模与研发效率为主导，贡献率达142%，技术优先度效应平均−25%、投入强度不足5%，体现“量增质弱”的结构性失衡；空间自相关分析显示，2023年除运输环节外，其余环节全局Moran’s I显著正向（I>0.13，I为莫兰指数），但“高–高”聚类仅占5%，逾90%国家处于“低–低”或“不显著”状态，整体布局呈现“大国拉动，小国追赶”马太效应，反映创新扩散仍停留在“点状集中、面状不足”的初级阶段。亟需构建跨区域协同创新网络，完善跨境运输与封存标准化许可，提升技术原创性与质量导向，并因地制宜制定差异化部署策略，以推动CCUS由规模竞争向价值协同与公平扩散转型。

• 吸附式直接空气捕集与可再生能源耦合技术研究进展

  王雪炜, 张梓鑫, 杨喜良, 苗诒贺, 于立军

  直接空气捕集(DAC)技术是实现碳中和的重要路径。与可再生能源耦合是DAC技术发展的必然要求，随着全球吸附式DAC商业示范项目的兴起，吸附式DAC与可再生能源的耦合技术成为研究热点。在耦合系统设计方面，可再生能源通过电力驱动、电力+热力联合供能等方式为DAC系统供能，并结合电能与蓄热储能保障稳定运行，还可以利用多能互补优化供能结构。系统运行模式包括连续运行、间歇运行等，关键设备涉及可再生能源供能装置、吸附反应器、能量存储设备等，其集成技术确保能量传输与转换匹配协同。不同可再生能源(风能、太阳能等)与DAC耦合的适配性需考虑能源稳定性、可获取性和成本。耦合系统评估与优化中，关键指标有碳捕集效率、能源利用效率、系统稳定性等。通过线性规划、混合逻辑动态和马尔可夫决策过程等建模方法分析系统性能，探讨可再生能源波动性、吸附剂性能衰减等因素对系统的影响。此外，大气环境波动性对吸附式DAC工艺效率影响显著，优化工艺参数以适应大气条件变化可提升性能。当前吸附式DAC技术发展的核心瓶颈是高能耗、低净碳捕集率导致的高成本，解决路径聚焦吸附材料性能优化和可再生能源耦合。未来需进一步优化耦合方式，提高能源利用效率。开展对耦合系统技术经济可行性研究和政策分析，有助于推动该技术大规模商业应用。

• Si/Al物质的量比对十二元环沸石拓扑结构影响及其CO2吸附性能

  曹倍宁, 贾浅, 李彪, 李国强, 杨晓阳, 李磊

  为应对温室气体排放带来的负面效应，CO2捕集技术成为社会关注焦点。其中固体吸附工艺因低能耗和工艺简单等特点而成为新一代备选技术，因此设计合适的固体吸附剂成为该工艺的技术关键。近年来，高传质效率和高选择性的十二元环孔道沸石，在气体分离领域展现出较大的应用潜力。其中一维十二元环孔道的ECR-1和MOR沸石具备相似的结构单元，可以通过调节沸石结晶过程中的原料Si/Al物质的量比和过碱度，实现ECR-1和MOR两晶相之间的过渡转变以及形貌变化；试验通过XRD、SEM和TEM等方法验证材料的结构和形貌变化。在过碱度为0.33、Si/Al物质的量比为7的条件下，利用浆料结晶的新途径成功制备出纤维状的ECR-1结构，在此基础上继续增加Si/Al可成功合成直径为60～100 nm的MOR沸石纤维杆，其比表面积达到425.58 m2/g；随着Si/Al物质的量比的进一步上升样品变为颗粒状形貌。在单组份CO2动态吸附测试中，发现ECR-1在298 K，105 Pa的条件下CO2动态吸附容量达3.98 mmol/g；并且考虑烟气吸附的实际工况，进行含水的模拟烟气条件测试，发现纤维状形貌的ECR-1和MOR沸石对水气的影响较为敏感，相对干燥条件CO2吸附量在潮湿情况降低15%，而中等颗粒状MOR展现出4%~5%下降；结合Si/Al物质的量比和形貌因素考察了H2O对CO2吸附抑制效应，纤维状形貌导致增加的侧边八元环孔道可能是主要影响因素；同时也测试ECR-1的稳定循环性。

• 碱处理高硅ZnZSM-5用于乙烷氧化脱氢反应

  韩欣茹, 温皓珏, 张莉娜, 魏伟, 孙楠楠

  CO2 氧化乙烷脱氢制乙烯在实现 CO2 资源化利用的同时可从源头减排和末端利用2方面实现乙烯工业的低碳化生产。因此研究CO2 氧化乙烷脱氢制乙烯不仅具有重要的理论意义，而且具有广阔的工业应用前景。高硅ZSM-5分子筛凭借其可调控的酸性、卓越的稳定性以及独特的孔道结构，被视为乙烷氧化脱氢反应的理想载体，但是其Si与Al物质的量比显著影响催化剂酸性位点分布及金属物种分散性。碱处理方法可选择性除去分子筛骨架中的Si或Al，从而改变其酸性。通过调控碱处理ZSM-5载体温度（40、60、80 ℃）调变沸石分子筛的酸碱性，并在碱处理后的ZSM-5上引入锌活性位点，采用X射线衍射、氮气物理吸脱附试验、场发射扫描电子显微镜、高角环形暗场扫描透射电子显微镜、能量色散X射线光谱、电感耦合等离子体发射光谱、NH3-程序升温脱附、紫外−可见吸收光谱和X射线光电子能谱等方法对催化剂进行了物性表征，并用固定床反应器评价催化剂对乙烷氧化脱氢制乙烯的催化性能，最终建立了ZnZ5-270-T催化剂的构效关系。结果表明：碱处理优先脱除ZSM-5骨架中的硅物种，成功在ZSM-5中引入介孔，形成多级孔结构。这种结构使得碱处理后的ZnZ5-270-T催化剂的锌负载量增加。同时碱处理可改变ZnZ5-270-T锌物种类型，使锌物种由ZnO转变为具有更高催化活性的ZnOH+。通过分析反应产物的H2/C2H4和CO/C2H4物质的量比，揭示了ZnZ5-270-T催化剂的反应网络，表明所有催化剂均以间接氧化脱氢为主要反应路径。研究还发现锌物种的流失可能是催化剂失活的主要原因。

• CO2电还原的膜电极组件电解槽研究挑战

  滕瑞, 程军, 王家昊, 李雪纯, 吕洪坤, 章康, 侯成龙

  在“双碳”战略目标背景下，积极发展碳捕集、碳利用与碳封存（CCUS）技术是实现绿色低碳可持续发展的核心路径。二氧化碳电化学还原技术作为一种极具前景的碳利用策略，能够借助清洁电力，在常温常压下将捕获的CO2直接转化为具有显著经济价值的化学品，如一氧化碳、乙烯和甲醇等。这不仅实现了CO2的资源化利用，也为可再生能源的消纳提供了新途径，相较于其他碳利用技术具有显著优势。然而，当前针对CO2电还原技术的研究仍主要局限于实验室规模，亟需向工业化规模推进。膜电极电解槽（MEA）作为低温二氧化碳电还原反应器之一，具有欧姆电阻低、结构紧凑和易于扩展等优点，有望实现二氧化碳电解技术的规模化应用。尽管如此，MEA电解槽在规模化进程中仍面临严峻挑战，其内部复杂的多相传输环境极易引发电极“水淹”（阴极液态水积聚）和“盐析”（阴极盐结晶析出）现象，这不仅严重损害了催化剂的长期稳定性，更显著阻碍了CO2向催化剂活性位点的有效传输。此外，随着电解槽电极面积的扩大，反应物、电流密度以及产物浓度在电极平面和堆栈单元间的分布不均匀性问题更为显著。与此同时，电解槽内部的热积聚问题更为明显，这对电解系统的稳定运行造成了严重威胁。 本综述从MEA电解槽CO2电还原的基本工作原理出发，系统性地梳理和剖析了制约其大规模产业化发展的核心问题。本文着重论述和分析了催化剂长期耐久性问题、电解槽运行稳定性问题、从实验室规模到工业级发展的工程放大问题以及面向系统级优化的模拟问题。通过整合分析该领域的最新研究进展、本文旨在为CO2电解的工业化发展提供相应参考。

• 基于机器学习的燃煤电厂碳排放研究进展

  卢志民, 叶建威, 刘泽明, 黄仁龙, 林玥, 姚顺春

  燃煤电厂是全球能源供应的重要组成，同时也是二氧化碳等温室气体的主要排放源，对气候变化产生了深远影响。精准量化燃煤电厂的发电碳排放，是实现“双碳”目标的关键技术挑战，只有通过可靠的排放量化方法，才能准确掌握排放底数，制定有效的减排路径。近年来，机器学习技术凭借强大的数据建模与预测能力，为这一难题提供了新的解决路径。为此，简要概述了机器学习技术的发展历史与分类，并系统综述了机器学习技术在燃煤电厂碳排放研究中的应用进展与前沿方向。首先，针对传统核算法实时性不足和连续监测系统（Continuous Emission Monitoring Systems，CEMS）成本高、覆盖低的局限性，探讨了预测性排放监测系统（Predictive Emission Monitoring System，PEMS）如何通过机器学习实现碳排放的实时预测与数据修复。其次，分析了基于电力大数据与机器学习技术的电–碳模型，探讨了非侵入式负载监测（Non-Intrusive Load Monitoring，NILM）在多设备精细化碳排放分解的应用潜力，显著提升了排放来源的可解释性。最后，融合卫星遥感与机器学习，实现了燃煤电厂CO2排放的广域反演与异常值重建，实证了卫星监测与地面清单的互补性。相关研究表明：机器学习通过多维技术融合（PEMS-电–碳模型–卫星遥感）推动了碳排放监测向实时化、智能化发展，但仍面临模型泛化性及可解释性等挑战。未来需强化物理模型与数据驱动的协同创新，构建“空–天–地”一体化监测体系，为全球燃煤电厂的低碳转型提供技术支撑。

• 中国大型城市群高分辨率碳源汇监测及碳中和进程评估

  王力行, 钱啸, 王函韵, 柳昂, 邹波, 刘扬, 吴亦杰, 刘竹

  在中国城市尺度准确监测碳汇与碳排放对于评估其碳中和进程具有重要意义。为精确刻画高分辨率下的碳源汇特征，开发了一个城市净碳排放的集成模型，并将其应用于中国长三角城市群作为案例研究。首先，采用CASA模型计算了2021—2022年月度净初级生产力（NPP）时空分布，结果显示：NPP具有显著的季节性变化，主要城市夏季固碳量峰值可达70~100 g/(m2·月)，而冬季普遍低于15 g/(m2·月)，空间上呈现城市建成区低、南部植被区高的分布特征。此外，提出了一种改进的基于夜间灯光和人口加权的高分辨率碳排放空间分解方法，将省级碳排放分解为栅格级水平，结果显示：碳排放高值集中在城市中心，单网格CO2排放超5 000 t。最后，计算了250 m分辨率下的净碳排放（NCE）时空分布，结果显示：大多数城市NCE超过700 \mathrmg /(m2·a)，仅安徽池州、宣城等少数城市表现为碳汇。长三角区域总体碳汇占碳排放的比例为13.1%，反映该城市群当前净碳排放水平较高。城市间NCE差异显著，上海市年均NCE显著高于杭州、湖州等植被资源丰富城市。模型能够准确捕捉城市尺度碳汇与碳排放特征，相比同类数据产品具有更精细的时空分辨率和更突出的空间变化细节。由于数据的全覆盖性和方法的普适性，模型可应用于中国其他城市区域的净碳排放分布计算，这有助于理解城市碳中和水平差异，为城市化发展和低碳城市建设提供决策支持。

• 海上二氧化碳地质封存与利用技术评估：现状、潜力与路径

  李鹏春, 高文彬, 李鹏华, 王德刚, 赵中贤, 邱宁, 梁希, 李琦

  我国近海二氧化碳咸水层封存和油田驱油封存技术在实现“双碳”目标方面发挥着至关重要的作用，然而其技术发展路径和政策路线仍不明晰。通过构建适用于中国近海二氧化碳地质封存特征的技术—经济—贡献多维度评价方法，对海上咸水层二氧化碳封存及海上油田驱油封存技术的现状、减排潜力以及其对实现“双碳”目标的贡献进行了系统评估，并提出了技术发展路径。研究结果表明，目前我国海上二氧化碳咸水层和油气田封存技术的成熟度仅为3~4级，距离商业示范及规模化应用仍存在一定差距，实际的减排量（CO2）仅为30万t/a，主要受制于海上高成本、关键技术瓶颈、政策路线欠缺等因素。提出海上二氧化碳地质封存技术的发展应遵循“示范引领—规模推广—集群部署”的渐进式路径，短期内应加强突破核心技术瓶颈，打通产业链条，中长期则重在规模化推广应用。随着规模化应用、技术突破及体系完善等，预计到2060年，海上封存成本将有望降至50~150元/t，其年减排能力将提升至2亿~3亿t，这将为我国实现碳中和目标提供15%~20%的减排贡献，不仅显著增强减排能力，还将助推海洋科技绿色创新与气候治理能力提升。

• BECCS对水泥行业实现碳中和的潜在贡献

  田善君, 谢一凡, 郑丁乾, 常世彦

  技术创新是推动水泥行业低碳转型的必然选择。生物质能碳捕集与封存（Bioenergy with Carbon Capture and Storages, BECCS）是促进水泥行业实现碳中和的重要技术措施。量化分析水泥行业应用BECCS的技术潜力与经济成本具有重要意义。基于中国生物质−排放源−封存汇匹配模型（C-BESMM）评估了水泥行业到2060年的BECCS可能应用潜力。结果表明：现有水泥厂实现净零排放，2060年生物质掺混量可达0.29亿t/a，CO2捕集与封存量可达5.35亿t/a，同时掺混生物质且配备碳捕集设施的水泥厂形成的负排放量约0.42亿t/a；生物质掺混在2040年之前是主要减排贡献来源，2040年之后减排主要依靠碳捕集实现，能效提升有一定贡献，在整个周期基本保持稳定；生物质掺混量较高的区域主要在广东、山东、云南、河南，CO2捕集量较高的区域主要在河北、河南、辽宁、广西；98%的单位CO2减排成本介于−100～800元/t，其中负成本约4%，主要分布于河北、山东；提高生物质掺混率、提高可能源化利用率、扩充可利用的生物质资源类型，有利于提高水泥行业的生物质利用量，从而更有利于水泥厂减少剩余排放，实现“净零”。

• 燃煤电厂和水泥厂中的钙循环CO2捕集系统研究

  魏巍, 刘宝峰, 刘文强, 谭煜幺, 张子悦, 张祝平

  化石燃料燃烧产生的CO2是导致全球变暖的主要原因。碳捕集与封存（CCS）被认为在减少温室气体排放方面具有关键作用。目前正在进行商业规模示范的胺洗涤成熟技术是燃煤电厂改造方案的合适选择。然而，在化学吸收CO2捕集过程中，溶剂再生的能量需求导致电厂效率和功率输出大幅降低，因此需要开发具有更低效率损失的新技术。具有前景的钙循环（CaL）工艺技术因其能够减少效率损失和相关电力成本而备受关注，该技术基于钙基吸附剂在高温条件下发生的可逆碳酸化/煅烧反应，总结了将 CaL 技术整合到燃煤电厂和水泥厂中的方案，并对综合系统性能的改善方式进行了评估。针对CaL 技术整合到燃煤电厂而言，具体主要从CaL 系统中煅烧炉热量来源，如何降低煅烧炉能耗和如何获得高纯度CO2三个方面总结。针对CaL 技术整合到水泥厂而言，重点总结了设有CO2捕集系统和未设有CO2捕集系统集成于不同规模的水泥厂中所产生的CO2减排成本。表明将 CaL 技术集成于燃煤电厂后，系统效率损失为2.6%~7.9%，CO2减排成本在16~53.1 €/t，而CaL 技术集成于水泥厂后，CO2减排成本在 17.1~83.2 €/t。

• 水蒸气对固体吸附剂CO2吸附机理及结构影响研究进展

  徐玉凤, 张金鹏, 荆洁颖, 李文英

  燃煤电厂烟气中的CO2捕集是我国实现“双碳”目标的重要组成部分，其关键在于高效CO2吸附剂的开发。然而，燃煤烟气中不可避免地会存在水蒸气等杂质气体，这些气体会对吸附剂的结构及CO2吸附机理造成影响。因此，明确水蒸气对吸附剂结构和CO2吸附机理的影响是开发高效、稳定吸附剂的关键。针对水蒸气对典型固体吸附剂（固体胺、活性炭、金属有机骨架、沸石、MgO和CaO基吸附剂）结构及CO2吸附机理的影响进行了详述，归纳并重点总结了基于水蒸气的影响对吸附剂进行优化改性的方法。对于活性炭和沸石这类具有亲水性的吸附剂，水蒸气会与CO2进行竞争吸附；对于金属有机骨架这类具有规则孔结构的吸附剂，水蒸气会破坏其结构，导致结构坍塌；对于固体胺类吸附剂，水蒸气会抑制其脱水反应和改变胺效率；对于MgO和CaO基吸附剂，水蒸气的存在会影响其比表面积和孔结构、CO2分子扩散效率等。对吸附剂结构进行优化改性的方法包括水化再激活、水蒸气预处理、调控孔口尺寸和表面疏水改性等。其中水化再激活法工艺能耗大且会降低吸附剂的抗碎强度，调控孔口尺寸的方法适用于孔隙发达且可调的吸附剂，因而具有局限性；表面疏水改性法会使合成过程复杂化，增加生产成本。未来应深入探究基于水蒸气的影响对吸附剂进行优化改性的方法，通过工艺优化实现能耗的降低，通过添加增强材料、调控水化条件等增强吸附剂的抗碎强度。

• 煤系腐植酸基石墨化碳微观结构调控及其储锂性能

  高博, 谢永鑫, 贾飞, 杨伟桥, 孟卫波, 刘勇志, 唐利刚, 邢宝林

  以煤系腐植酸为原料，采用预炭化–高温（2200～2800 ℃）石墨化工艺制备煤系腐植酸基石墨化碳，重点研究石墨化温度对腐植酸基石墨化碳微观结构的影响，并探究其用作锂离子电池负极材料的电化学储能特性。结果表明：煤系腐植酸通过预先炭化–高温石墨化工艺可成功制备出含有石墨微晶和无定形炭共存的石墨化碳。煤系腐植酸基石墨化碳的石墨化度、微晶片层、纳米孔道和结构缺陷等微观结构特征与石墨化温度密切相关。当温度达到2800 ℃时，煤系腐植酸基石墨化碳HAGC-2800的石墨化度达到78.57%，具有长程有序的石墨微晶片层结构和丰富的纳米孔道、结构缺陷等无定形炭，且两者有机结合，相互镶嵌，其石墨微晶层间距为0.3371 nm，石墨微晶横向尺寸为25.6 nm，比表面积为5.63 m2/g。该煤系腐植酸基石墨化碳用作锂离子电池负极材料时展现良好的储锂性能，当电流密度为50 mA/g时，可逆容量达到352 mAh/g，即使在大电流密度（2000 mA/g）下，其可逆容量仍可达175 mAh/g，经400次循环后，其容量保持率高达116%，兼具优异的倍率性能和循环稳定性，是一种较为理想的锂离子电池负极材料。煤系腐植酸基石墨化碳优异的储锂特性，主要源于其微观结构中包含大量的石墨微晶片层、丰富的纳米孔道及结构缺陷等无定形炭密切相关。