燃煤电厂CO2捕集驱油封存技术及应用

 燃煤电厂烟气CO₂捕集驱油封存技术是提高特低渗透油藏采收率和减少温室气体排放的有效方法。针对燃煤电厂CO₂捕集和大幅度提高低渗透油藏采收率的技术瓶颈开展研究,形成了燃煤电厂烟气CO₂捕集纯化处理技术、CO₂驱提高采收率油藏适应性评价体系、室内实验技术和油藏工程优化设计技术系列,配套了CO₂驱注采工艺和地面工程技术系列,并建成国内外首个燃煤电厂烟气CO₂捕集与驱油示范工程。实践表明,技术应用效果良好,开发的高效CO₂捕集溶剂及工艺比传统单乙醇胺（MEA）工艺捕集成本降低35%,CO₂驱油与封存示范区累计注入CO₂ 12.8万t,累计增油2.9万t,封存CO₂ 11万t。     

基于“双碳”背景的CCUS技术研究与应用

对碳捕集、碳利用和碳封存技术进行综述．根据捕集阶段不同,CO₂捕集可分为燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集．根据分离材料不同,燃烧后捕集方法分为吸收法、吸附法和膜分离法．不同的捕集方法存在的不同的缺陷．介绍了CO₂利用技术中矿化、物理利用、催化、共聚、生物固定等技术,若方式、机理不同,则得到的产物也不尽相同．着重介绍了催化利用,包括电催化、热催化、光催化等,其中影响催化利用的最要因素是催化剂．CO₂封存相较于利用是比较成熟的,但存在泄露与成本限制的缺点,现阶段无法大规模利用．选择新型吸收剂和吸附剂,提升CO₂利用技术,推进CCUS体系,是我国CCUS技术的未来发展趋势,也是我国进一步实现“双碳”目标的重要途径．     

提高再生气中H2S浓度的方案研究

对以生物质热解气为原料的低温甲醇洗工艺进行模拟和研究,热解气主要成分为CO₂、H₂、CO、H₂S、COS和水等。采用Aspen plus对低温甲醇洗工艺进行全流程模拟,通过对比分析可知,模拟结果与实际值基本吻合。针对原工艺H₂S浓度低的问题,提出两个改进方案以提高H₂S的浓度：①提高气提塔的N₂流量;②在气提塔后添加一个闪蒸罐,气提塔塔底的甲醇溶液经过加热和闪蒸后再进入甲醇再生塔。结果表明改进方案可以大大提高再生气中H₂S的浓度。     

钙铜复合吸收剂CO2捕集性能优化研究进展

开发高效、低成本的CO₂捕集技术是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。基于钙铜复合吸收剂的钙循环耦合化学链燃烧工艺是一种改进的钙循环技术,通过耦合化学链燃烧来替代钙循环技术中高能耗的空气分离器,可显著降低系统能耗、提高其经济性,受到了国内外学者的广泛关注。介绍了钙循环耦合化学链燃烧工艺的基本原理,阐述了目前钙循环耦合化学链燃烧工艺面临的重大挑战——钙铜复合吸收剂CO₂捕集性能在循环过程中的急剧衰减;综述了提高钙铜复合吸收剂CO₂捕集性能的改性措施,主要包括载体负载法、水蒸气活化、高温热预处理等;综合分析了各种改性方法的优缺点并指明了今后的研究方向。     

电极活化二氧化碳诱导合成碳酸二甲酯

 针对近年来利用甲醇和CO₂直接反应制备碳酸二甲酯研究中反应条件苛刻、工艺设备复杂、甲醇转化率低等不足问题,本文研制一种固碳溶液,其CO₂饱和质量浓度达0.528 g/mL;在固碳溶液中用电解的方式对CO₂进行活化,并在电解过程中不断补充CO₂至饱和,得到电解活化液;用碘甲烷作诱导剂,使其与甲醇在60℃回流120 min,制得碳酸二甲酯,纯度为99.0%,转化率为99.6%（以甲醇质量计）,反应过程环保、条件温和。     

中国实现碳中和承诺的挑战与机遇

通过将选择性废气再循环(S-EGR)与联合循环的集成实现CO₂的捕集和循环,以获得更高的系统运行效率。基于实际联合循环电厂的运行数据,探究了选择性废气再循环S-EGR集成对实际联合循环和碳捕集系统的影响。结果表明：S-EGR集成后分别提升碳捕集和联合循环Exergy效率6.9%和1.3%;燃烧室是联合循环中Exergy损失最大的部件,占比44.8%,其次是蒸汽轮机、凝汽器和余热锅炉,造成Exergy损失的主要原因是温差;碳捕集单元与联合循环集成后,热效率和Exergy效率都在S-EGR循环比为10%时达到峰值后逐渐降低。     

沼气制氢工艺研究进展

沼气是具有巨大发展潜力的清洁可再生能源,可作为生物天然气的来源。利用沼气提纯得到天然气品质的甲烷制氢或沼气原料直接制氢具有可持续和环境友好等优点,而沼气中杂质的去除、催化剂以及操作条件的优化是提高沼气制氢反应效率和选择性的重点。系统综述了目前主要的几种沼气制氢工艺的研究进展。较优的沼气制氢工艺包括：将沼气提纯得到的甲烷通过催化裂解法制氢,可避免生成CO_x;消耗沼气主要成分CO₂和CH₄制氢的干重整法;能够结合H₂的分离和纯化、CO₂捕集和热整合的化学链重整技术。通过高效的工艺利用沼气制取氢气,对促进生物天然气产业的发展、提高可再生能源的使用率以及实现碳减排具有重要意义。     

液态空气储能与液态CO2储能技术对比

为了解决压缩空气储能储气室容积大、成本高的问题,液态空气储能和液态CO₂储能得到了国内外广泛关注及研究。针对这两大储能系统,借助ASPEN PLUS软件搭建了热力学物理模型,并借助?分析对两大储能系统进行热力学和关键参数敏感性研究分析。研究表明：液态空气储能系统?损失主要发生在压缩机及蓄热蓄冷装置上,分别占比45.02%、37.61%。液态CO₂储能系统?损失主要发生在低温膨胀机、压缩机及蓄冷蓄热装置上,分别占比26.99%、23.88%、30.41%。从电-电转化效率方面：在绝热条件下,两大储能系统由于在充放电过程能量消耗大,电-电转化效率都低于55%,相比液态空气储能,液态CO₂储能效率高。从系统成熟度方面：液态空气储能已得到工程应用,而液态CO₂储能还处于研究阶段,未得到工程化应用。从投资成本方面;液态CO₂储能单位千瓦投资成本高于液态空气储能约40%。     

二氧化碳注入条件下井筒水泥环完整性若干研究进展

井筒水泥环完整性是实现二氧化碳(Carbon dioxide,CO₂)地质封存长期安全有效的重要保障。在CO₂的捕集、利用及封存过程中,低温CO₂流体注入过程将引起井筒结构温度和压力的分布变化,易造成井筒水泥环完整性失效。为评价CO₂注入条件下井筒水泥完整性和优化注入参数提供理论指导和分析方法,文章在简要综述前人相关研究的基础上,重点介绍了笔者的相关创新研究成果：1)简述了CO₂注入井井筒完整性失效的研究现状,重点介绍了CO₂注入过程中井筒流动模型以及不同注入参数对井筒温度分布的影响;2)简述了含缺陷水泥环完整性的研究现状,重点介绍了井筒裂纹断裂参数计算方法,定量分析了CO₂注入井含缺陷水泥环的完整性,揭示了水泥力热性能对径向裂纹和界面裂纹扩展行为的影响规律。文章可为CO₂注入过程施工参数优化、井筒水泥环完整性评价等方面的相关研究与应用工作提供有益参考。     

乙烯/空气层流扩散火焰中碳烟对N2O生成的影响

为研究碳氢燃料燃烧温室气体N₂O的排放,以乙烯/空气层流扩散火焰为对象,分析了燃烧过程中碳烟影响N₂O生成的途径和方式．计算结果表明：碳烟可通过热效应和化学效应影响N₂O的生成,且影响效果截然不同．在热效应方面,碳烟的辐射散热损失导致火焰温度降低,可抑制N₂O的分解．在化学效应方面,碳烟的生成消耗了C₂H₂,使得由C₂H₂生成的HCCO摩尔分数降低,受反应HCCO+NO■HCNO+CO的影响,N₂O生成量减少;此外,碳烟的生成同时促进了OH,O和H基的生成,OH基通过消耗NH可抑制N₂O的生成,O基通过反应O+HCCO■H+2CO消耗HCCO,从而抑制N₂O的生成,而H基则通过反应N₂O+H■N₂+OH消耗N₂O.     

高浓度CO2对红松幼苗及土壤碳氮特征的影响

为探知红松苗对未来大气CO₂浓度的碳、氮响应策略,系统了解不同CO₂浓度下红松幼苗及其土壤碳、氮特征,采用生长箱培养法,分别研究了350、700 μmol/mol CO₂浓度下红松幼苗主要器官碳、氮浓度与积累(吸收)量变化,并分析其培养土壤的碳、氮含量。结果表明:与低浓度CO₂处理相比,高浓度CO₂处理并未对红松幼苗根、茎及叶的碳浓度产生显著影响,但导致叶碳积累量显著增加37.63%; 高浓度CO₂培养导致红松幼苗根、茎、叶氮浓度显著降低,茎氮吸收量显著下降27.45%,根、茎、叶的碳氮比升高,土壤溶解性有机碳含量显著增加28.82%,总有机碳、微生物量碳、全氮、微生物量氮及水解性氮含量均未发生显著变化,碳氮比增加。总体上,3年生的红松幼苗氮浓度、碳氮比、叶碳积累量及土壤溶解性有机碳对CO₂升高响应迅速。     

基于响应面分析的辉光等离子体解离CO2的工艺参数优化

采用辉光等离子体设备开展了CO₂解离及工艺参数优化试验。分别探究CO₂,CO₂/N₂,CO₂/N₂/He 3种试验气体中4种因素(时间、电流、体积及温度)对CO₂解离效果的影响,采用响应面分析法(RSM)优化并确定了最佳工艺参数,同时研究了3种气体最佳工艺下CO₂的解离效果。结果表明：纯CO₂解离时间85 min,电流16 mA,温度21℃,体积250 mL;CO₂/N₂解离时间87 min,电流24 mA,体积54 mL,温度20℃;CO₂/N₂/He解离时间51 min,电流32 mA,体积288 mL,温度20℃。CO₂/N₂/He混合气体CO₂解离效果最佳,CO₂/N₂混合气体CO     

高压水洗法提纯沼气的实验研究及分析

为了提高沼气的燃烧热值,选择将其中的CO₂进行脱除,得到甲烷体积分数大于97%的生物甲烷用于工业原料。高压水洗法提纯沼气的工艺因其具有操作简单、绿色环保等优势被广泛应用。基于实验室自主设计的小试规模的高压水洗脱碳装置,系统地研究了高压水洗过程气体流速、吸收剂流速、液气比(吸收剂流速/气体流速)、CO₂进口体积分数及吸收温度对CO₂出口体积分数和去除率的影响。结果表明,过程中可以将模拟沼气中的CO₂体积分数最低脱除至0.17%,意味升级得到的气体中甲烷体积分数可以达到99.83%,优于生物甲烷要求。同时,气体流速降低,液体流速增加,液气比升高,CO₂进口体积分数和吸收温度降低均能降低CO₂出口体积分数,对高压水洗法提纯沼气工艺的优化具有重要意义。     

二氧化碳地质封存与增产油/气/热利用技术中关键热质传递问题研究进展

碳捕集、利用与封存技术（carbon capture,utilization and storage,CCUS）是指将CO₂从能源利用、工业生产或大气中分离出来,经过提纯运送到可利用或封存场地,以实现被捕集的CO₂与大气长期分离的技术。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）近期在报告中指出：CCUS技术是碳减排与碳中和的“foundation”技术。在我国碳达峰碳中和的“双碳”目标大背景下,CCUS技术被认为是我国实现碳中和目标不可或缺的关键性技术之一。该文对国际、国内主要研究团队和作者研究团队近年来在CO₂地质封存、增产致密油/页岩气/深层地热开采过程中的关键热质传递问题研究进行了综述,通过理论分析,利用分子动力学、格子Boltzmann、计算流体力学等模拟方法,和微观孔隙尺度可视化实验、岩心尺度核磁共振实验、超临界压力流体对流换热实验等实验手段,从不同尺度阐述了储层条件下超临界CO₂在微纳多孔结构中多相多组分流动与热质传递机理,分析了矿物反应、降压析出、流体变物性、尺度效应等对CO_...     

生物柴油调合燃料匹配催化型颗粒物捕集器的排放与再生性能研究

以一台非道路增压中冷共轨柴油机为试验对象,将K_0.2-Ce_0.5Mn_0.5O₂催化剂涂覆于柴油机颗粒物捕集器（DPF）的堇青石过滤体上,探究柴油机催化型颗粒物捕集器（CDPF）对生物柴油调合燃料燃烧污染物排放的影响规律,并开展了CDPF碳烟加载与再生特性的试验研究。试验结果表明,CDPF能够明显降低纯柴油和生物柴油调合燃料的碳烟和气态污染物排放,且对调合燃料的排放物降低效果更显著;CDPF负载催化剂对柴油机气体排放的改善效果受负荷影响较大,在标定工况下两种测试燃油NO_x排放较空白DPF时分别降低17.1%和24.3%,HCHO排放分别降低35.1%和43.6%,CH₃CHO排放分别降低28.4%和29.9%;DPF与CDPF两者对碳烟的捕集过程均包括深床捕集阶段、过渡阶段和滤饼层捕集三个阶段,碳烟加载过程中CDPF前后压差的升高速率明显低于DPF;与纯柴油相比,柴油机燃用生物柴油调合燃料时CDPF的前后压差升高速率有所降低,再生平衡温度向低温区间偏移,有利...     

高浓度CO2气氛下水泥生料分解过程的试验和特性评估

为掌握水泥生料在高浓度CO₂气氛中的分解特性并给出最佳操作建议,构建了水泥生料分解试验和分解特性评价系统,研究了不同反应气氛、反应温度、水泥生料质量分数对分解特性的影响,并采用非线性拟合方法进行特性评估.基于试验数据开展了水泥生料分解特性评估.结果表明,CO₂生成曲线峰值、排放总量和分解时间都随氧气体积分数的增加而增大,当气氛由21%O₂/79%CO₂转变为25%O₂/75%CO₂时较为明显.较高的分解温度和煤粉含量延长了水泥生料分解的时间,有助于提高CO₂的生成率和总量,增加分解产物中CaO的质量分数至71%以上.水泥生料在30%O₂/70%CO₂气氛下分解特性最佳,且较有利于CO₂捕集.当温度为1 005℃时水泥生料分解特性评价指数最佳.水泥生料质量分数为94%时,燃料用量和分解特性处于最优平衡状态.     

含杂质CO2的管道输送

 作为CO₂捕集与封存的中间过程,管道输送是目前比较经济有效的CO₂输送方式。捕集到的CO₂通常含有氮气、氧气、甲烷、氩气、水蒸气等杂质,其对CO₂性质有不同程度的影响,进而影响CO₂的管输特性。采用Matlab 编程计算,利用Span Wag-ner 状态方程计算和分析了纯CO₂的物性参数(密度、黏度、比热等),对比了PR、SRK、BWRS 状态方程应用于CO₂物性计算的平均偏差,并以精度最高的PR 状态方程为基础,建立了一维可压缩流体管道模型,对含杂质CO₂管道在不同输送状态(超临界、密相、液态、气态)、不同杂质类型与含量、不同管道参数等条件下的管道稳态特性进行了研究。研究结果表明,PR 状态方程对于含杂质CO₂物性参数计算的偏差较小,在临界点附近也能有较高的精确度,可用于含杂质CO₂物性参数的计算;在相同输送条件下,CO₂管道密相输送的压降值最小、超临界状态输送的压降值次之、气态输送的压降值最大;杂质的存在使气液两相区的范围扩大,更容易出现两相流,增大摩阻。通过流动仿真,并与天然气管道对比,揭示了含杂质CO₂管道在多种稳态流动条件下的管道沿线参数变化规律。     

污水处理厂碳排放研究进展

运用碳排放因子法,对汕头市4座处理规模相似但A²O工艺各异的中型污水处理厂进行碳排放总量核算与碳排放强度分析。结果表明,采用不同A²O工艺的污水处理厂总碳排放量存在差异,4座污水处理厂总碳排放强度范围为0.317~0.402 kg/m³(CO₂-eq)。按处理工艺碳排放从小到大顺序为：多段AO、A²O+厌氧/缺氧调节池、传统A²O、A²O+微曝气氧化沟。但不同处理工艺的碳排放类别组成相似,电力消耗为最主要的碳排放源。与传统的A²O工艺相比,3种改良A²O工艺在减小药耗、CH₄排放、N₂O排放和污泥处置碳排放源排放强度存在优势,其中多段AO工艺减小总碳排强度的优势最大,据此针对改良A²O工艺的运行碳排优化提出建议。

     

两级蓄冷跨临界压缩CO2混合工质储能系统特性分析

为了解决高压CO₂在高环境温度下难以冷凝的问题,提出两级蓄冷跨临界压缩CO₂混合工质储能系统。采用CO₂与低沸点有机工质混合的方法提高工质的冷凝温度,同时,利用两级甲醇蓄冷实现系统内部冷能循环利用。从环境性、临界温度、温度滑移、可混合性等方面确定合适的CO₂混合工质及其组分质量分数范围。建立储能系统的热力学分析模型,探究节流压力、高压储液罐压力、有机工质质量分数等关键参数对系统性能的影响规律,并研究系统内部能量流动规律,得到主要部件的(火用)损失。研究结果表明：随着有机工质质量分数的增加,蓄冷介质温度增加,系统安全性提高;与纯CO₂工质相比,系统的充放电效率和能量密度略有降低;CO₂/R32混合工质的充放电效率最高为62.29%,CO₂/pentane混合工质的能量密度最高为21.37 kW·h/m³。     

基于NSGA-Ⅱ的二氧化碳氢化反应热力学多目标优化

二氧化碳氢化合成低碳烯烃反应是化学储能技术路径中重要的单元反应,二氧化碳首先与由可再生能源获得的氢气进行化学反应合成低碳烯烃,随后通过齐聚反应将能量储存到清洁燃料中。以二氧化碳氢化合成低碳烯烃反应为研究对象,使用Gibbs自由能最小化方法进行了平衡热力学分析,得到反应温度、反应压力、进料气H₂与CO₂的物质的量比对CO₂平衡转化率、低碳烯烃选择性及平衡组分的影响;基于统计学理论建立了反应参数对CO₂平衡转化率、低碳烯烃选择性和反应系统中H₂O平衡摩尔分数的回归函数模型;最后采用基于快速非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化方法对反应系统性能进行多目标优化。结果表明：从提高反应系统性能和降低催化剂水解失效风险角度进行的多目标优化与CO₂平衡转化率最大的单目标优化相比,H₂O的平衡摩尔分数从47.2%减少到24.9%;与低碳烯烃选择性最大的单目标优化相比,H₂O的平衡摩尔分数从51.1%减少到18.7%;与H₂O平衡摩尔分数最小的单目标优化相比,CO₂平衡转化率和低碳烯烃选择性从64.9%和8.7%分别提高到72.9%和58.6%。