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本期目录
2022年 第41卷 第3期 刊出日期:2022-03-23
    本期封面、中英文目次表、版权页
    化工进展. 2022, 41(3):  0. 
    摘要 ( 84 )   PDF (7649KB) ( 86 )  
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    广告页
    化工进展. 2022, 41(3):  1. 
    摘要 ( 52 )   PDF (87937KB) ( 20 )  
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    特稿
    百年回眸 赓续发展
    中国化工学会
    化工进展. 2022, 41(3):  1085-1090.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0000
    摘要 ( 117 )   HTML ( 19 )   PDF (526KB) ( 136 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    观点
    “双碳”目标下膜技术发展的思考
    徐南平, 赵静, 刘公平
    化工进展. 2022, 41(3):  1091-1096.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2143
    摘要 ( 408 )   HTML ( 38 )   PDF (1233KB) ( 564 )  
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    实现碳达峰和碳中和,本质在于使经济社会发展彻底摆脱对含碳矿产资源的依赖,其关键在科技创新。作为一种高效节能的共性分离技术,膜技术在这个过程中可以发挥怎样的作用?本文从零碳能源重构、低碳流程再造、非二气体减排及负碳体系构建四个方面详细阐述了膜技术在实现“双碳”目标的关键技术途径中所发挥的重要作用,主要包括零碳电力存储、绿氢制备及利用、工业流程优化及节能降耗、CO2及非二气体捕集、CO2转化再利用等。文中分析了相关领域膜技术的发展现状,并对“双碳”目标下我国未来膜技术的研究方向和发展目标进行了展望,指出通过一系列颠覆性膜技术的大规模应用,可助力实现可再生能源成本全球最低、低碳流程再造代价最小两大战略目标,为我国实现碳中和提供坚实的技术支撑。

    膜法碳捕集技术——研究现状及展望
    王志, 原野, 生梦龙, 李庆华
    化工进展. 2022, 41(3):  1097-1101.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2271
    摘要 ( 340 )   HTML ( 23 )   PDF (383KB) ( 309 )  
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    碳捕集是实现CO2减排的重要技术手段之一。在众多碳捕集技术中,膜分离技术具有操作简单、能耗低、环境污染小等优势,吸引了广泛关注。完整的膜法捕集CO2技术研究链条包括膜材料开发、分离膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置的设计建造。本文针对膜法碳捕集技术链的四个环节,总结对比了国内外技术水平和研究进展,分析了碳捕集膜从实验室研究到工业放大的瓶颈问题,并对本文作者课题组在各个技术环节所积累的研究成果进行了综述。在此基础上,对进一步提高膜法碳捕集技术水平的研究方向进行了展望。

    低能耗化学吸收碳捕集技术展望
    唐思扬, 李星宇, 鲁厚芳, 钟山, 梁斌
    化工进展. 2022, 41(3):  1102-1106.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2234
    摘要 ( 283 )   HTML ( 35 )   PDF (2113KB) ( 458 )  
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    低能耗的CO2捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO2捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO2研究,提出以下化学吸收法的研究方向:开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO2吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。

    加快生物质废弃物吸附增强制可再生氢气
    冯翔, 杨朝合, CHEN De
    化工进展. 2022, 41(3):  1107-1110.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2233
    摘要 ( 192 )   HTML ( 11 )   PDF (368KB) ( 135 )  
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    作为全球性的优质能源载体,氢的主要生产方式包括碳氢化合物(例如天然气、煤炭和生物质)的热化学过程以及使用电力来源与可再生能源(如风能或太阳能等)的水电解过程。目前的水电解技术在大规模制氢方面经济竞争力亟待提升。本文指出:为了在2060年实现碳中和,迫切需要开发绿氢制备新技术,大力发展可再生制氢和低碳制氢。具有碳捕集、利用和封存的碳氢化合物低碳制氢(蓝色)技术将占重要地位,随后逐步转向可再生制氢(绿色),并有望全面实现零碳制氢,进而对长期低碳化社会的发展至关重要。文章提出我国生物质资源非常丰富,但生物质废弃物制氢的技术成熟度仍然较低,迫切需要开发从生物质中高效生产可再生氢气的新技术,以显著提高氢气产量并降低成本;吸附增强反应代表了一种可用于可持续生产氢的有前景的新技术;氢气的产率和纯度可以通过过程强化得到显著提高,制氢过程的强化可以在多功能反应器中实现,其中重整和/或气化、水煤气变换和CO2移除步骤可将重整/水煤气变换反应催化剂和CO2捕集剂混合而集成到一个反应器中。最后指出:由于该过程潜力巨大,因此应助推耦合气化和吸附增强反应过程从生物质废弃物中生产可再生氢气的工艺过程,以加快推进碳中和进程。

    生物质协同流程工业节能、降污、减碳路径思考
    朱家华, 穆立文, 蒋管聪, 刘立, 熊晶晶, 陆小华
    化工进展. 2022, 41(3):  1111-1114.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2229
    摘要 ( 175 )   HTML ( 10 )   PDF (627KB) ( 215 )  
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    流程工业的低碳/零碳/负碳转型,需从节能、降污、减碳出发,根本上要在能源和原料供给侧摆脱传统化石能源的束缚。风电、光电、水电等为未来社会提供源源不断的可再生能源,但其不具备资源属性,而生物质兼具能源和资源属性,是未来替代化石燃料和原料的重要载体。本文指出,当前生物质转化主要集中在能源、材料、化学品等领域,以生物甲烷、乙醇、航煤等为代表的生物质能源取得了阶段性成果。将生物质转化技术与流程工业耦合,是当下流程工业低碳转型的重要手段,也是实现未来零碳/负碳目标的根本性措施。本文从生物质气化热电联用、生物质气化与燃煤耦合发电、水泥工业生物质替代燃料等案例出发,简要阐述了生物质转化与流程工业耦合面临的挑战,以及未来亟需发展的可再生能源为主的流程再造新理论和前沿颠覆性技术。

    CO2加氢一步制二甲醚展望
    刘畅, 刘忠文
    化工进展. 2022, 41(3):  1115-1120.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2239
    摘要 ( 207 )   HTML ( 20 )   PDF (1947KB) ( 365 )  
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    CO2加氢制二甲醚(DME)是有潜力实现CO2资源化利用的重要途径之一。与光、电催化相比,CO2的非均相催化转化具有转化效率高等优点,但目前CO2加氢一步制备DME催化剂的反应活性较低、稳定性较差。本文在简要介绍CO2加氢一步制DME的铜基双功能催化剂、复合氧化物和氮化镓催化剂的基础上,重点总结了活性中心结构和反应机理的研究进展。对于铜基双功能催化剂,CO2加氢经甲醇中间体合成DME,其中还原态铜(Cu0、Cu+及Cu δ+,0<δ<2)是其催化活性中心,且还原态铜的分散度及稳定性、固体酸的性质和酸性位分布以及两类活性中心的耦合效应是决定DME收率和催化剂稳定性的关键因素。与此相反,DME是氮化镓催化CO2加氢的初级产物。这与铜基双功能催化剂有着本质区别,属新催化剂体系。在此基础上,文章对CO2加氢制DME的可能研究方向进行了展望,认为“二甲醚经济”更具发展潜力。

    电解水制氢耦合碳酸盐还原展望
    徐明, 邵明飞, 刘清雅, 段雪
    化工进展. 2022, 41(3):  1121-1124.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2345
    摘要 ( 204 )   HTML ( 15 )   PDF (637KB) ( 176 )  
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    无机金属碳酸盐是一类具有高附价值和地球储量丰富的矿物质资源,且碳酸盐热分解是制备金属氧化物的主要途径。但是,该类反应通常需要在高温、氧气气氛下焙烧获得,从而造成大量二氧化碳排放,与其相关的碳排放总量超过了全国工业碳排放的50%。为了解决这一问题,无机金属碳酸盐加氢热分解逐渐引起关注。本文首先介绍了碳酸盐加氢热分解的研究进展,进一步结合本文作者课题组近期关于电解水制氢和碳酸盐加氢还原的最新成果,提出电解水制氢耦合碳酸盐还原的观点,其有望成为制备金属氧化物的新型技术路线,对我国重排放过程工业的减排增效具有借鉴意义。

    碳中和目标下的光伏发电技术
    苗青青, 石春艳, 张香平
    化工进展. 2022, 41(3):  1125-1131.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2500
    摘要 ( 258 )   HTML ( 16 )   PDF (4124KB) ( 415 )  
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    化石能源燃烧发电过程是我国CO2排放的主要来源之一。在碳中和、碳达峰的“双碳”目标下,大力发展可再生能源等低碳或零碳能源体系,构建以新能源为主体的新型电力系统,成为能源领域技术变革的战略方向,其中光伏发电是公认的我国未来可再生能源发电的主要方式之一。本文重点对我国光伏发电的开发现状、存在问题、关键技术、未来趋势及发展策略等进行简要论述,分别对晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池(硅基、砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉)、钙钛矿太阳能电池、其他新型太阳能电池(有机、染料敏化、量子点)等关键技术进行了详细论述,以期为我国光伏发电产业的快速发展及高效安全的清洁能源新体系构建提供方向引导。

    精对苯二甲酸生产废水处理与CO2协同利用技术的实践与展望
    李海涛, 汪东
    化工进展. 2022, 41(3):  1132-1135.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2188
    摘要 ( 134 )   HTML ( 8 )   PDF (1568KB) ( 123 )  
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    在全球变暖的严峻形势和我国“双碳”目标的大背景下,本文提出了“化工废水处理与CO2协同利用”概念,选择精对苯二甲酸(PTA)生产废水处理与CO2协同利用生产微藻生物质,开展了实验室研究和为期124天的中试试验。实验结果表明,实现了PTA生产废水COD去除率达到92%以上,对CO2(体积分数10%)捕集率达到93%以上,CO2捕集强度为9~11kg/t废水。产生的剩余生物质通过热裂解处理,生物质热裂解率>95%。通过闭环的碳转化,利用体系处理,利用废水、气体和固体中的碳,实现了从“无用碳”到“可用碳”的转化,为化工企业的碳中和目标提供了新的思路。

    二氧化碳的捕集、封存及利用
    二氧化碳转化为合成气及高附加值产品的研究进展
    邵斌, 孙哲毅, 章云, 潘冯弘康, 赵开庆, 胡军, 刘洪来
    化工进展. 2022, 41(3):  1136-1151.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1909
    摘要 ( 299 )   HTML ( 26 )   PDF (5948KB) ( 424 )  
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    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。

    二氧化碳直接空气捕集材料与技术研究进展
    宋珂琛, 崔希利, 邢华斌
    化工进展. 2022, 41(3):  1152-1162.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2216
    摘要 ( 232 )   HTML ( 17 )   PDF (4442KB) ( 253 )  
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    直接空气捕集(DAC)等新兴负碳排放技术是实现“双碳”目标的托底技术保障,近年来受到广泛关注。本文简要分析了直接空气碳捕集技术的特性,归纳总结了胺功能化无机材料和聚合物、金属氢氧化物和碳酸盐、多孔材料等痕量二氧化碳捕集性能,初步分析了负载方式、载体结构等与吸附容量和动力学的关系。浅析了该领域发展面临的问题和机遇,从能耗和性能方面对捕集材料和技术的研发提出以下建议:相较于物理吸附材料,胺功能化材料和固体碱等化学吸附材料具有更好的应用前景;在工艺开发领域,可以借鉴其他低浓度气体深度脱除工艺的经验;另一方面,可以结合不同工艺优势,设计多种工艺耦合的流程;最后,在严峻的环境问题下,必须加快材料研发的步伐,未来的研究重点应集中在材料的设计和低能耗再生方式的开发上。

    二氧化碳与不饱和烃制备丙烯酸及其衍生物研究进展
    岳成光, 姬文豪, 冯帮满, 王美岩, 马新宾
    化工进展. 2022, 41(3):  1163-1175.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2244
    摘要 ( 150 )   HTML ( 13 )   PDF (5291KB) ( 238 )  
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    CO2高值转化是“双碳”目标大背景下碳利用的有效方式。过渡金属络合物催化的CO2与不饱和烃羧化反应是合成丙烯酸及其衍生物的新路线,也是CO2高值利用的新途径。本文总结了多种金属络合物(Ni、Pd、Cu等)在催化CO2与烯烃偶联羧化、CO2与炔烃或联烯还原羧化制丙烯酸及其衍生物中的应用,着重概述了不同催化体系中的金属-配体优化和反应条件调控,系统对比了不同催化剂的催化特点和作用机制,并论述了其催化反应循环中的控速步骤以及催化剂再生等关键问题。最后,对过渡金属络合物催化CO2与乙烯偶联羧化制备丙烯酸及CO2与炔烃或联烯还原羧化合成高区域选择性不饱和羧酸衍生物的后续研究方向和应用前景进行了展望。

    离子液体和低共熔溶剂催化二氧化碳合成有机碳酸酯的研究进展
    阮佳纬, 叶香珠, 陈立芳, 漆志文
    化工进展. 2022, 41(3):  1176-1186.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2276
    摘要 ( 173 )   HTML ( 11 )   PDF (2670KB) ( 216 )  
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    离子液体和低共熔溶剂因其良好的溶解与催化能力,可催化CO2转化为高附加值化学品。本文综述了离子液体和低共熔溶剂催化CO2转化为有机碳酸酯的研究进展,分析了CO2与醇生成直链碳酸酯以及与环氧化物生成环状碳酸酯的反应机理;介绍了传统型、质子型、功能化离子液体以及由氯化胆碱、季铵盐与季膦盐、有机碱等作为氢键受体组成的低共熔溶剂,及其在CO2转化为直链和环状碳酸酯反应中的催化性能;总结了此两类反应中离子液体和低共熔溶剂设计的基本规律;指出了CO2转化反应中离子液体与低共熔溶剂存在的催化效率低、稳定性不高、后续分离困难等问题,后续研究可结合计算机辅助设计方法,探索更合适的阴阳离子/氢键供受体组合,获得更高效的催化体系。

    CO2的捕集及资源化利用
    孔祥宇, 谢亮, 王延民, 翟尚鹏, 王建国
    化工进展. 2022, 41(3):  1187-1198.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2316
    摘要 ( 227 )   HTML ( 21 )   PDF (4687KB) ( 304 )  
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    新型吸附材料对CO2进行吸附分离并催化转化为高附加值产品,具有绿色清洁的优点,是未来全球应对气候变化的重要技术选择之一,但在复杂环境CO2的捕集过程中存在无法高效吸附分离以及成本较高的问题。本文简述了CO2吸附材料最新研究进展以及资源化利用的有效途径,主要介绍了金属有机骨架(MOF)、分子筛、多孔碳材料、共价有机骨架(COF)等吸附材料的物化性质等对吸附量和选择性的影响,从催化转化的角度对合成甲酸、甲醇以及烯烃等小分子化合物进行了论述。基于含CO2废气的综合治理问题,探讨了将钢铁行业中的烟道气以及高炉煤气等进行加氢的可行性,在CO2捕集和转化的科学技术进步上开拓了新思路,对CO2更加清洁高效利用,实现低碳化、智能化多能融合进行展望。

    典型二氧化碳利用技术的低碳成效综合评估
    尚丽, 刘双, 沈群, 张凌云, 孙楠楠, 魏伟
    化工进展. 2022, 41(3):  1199-1208.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2551
    摘要 ( 181 )   HTML ( 10 )   PDF (1610KB) ( 351 )  
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    面向全新的碳中和愿景,二氧化碳利用作为一种重要的低碳技术,受到了学术界和工业界的广泛关注,开展技术的低碳成效评估对于技术研发及布局的顶层设计具有重要意义。然而已有研究主要基于技术特征开展定性的优先序判断,缺乏系统性的评估方法。本文首先对国内外二氧化碳利用技术发展现状开展梳理,围绕技术特性、碳中和效应、经济效应和社会效应四个方面,采用层次分析和目标趋近相结合的方法,构建了针对二氧化碳利用技术低碳成效综合评估的方法学;并对我国典型的二氧化碳利用技术低碳成效现状以及未来潜力开展应用评估,通过不同二氧化碳利用技术低碳成效的横向对比以及技术不同阶段低碳成效的纵向对比,研究发现:目前我国二氧化碳利用技术低碳成效整体水平偏低,不同二氧化碳利用技术低碳成效的差异主要来自技术特性和碳中和效应两大方面;我国现有的典型二氧化碳利用技术中,二氧化碳加氢合成甲醇技术和二氧化碳与甲烷重整制备合成气技术的低碳成效相对显著;通过对未来不同阶段二氧化碳利用技术低碳成效的对比分析,发现不同二氧化碳利用技术的低碳成效变化有较大差异,其中二氧化碳矿化养护混凝土和二氧化碳光电催化转化技术的低碳成效有明显提升。

    电催化还原CO2生成多种产物催化剂研究进展
    郑元波, 张前, 石坚, 李佳霖, 梅苏宁, 余秦伟, 杨建明, 吕剑
    化工进展. 2022, 41(3):  1209-1223.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1936
    摘要 ( 138 )   HTML ( 9 )   PDF (4867KB) ( 213 )  
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    电催化还原CO2生成含碳产物技术,能有效解决CO2过量导致的温室效应及能源短缺问题。但是,电催化还原CO2会生成多种产物,因此,研究制备催化活性较好的高选择性催化剂是研究重点。本文简述了电催化还原CO2的基本原理、不同还原产物的形成途径、活性中间体、速控步及活性催化剂,分析了电催化还原CO2生成不同产物存在的问题。并且针对催化剂催化活性及催化反应过程中的这些问题,提出了提高催化剂催化活性的方法,总结了催化剂发展趋势,一般策略包括制造纳米结构材料、催化剂负载在高比表面积的载体上、杂原子掺杂、合金化、引入缺陷等,分析了这些方法通过改变电子传输等因素对催化剂活性及选择性的影响。

    CO2电催化还原产合成气研究进展
    华亚妮, 冯少广, 党欣悦, 郝文斌, 张保文, 高展
    化工进展. 2022, 41(3):  1224-1240.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2009
    摘要 ( 125 )   HTML ( 13 )   PDF (8373KB) ( 153 )  
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    CO2电催化还原产合成气是通过CO2资源化利用实现碳中和的有效途径之一,但仍存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题。本文综述了CO2电催化还原产合成气的催化剂研究进展,包括金属催化剂、金属配合物催化剂、金属氧化物及硫化物催化剂、金属单原子催化剂以及非金属催化剂等;进一步地,概述了H型电解池、连续流电解池、固体氧化物电解池以及膜反应器电解池等电化学反应池特征。在此基础上,总结了提升CO2电催化还原产合成气效率的有效策略,包括阳极反应耦合、双活性位催化剂结构设计以及催化剂多级形貌调控等。最后探讨了CO2电催化还原产合成气领域未来的发展方向:通过机器学习辅助催化剂设计筛选;结合多尺度模拟理解电化学界面过程;利用原位表征技术探究反应机理等。

    二氧化碳管道意外泄漏减压过程的断裂控制研究进展
    陈磊, 闫兴清, 胡延伟, 于帅, 杨凯, 陈绍云, 关辉, 喻健良, HMAHGEREFTE Haroun, MARTYNOV Sergey
    化工进展. 2022, 41(3):  1241-1255.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2096
    摘要 ( 111 )   HTML ( 3 )   PDF (4130KB) ( 145 )  
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    管道是二氧化碳捕集、利用和封存(carbon capture, utilization, and storage,CCUS)技术产业链中输运大量二氧化碳(CO2)的最优方式,但其在运行中具有意外泄漏风险。本文从实验和计算机模拟两个方面综述了国内外开展CO2管道泄漏减压、断裂扩展的研究进展,分析了相态、管材、埋地条件等初始状态对裂纹扩展规律的影响。阐述了状态方程、杂质因素、理论模型对开展实验和模拟计算研究的影响。归纳了适用于建立减压波预测模型的状态方程,开展流固耦合研究的理论方法和模拟仿真软件,设计CO2输运管道参考的技术文档。总结了当前CO2管道泄漏减压、断裂扩展控制研究方面需深入研究的科学问题,展望了亟待开展的研究内容,包括构建多元混合物状态方程在三相点、相间线的计算模型;探究裂纹裂间处CO2热物性质与裂纹断裂扩展的耦合关系;建立管道止裂准则,开发、优化CO2输运管道专用止裂器。

    离子液体电还原CO2合成甲醇过程评价与分析
    常斐, 詹国雄, 史森森, 曾少娟, 张香平
    化工进展. 2022, 41(3):  1256-1264.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2226
    摘要 ( 99 )   HTML ( 4 )   PDF (3230KB) ( 88 )  
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    CO2电还原合成化学品因反应条件温和、可利用分布式清洁能源等优势成为国际热点,被视为缓解全球变暖和能源危机的有效途径之一,对该类技术潜在经济及环境效益进行系统评估,可为新技术工业应用提供重要支撑。本文以离子液体电还原CO2制甲醇工艺为例,首先进行概念设计和建模,建立了基于生命周期的工艺经济性及碳排放评价模型,获得了离子液体电还原CO2制甲醇工艺的盈利前景和碳减排潜力。通过灵敏度分析,确定了例如法拉第效率、电费及槽电压等影响工艺经济性的关键技术参数。结果表明,与传统煤制甲醇工艺相比,离子液体电还原CO2制甲醇工艺兼具一定的经济效益与碳减排潜力。在最佳假设前提下,新工艺可节约成本约11.67%。若完全采用可再生能源提供电力,则可实现生命周期内的负碳排放,即每生产1kg甲醇最高可消纳1.29kg CO2。本研究为低碳合成甲醇变革性技术的研发提供了重要参考。

    多孔介质内气泡熟化特性孔隙尺度研究
    周志毅, 王进卿, 王广鑫, 池作和, 翁煜侃
    化工进展. 2022, 41(3):  1265-1271.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1831
    摘要 ( 94 )   HTML ( 4 )   PDF (1523KB) ( 51 )  
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    多孔介质内的气泡熟化行为广泛存在于CO2封存等领域,为探究多孔介质内气泡的熟化特性,本文采用空气作为模拟气体,通过可视化实验和数值计算,对双孔隙和四孔隙气泡熟化过程进行了研究,阐释了多孔介质非均质性对熟化过程的影响规律。结果表明:在双孔隙气体饱和度较小情况下,虽然也发生正向熟化,但是孔隙结构的存在使熟化速率明显低于自由流体情况;四孔隙研究显示多孔介质非均质性对气泡熟化过程影响显著,由于孔隙的几何限制,气泡在某些情况下会发生逆Ostwald熟化,即生长的气泡在充满当前孔隙空间后会停止生长并反向熟化导致尺寸缩小;在非均质多孔介质中,由于熟化作用,气泡有传质到大孔隙区域趋势,导致大孔隙区域富集大气泡,存在泄漏风险,从而影响封存。

    基于CO2稀释的旋流无焰燃烧理论判别方法
    冯乐乐, 周思博, 董脉帆, 刘杰, 吴玉新
    化工进展. 2022, 41(3):  1272-1282.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2192
    摘要 ( 73 )   HTML ( 3 )   PDF (6748KB) ( 41 )  
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    基于温度判据和时间判据,本文建立了考虑旋流入口条件和CO2稀释的无焰燃烧理论判别方法并进行验证,进而讨论了结构参数和操作参数对燃烧模式和火焰稳定性的影响。模型预测的旋流无焰燃烧临界氧浓度与文献中实验数据相比,最大相对误差不超过8%。降低氧浓度、减小当量比或提高入口流量时,温度判据1变化不大,而时间判据更易满足,因此有利于实现无焰燃烧;低旋流数条件下,无焰燃烧稳定性较差。增大燃烧室高度时,温度判据1更易满足,而时间判据更难满足,温度判据1分界线下移更快,有利于形成无焰燃烧;减小燃烧室截面积时,温度判据1变化不大,而时间判据更易满足,有利于实现无焰燃烧;增大燃烧器出口面积时,温度判据1和时间判据均更难满足,且时间判据分界线下移更快,不利于形成无焰燃烧。

    基于NaOH溶液CO2膜吸收系统的膜结构及传质性能
    冯燕, 李娜, 杜南, 李小倩, 周屈兰
    化工进展. 2022, 41(3):  1283-1288.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1843
    摘要 ( 96 )   HTML ( 4 )   PDF (3311KB) ( 65 )  
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    碳捕集与利用技术是实现减碳目标的有效方案。膜系统气体吸收技术能够实现CO2HCO3-CO32-形式存储在无机碱性吸收剂中,并还原成甲醇、乙醇等清洁燃料。本文采用膜单侧浸泡实验法和传质实验,分别考察了疏水性微孔滤膜聚四氟乙烯(PTFE)膜、聚偏氟乙烯(PVDF)膜、聚丙烯(PP)膜在NaOH碱性溶液中的结构和CO2传质特性的变化。结果表明,PTFE膜和PP膜在NaOH碱性溶液中溶胀率上升,孔径减小,孔隙率下降,疏水性下降,传质系数下降;PVDF膜在NaOH溶液中会发生反应,结构被破坏,传质系数接近无膜吸收,但无法起到相界面的作用,不能直接用于以NaOH为吸收剂的膜吸收系统。

    废弃蛋壳源高性能钙基吸收剂的制备及其碳捕集性能
    王保文, 姜涛, 许炳辉, 梁彦琛, 郭超凡, 李旭刚, 周志永
    化工进展. 2022, 41(3):  1289-1297.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1841
    摘要 ( 106 )   HTML ( 8 )   PDF (4222KB) ( 57 )  
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    基于食品工业废弃蛋壳,本文利用不同有机酸反应制取乙酸钙、柠檬酸钙及葡萄糖酸钙共三种蛋壳源有机钙。在高温固定床反应器及热重分析仪上研究了不同前体所制成钙基吸收剂的碳循环捕集性能及碳酸化特性。进一步通过XRD分析了不同钙基吸收剂的物相组成,通过N2吸附仪及SEM分析了循环前后钙基吸收剂结构特性及微观形貌的变化。结果表明,在三种蛋壳源有机钙中,葡萄糖酸钙所制成的钙基吸收剂具有较高的反应活性和相对最佳的碳捕集性能,首次碳酸化转化率高达85.33%,其钙基吸收剂相比其他吸收剂晶粒更小,20~100nm孔径范围内的孔隙较为发达,具有相对较强的抗烧结能力。经过20次循环实验发现,随着循环次数的增加,几种钙基吸收剂小颗粒均团聚烧结成大颗粒,造成孔隙结构缺失,孔隙率降低,影响其后续碳捕集性能。

    基于金属有机骨架和稻谷壳前体构筑ZnZrO x &bio-SAPO-34双功能催化剂及CO2加氢制低碳烯烃
    李雯, 詹国武, 黄加乐, 李清彪
    化工进展. 2022, 41(3):  1298-1308.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2028
    摘要 ( 94 )   HTML ( 4 )   PDF (7529KB) ( 70 )  
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    CO2过量排放导致全球气候异常,通过CO2催化加氢将CO2转化为具有高附加值的基础化学品或燃料是实现碳循环的有效方式,同时也有助于实现我国的“碳中和”目标。本文报道了基于稻谷壳前体制备具有多层次、相互贯通的介孔及大孔结构的bio-SAPO-34分子筛,该结构有利于反应过程中反应中间体的传质。本文系统地研究了分子筛前体液浓度、微孔导向剂种类及浓度、生物模板加入量等因素对bio-SAPO-34合成过程中维持生物模板分级结构的影响规律。将bio-SAPO-34与ZnZrO x 固溶体氧化物组装构筑ZnZrO x &bio-SAPO-34双功能催化剂用于催化CO2加氢制备低碳烯烃反应。在380℃、3MPa的反应条件下,双功能催化剂的CO2转化率为11.8%,低碳烯烃的选择性为66.4%(占烃类产物),且经过连续反应60h后未发现催化剂明显失活。

    可再生能源的开发利用
    太阳燃料甲醇合成
    王集杰, 韩哲, 陈思宇, 汤驰洲, 沙峰, 唐珊, 姚婷婷, 李灿
    化工进展. 2022, 41(3):  1309-1317.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0244
    摘要 ( 278 )   HTML ( 14 )   PDF (3552KB) ( 388 )  
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    我国将力争于2060年前实现碳中和,而实现碳中和的根本途径是能源利用形式由化石能源向可再生能源转变。本文指出太阳燃料甲醇合成(又称“液态阳光”)是利用太阳能等可再生能源分解水制取绿氢,再将二氧化碳与绿氢结合转化为甲醇的综合性技术,它不仅可将再生能源存储在液体燃料甲醇中,还可解决重要领域如冶金、建材、化工中的刚性二氧化碳排放,是实现碳中和目标切实可行的技术路线和有力手段。本文就作者团队研究发展的液态阳光水分解制氢和二氧化碳加氢制甲醇技术进行总结,并对当前液态阳光技术的工业应用进行了介绍。

    生物乙醇原位分离技术的研究进展
    吴涵竹, 司志豪, 秦培勇
    化工进展. 2022, 41(3):  1318-1329.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2230
    摘要 ( 89 )   HTML ( 3 )   PDF (1946KB) ( 74 )  
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    生物乙醇是一种重要的可再生生物燃料,使用生物乙醇可大幅减少温室气体排放。为了建立更高效低能耗的生物乙醇回收工艺,原位分离(ISPR)技术应运而生。本文综述了近年来乙醇原位分离的研究进展,从原理及应用等进行多方面详细地介绍,包括气提、真空发酵、吸附、液-液萃取、渗透汽化、膜蒸馏等分离技术。针对分离性能、能耗成本等问题分析了不同分离技术耦合发酵过程的优势及不足,重点回顾了以渗透汽化为代表的膜分离技术,总结了渗透汽化膜材料的选择以及膜的制备方法,旨在提升乙醇分离膜性能优化乙醇分离工艺。为整合不同分离技术的特点及优势,聚焦多级耦合分离系统的开发对各级分离技术联用的性能及潜力进行剖析与评价,并在此基础上研判其发展前景。

    生物油催化重整制氢研究进展
    方书起, 王毓谦, 李攀, 陈志勇, 陈玮, 白净, 常春
    化工进展. 2022, 41(3):  1330-1339.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1954
    摘要 ( 108 )   HTML ( 5 )   PDF (1903KB) ( 176 )  
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    随着各国新能源行业的兴起,氢能成为最具发展潜力的可再生能源。利用生物油进行催化重整是一种优良、高效的制氢方法,同时拓宽了生物油高值化利用的途径。本文对近年来该领域内的相关研究进行综述,重点介绍了原料对重整反应的影响(不同来源生物油及其模化物)、催化剂特性对重整反应的影响(负载贵金属与非贵金属)以及操作条件对重整反应的影响,对新兴的微波催化重整技术进行了简要介绍,并针对目前该领域所面临的困难提出了一些展望及发展方向,为生物油催化重整制氢提供重要理论依据。

    水相生物油原位汽化-催化重整制氢工艺优化
    张安东, 李志合, 王丽红, 王绍庆, 梁昌明, 万震
    化工进展. 2022, 41(3):  1340-1348.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1674
    摘要 ( 83 )   HTML ( 4 )   PDF (3793KB) ( 43 )  
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    为了“碳达峰,碳中和”的目标,开发以可再生能源为主体的绿色制氢技术势在必行。基于原位汽化策略,本文在自主研发的固定床/流化床催化重整一体式反应装置上开展水相生物油催化重整制氢对比实验。结果发现,在经原位汽化改进后的催化重整制氢工艺中,流化床内水相生物油转化效率(95%左右)明显高于固定床(80%左右),两种反应体系中的H2选择性均能100%保持较长时间稳定,但在反应进行到100min左右时,固定床反应体系中出现了明显的催化剂积炭失活现象,而流化床体系中催化剂始终保持较高活性,未发现积炭生成。从反应后液相产物分析可以发现,流化床反应体系中水相生物油各组分接近完全转化,而固定床反应体系中除有少量乙酸和苯酚残留外,还有少量酮类物质产生(丙酮等)。因此,原位汽化策略可以有效促进水相生物油催化重整制氢过程,结合流化床中催化剂的流化效果,将极大促进生物质-生物油-氢气的产业链推广进程。

    低共熔溶剂预处理提高甘草渣酶解效果优化
    解先利, 刘云云, 余强, 张宇, 张荣清, 邱雨心
    化工进展. 2022, 41(3):  1349-1356.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1764
    摘要 ( 87 )   HTML ( 2 )   PDF (3631KB) ( 38 )  
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    近年来,低共熔溶剂(deep eutectic solvent,DES)以易制备、成本低、易回收等优势,在生物质预处理方面受到广泛关注。本研究以氯化胆碱为氢键受体,乙醇胺为氢键供体,合成DES,研究了不同温度、时间和固液比预处理条件对中药渣组分和酶解效果的影响。结果表明:固液比1∶20、120℃、预处理4h后原料中木质素去除率达到78.42%,纤维素回收率为83.89%。随后对不同条件下所得底物进行酶水解,反应96h后发现,较优条件下所得底物酶解效率为78.57%,较未处理中药渣(30.40%)提高了1.58倍。类分形动力学分析表明,预处理温度对酶解效果影响最大。SEM、XRD和FTIR检测发现,预处理后底物形貌、结晶指数和官能团变化有利于酶解效果的提高。

    碱联合超高压预处理对笋壳酶解效率的影响
    王延云, 胡强, 龚卫华, 王燕, 吴蔚
    化工进展. 2022, 41(3):  1357-1363.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2111
    摘要 ( 81 )   HTML ( 5 )   PDF (2344KB) ( 27 )  
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    以竹笋壳(BS)为原料,采用单独超高压(UHP)、单独碱加热(AH)、超高压后碱加热(UHP+AT)和碱加热后超高压(AT+UHP)4种方法进行预处理,并对比分析了样品预处理前后的化学组成、扫描电镜(SEM)、晶体结构(XRD)、红外光谱(FTIR)、比表面积和孔结构及酶水解效率的变化规律。结果表明:与其他处理方法相比,AT+UHP在450MPa压强下处理效果最好。预处理后样品中木质素的脱除率为86.87%,微观表面结构松散和粗糙,结晶指数有所上升,比表面积和孔体积分别为2.590m2/g、0.010cm3/g,酶水解效率高达97.89%。UHP+AT与AT+UHP预处理效果差异不明显,其酶解效率达到96.94%。因此,碱联合超高压处理是生物燃料生产中生物质预处理的一种潜在选择。

    减污降碳协同化工节能减排技术
    石化行业碳中和技术路径探索
    甘凤丽, 江霞, 常玉龙, 靳紫恒, 汪华林, 师敬伟
    化工进展. 2022, 41(3):  1364-1375.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1601
    摘要 ( 164 )   HTML ( 12 )   PDF (4441KB) ( 271 )  
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    2019年,中国石油和天然气消费所排放的CO2为21.1亿吨,占全国总排放量的21%。在我国2060年碳中和目标下,石化行业亟需碳中和技术创新。本文介绍了国内外石化行业碳中和政策措施,从碳减排、碳零排和碳负排三方面分析了石化行业碳中和技术路径。碳减排方面包括石油/天然气绿色开发、过程低碳利用、减污降碳协同技术;碳零排方面包括可再生能源与核能发电、绿氢以及零碳原料/燃料替代,如生物质制汽柴油、芳烃等大宗能源化学品技术;碳负排方面包括生物能源与碳捕获和存储(BECCS)及CO2转化燃料化学品技术。此外,还介绍了石化行业碳中和信息技术,包括人工智能、大数据和物联网三方面。本文将为我国石化行业碳中和路径探索提供技术参考。

    面向工业过程碳减排的分子筛膜技术研究进展
    张春, 王学瑞, 刘华, 高雪超, 张玉亭, 顾学红
    化工进展. 2022, 41(3):  1376-1390.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2353
    摘要 ( 126 )   HTML ( 7 )   PDF (7386KB) ( 118 )  
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    我国工业过程碳排放占比高达70%,实施节能增效、替代燃料、CO2捕集等是实现工业过程碳减排的重要路径。高效膜分离技术已成为过程工业节能减排和环境治理的共性支撑技术。本文围绕碳减排目标,结合本文作者课题组在分子筛膜领域的相关工作,重点论述分子筛膜分离技术在有机溶剂脱水、清洁能源生产、CO2分离和反应过程强化等领域的研究进展。基于本文作者课题组十余年的有机溶剂脱水产业化工作,提出降低膜装备投资的中空纤维分子筛膜技术路线、强化分子筛膜应用技术研究是实现大规模工业应用的关键。分子筛膜在工业气体分离领域仍属空白,加强高硅/全硅分子筛膜的制备及其在复杂组成气体的分离应用研究,对推动分子筛膜气体分离的实际应用至关重要。

    超低碳炼铁技术路径分析
    朱庆山
    化工进展. 2022, 41(3):  1391-1398.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2325
    摘要 ( 184 )   HTML ( 8 )   PDF (690KB) ( 211 )  
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    2060年碳中和目标既使我国钢铁工业未来发展面临巨大挑战,又为其提供了换道超车的发展机遇。本文对绿氢直接还原、氧化铁熔融还原、碱性溶液电沉积铁、酸性溶液电沉积铁的发展历史和技术现状进行了综述。在全绿电炼铁场景下,本文对各种技术路线的理论和实际耗电进行了估算,从技术成熟度、电耗、技术难度、应用前景等方面,对各技术路径进行了对比分析,发现碱性溶液电沉积铁电耗最低,酸性溶液电沉积铁和电供热氢气熔融还原次之。从技术难度上看,氢气直接还原、酸性溶液电沉积铁技术难度较小,且都已完成一定规模的中试,氢气熔融还原炼铁、碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术都还处于概念或技术发展早期阶段。综合来看,氢气直接还原、酸性溶液电沉积铁和氢气熔融还原炼铁路线可望发展成为有竞争力的超低碳炼铁技术,而碱性溶液电沉积铁和氧化铁熔融电解炼铁技术难度较大,短期内恐难以取得较大突破。

    碳中和目标下的煤化工变革与发展
    相宏伟, 杨勇, 李永旺
    化工进展. 2022, 41(3):  1399-1408.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2314
    摘要 ( 208 )   HTML ( 13 )   PDF (1363KB) ( 288 )  
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    碳中和目标的达成将对我国煤化工产业的发展产生深刻的影响。本文分析了煤炭消费与煤化工的CO2排放情况及煤化工在国家经济中的作用,指出碳减排技术与煤化工工艺耦合是实现煤化工碳减排与可持续发展的关键,现实地选择优化产业结构与提高能量利用效率的措施可明显但有限地降低CO2排放量,认为要实现煤化工亿吨级规模的碳减排必须采用绿电绿氢、碳捕获与封存/碳捕获利用与封存(CCS/CCUS和CO2)资源化利用技术。文中评述了近年来绿电绿氢、CCS/CCUS和CO2资源化利用技术应用的主要进展,指出2030年碳达峰前这些碳减排技术将处于关键的示范考验期,能否成熟可靠将决定之后的煤化工发展走向,同时预测氢冶金与绿氨合成示范技术的推广应用将可能导致煤化工产业格局的重大变化。最后基于空气直接捕集CO2技术与光电催化CO2转化或模拟光合反应的研究进展,设想了未来可能呈现的零碳化工体系。

    硼基催化剂丙烷氧化脱氢制丙烯
    高晓峰, 黄永康, 徐文豪, 周娴, 姚思宇, 马丁
    化工进展. 2022, 41(3):  1409-1429.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2203
    摘要 ( 138 )   HTML ( 7 )   PDF (10640KB) ( 188 )  
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    自2016年Hermans课题组发现六方氮化硼(h-BN)在丙烷氧化脱氢制丙烯(ODHP)反应中优异的烯烃选择性,各类硼基材料引起了研究者强烈的研究兴趣并广泛地用于ODHP反应。与传统金属与金属氧化物基催化剂不同,非金属硼基催化体系能够有效抑制CO x 等过度氧化产物,提高烯烃产率,具有较广阔的工业应用前景。本综述对硼基丙烷氧化脱氢催化剂从催化剂的设计、合成策略和反应性能等方面进行了系统地讨论,阐明了催化剂的构效关系;总结了反应路线、关键中间体、决速步以及催化动力学行为,加深了硼基催化剂催化丙烷氧化脱氢活性位点和机理的理解。指出三配位B—O/B—OH活性位点的有效构建及实现表面与气相自由基反应的协同催化是提高硼基催化剂丙烷脱氢性能的关键。基于目前的研究现状和存在的问题,对硼基催化剂体系研发前景和未来工业化应用进行了展望。

    国产硫酸法烷基化精制系统中脱酸技术开发与应用
    鲁朝金, 任官伟, 吕福炜, 董霄, 白志山
    化工进展. 2022, 41(3):  1430-1439.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2148
    摘要 ( 60 )   HTML ( 0 )   PDF (3212KB) ( 48 )  
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    烷基化油是国Ⅵ汽油质量升级的关键调和组分,在国内市场的需求量和产能不断扩大的情形下,如何提高烷基化产品的质量和生产过程的清洁是烷基化发展的重点方向。本文综述了硫酸法烷基化反应流出物处理技术现状,简述了STARCTCO工艺中传统酸洗、碱洗、水洗湿式处理技术流程,并重点介绍了纤维强化聚结分离技术在国产SINOALKY工艺中的工程开发及成功应用。基于实验研究和侧线试验,在国产硫酸法烷基化反应流出物处理领域开发出多级精细聚结干式处理技术。精制系统中干式脱酸技术的开发与应用显著降低了能耗和相关环境污染,提高了装置的环保性,有助于我国烷基化技术的绿色低碳发展。

    电磁感应加热用于可持续催化技术的研究进展
    刘鸿益, 杨光星, 余皓
    化工进展. 2022, 41(3):  1440-1452.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2228
    摘要 ( 94 )   HTML ( 3 )   PDF (4221KB) ( 65 )  
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    电磁感应加热技术作为一种通过吸收电磁能直接转换为热能的非直接接触式加热技术,热量直接在磁性材料上迅速感应产生,无需加热整个反应器,改善了能量传递效率和高散热现象。因此,电磁感应加热为高温化学过程供了独特的解决方案,以克服使用传统加热方法时带来的加热/冷却速率缓慢、加热不均匀、低能效等问题。本文首先简述了电磁感应加热技术的加热机制以及相关的测量方法,重点介绍了电磁感应加热过程中能量效率的评估,进而总结了采用电磁感应加热技术用于高温催化反应的研究进展。最后,提出了对未来电磁感应加热技术应用于工业化过程的展望。

    废弃塑料化学回收及升级再造研究进展
    陈欢, 万坤, 牛波, 张亚运, 龙东辉
    化工进展. 2022, 41(3):  1453-1469.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2227
    摘要 ( 207 )   HTML ( 15 )   PDF (5171KB) ( 474 )  
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    塑料对人类社会进步和经济发展发挥着重要作用,但其大规模生产和不恰当的处置已造成了严重的生态灾难。通过化学回收和化学升级再造的方法将废弃塑料转化为高附加值的产品是实现塑料资源可持续发展的关键技术之一。本综述总结了近年来废弃塑料的回收现状和化学升级再造的途径,包括催化热解、化学解聚、催化氢解、光催化、化学氧化等,着重探讨了反应条件对于产物分布和产率的影响、催化剂的构效关系及反应机理等。针对目前存在的反应条件严苛、催化剂成本高且重复利用性差等问题,提出未来研究方向包括优化工艺条件、弄清催化剂失活机理和开发价格低廉的高效催化剂,有望进一步实现废塑料资源化利用的工业化发展。

    碳中和背景下国内外废塑料裂解法回收进展
    王月, 赵秦峰, 张占全, 雷俊伟, 侯远东
    化工进展. 2022, 41(3):  1470-1478.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0815
    摘要 ( 232 )   HTML ( 7 )   PDF (979KB) ( 374 )  
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    人类生产生活对塑料制品日益增长的需求使得塑料废弃物迅速增加,由此引起的环境问题和社会问题亟待解决。本文综述了碳中和背景下国内外废塑料裂解法回收进展,从废塑料裂解催化剂、废塑料裂解反应器、废塑料与其他固废共裂解三个方面对废塑料裂解技术进展进行总结,归纳了国内外塑料回收企业和石油石化企业在废塑料裂解回收方面的进展,分为裂解法制油和裂解法制化学品两个方面。阐明了废塑料回收在节约能源、碳减排和经济性方面的意义,指出国内废塑料裂解法回收存在法规缺失、废塑料分类不清晰、产业链条不完善、相关学术研究不深入等问题,提出国内石油石化企业应从全生命周期角度出发对废塑料进行裂解法回收处理,结合上下游产业链,分阶段实施废塑料裂解产油品路线和产化学品路线。

    碳中和背景下工业副产气制氢技术研究与应用
    陈健, 姬存民, 卜令兵
    化工进展. 2022, 41(3):  1479-1486.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2240
    摘要 ( 158 )   HTML ( 7 )   PDF (1426KB) ( 141 )  
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    我国工业副产气排放量大,在对环境造成污染的同时,副产气中H2、CO等有效成分随排放而浪费。氢气既是重要的化工原料,也是无碳、高效的能源,用工业副产气制备或分离提纯氢气既减少资源浪费,又可减少CO2排放。本文介绍了我国含氢工业副产气排放情况,详述了焦炉煤气制氢、炼厂副产气制氢、氯碱尾气制氢等三种典型工业副产气制氢工艺,对煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢及三种典型工业副产气制氢工艺的成本和CO2排放进行了计算和整理分析。文章指出,考虑二氧化碳排放和碳交易成本等因素,与煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢和电解水制氢相比,现阶段下工业副产气制氢的综合成本优势更加明显。在碳中和背景下,工业副产气制氢是获取低碳氢气的有效和经济的途径,研究和开发工业副产气制氢技术,将为碳减排提供一条高效路径。

    关于天然气管网安全掺氢比10%的商榷
    陈伟锋, 尚娟, 邢百汇, 魏皓天, 顾超华, 花争立
    化工进展. 2022, 41(3):  1487-1493.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1438
    摘要 ( 107 )   HTML ( 4 )   PDF (962KB) ( 220 )  
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    大力发展氢能是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。将氢气掺入现有天然气管网利于实现氢能经济高效、大规模输送与应用。安全掺氢比是掺氢天然气管输系统有待解决的关键问题之一。有观点提出当掺氢天然气中的掺氢比在10%以下时,可无需加以验证地直接通过天然气管网输送。本文提出从目前来看,该观点不成立。文章从管网系统掺氢适应性、示范项目掺氢比探讨和标准规范3个方面阐述了个中缘由。文中指出,掺氢天然气管输技术正处于起步阶段,其安全保障还面临诸多挑战,任何结论都需要经过反复论证和验证,以稳步推动氢能产业发展。

    工业窑炉协同处置固废研究进展
    王建斌, 陈云, 王可华, 于学鹏, 陈聪, 刘建忠
    化工进展. 2022, 41(3):  1494-1502.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1789
    摘要 ( 104 )   HTML ( 5 )   PDF (1452KB) ( 228 )  
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    采用工业窑炉协同处置固废技术,借助工业窑炉的高温环境彻底转化分解固废,有效控制二英、重金属等二次污染,同时可节省固废专用处置设施的投资及运行费用,为工业生产替代部分所需化石燃料或生产原料,是一种科学处置固废的有效途径。本文介绍了水泥窑、钢铁冶炼窑炉、电厂燃煤锅炉、水煤浆气化炉等工业窑炉协同处置固废技术,综述了工业窑炉协同处置固废的技术研究和工程应用现状,结合固废自身特征与各行业工业窑炉特性分析其固废适用性。对比常见的固废非热处理技术、固废热处理技术,指出工业窑炉协同处置固废技术具有固废消纳潜力大、资源化利用水平高、环保效益好、无邻避效应等优点。最后对固废协同处置领域的未来发展作出了展望,水泥窑协同处置固废是率先实现行业标准、技术规范、法律法规等规定走向成熟的固废协同处置技术,而钢铁冶炼窑炉、电厂燃煤锅炉、水煤浆气化炉协同处置固废技术则更具技术优化空间和发展潜力。

    污泥预处理-厌氧消化体系的能源经济性评价
    阮敏, 孙宇桐, 黄忠良, 李辉, 张轩, 吴希锴, 赵成, 姚世蓉, 张拴保, 张巍, 黄兢
    化工进展. 2022, 41(3):  1503-1516.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1330
    摘要 ( 97 )   HTML ( 3 )   PDF (2559KB) ( 125 )  
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    在污泥的厌氧消化中,降低过程能耗与提高甲烷产量是实现污水处理系统“碳中和”的主要思路之一。热、化学、机械预处理是打破厌氧消化限速水解的有效手段,主要着眼于甲烷增产以形成更多的“碳补偿”。但从热力学角度,预处理是通过消耗电能、热能、化学能使有机物大量溶解,从而获得更多生物质能的过程,其本身作为一种能量输入形式增加了厌氧消化的能耗。以往的研究通常以污泥液相中有机物溶出、固相中有机物去除以及甲烷产量作为厌氧消化性能的评价指标,难以客观评估各类厌氧消化预处理的实际效益。本文从能源转换的角度出发,综述了各类污泥预处理方法的作用机理及对厌氧消化的抑制因子等方面的研究进展,对比了典型的热预处理、碱预处理、超声预处理及其联合处理分别在甲烷产量、净能量和净利润等指标上的研究结果,并在污泥厌氧消化效率评价基础上分析了上述预处理方法在能源和经济层面的可行性,为预处理方法和预处理条件的选择提供多维度依据。

    煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率与固/液渣层分布的影响
    许世森, 王肖肖, 刘刚, 李小宇, 任永强, 谭厚章
    化工进展. 2022, 41(3):  1517-1527.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2053
    摘要 ( 67 )   HTML ( 2 )   PDF (4750KB) ( 132 )  
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    以中国华能集团清洁能源技术研究院(Huaneng Clean Energy Research Institute,HNCERI)两段干粉加压气化炉为研究对象,采用考虑了焦炭颗粒表面气体组分扩散效应的随机孔模型计算焦炭气化反应速率以评估碳转化率。同时,耦合熔渣子模型计算气化炉一段壁面固液渣层分布特性和热损失,研究了煤粉粒径对HNCERI气化炉碳转化率和固液渣层分布特性的影响。结果表明所构建的模型可以准确预测气化炉出口主要气体组分组成、碳转化率和气化炉一段壁面热损失;气化炉一段碳转化率受固有气化速率和停留时间控制,二段主要受颗粒停留时间控制;因此,通过减小煤粉粒径可以减小气体在颗粒表面扩散阻力,有利于提高气化炉一段碳转化率,而适量增加煤粉粒径可以增加煤粉颗粒在气化炉二段的停留时间,有利于提高二段碳转化率。模拟结果显示煤粉颗粒粒径从20μm增加到200μm,一段碳转化率从99.68%降低到了95.06%,二段碳转化率从69.03%增加到了89%。煤粉粒径对气化炉上缩口和直段壁面液态渣层分布影响很小,但显著影响固态渣层厚度的发展。

    鼓泡床中电石渣加速碳酸化分析与响应面优化
    郑鹏, 李蔚玲, 郭亚飞, 孙健, 王瑞林, 赵传文
    化工进展. 2022, 41(3):  1528-1538.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1712
    摘要 ( 82 )   HTML ( 5 )   PDF (5332KB) ( 65 )  
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    搭建了鼓泡床碳酸化反应器,研究常温常压下电石渣直接液相碳酸化矿化封存CO2的能力,揭示了重要操作参数表观气速、液固比和CO2浓度对电石渣矿化封存CO2能力和碳酸化效率的影响规律。同时构建响应面模型,分析各参数对电石渣碳酸化效率的影响强度,优化获得最大碳酸化效率及相应操作工况。结果表明,增加气速有利于钙离子溶解和CO2吸收,但反应器中过高气速易导致气相通道效应,不利于气液充分接触。当液固比降低,溶液中钙离子浓度提高,更有利于碳酸化反应,但液固比过低会影响固液间传质。适当增加CO2浓度有利于提高碳酸化效率,但CO2浓度增至到一定值后,对碳酸化效率影响降低。响应面建模分析发现,各因素对碳酸化效率影响顺序为:液固比>CO2浓度>表观气速。优化结果发现碳酸化效率最高为93.58%,工况为表观气速0.07m/s,液固比为8.26mL/g和CO2体积分数为20.91%。研究可知,鼓泡床中常温常压下电石渣直接液相加速碳酸化反应,具有较大的CO2固定量和高的碳酸化效率,实验结果为电石渣加速矿化封存CO2技术的发展提供了基础数据。

    化学储能新技术
    质子交换膜燃料电池研究进展
    高帷韬, 雷一杰, 张勋, 胡晓波, 宋平平, 赵卿, 王诚, 毛宗强
    化工进展. 2022, 41(3):  1539-1555.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2003
    摘要 ( 233 )   HTML ( 12 )   PDF (3475KB) ( 536 )  
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    质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)因具有效率高、功率密度大、排放产物仅为水、低温启动性好等多方面优点,被公认为下一代车用动力的发展方向之一。然而,目前PEMFC在耐久性和成本方面距离商业化的要求还存在一定差距。为攻克上述两大难题,需要燃料电池全产业链的共同努力和进步。本文回顾了近年来质子交换膜燃料电池从催化剂、膜电极组件、电堆到燃料电池发动机全产业链的研究进展和成果,梳理出单原子催化剂、非贵金属催化剂、特殊形貌催化剂、有序化催化层、高温质子交换膜、膜电极层间界面优化、一体化双极板-扩散层、氢气系统循环等研究热点。文章指出,催化层低铂/非铂化、质子交换膜超薄化、膜电极组件梯度化/有序化、燃料电池运行高温化、自增湿化是未来的发展趋势,迫切需要进一步的创新与突破。

    电解水制氢的耐碱离子膜研究进展
    万磊, 徐子昂, 王培灿, 许琴, 王保国
    化工进展. 2022, 41(3):  1556-1568.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2217
    摘要 ( 147 )   HTML ( 11 )   PDF (8337KB) ( 167 )  
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    碱性离子膜电解水制氢技术具有成本低、环境友好、可使用光伏、风电等波动性电源等优势, 近年来得到广泛关注。作为碱性电解水的核心组件,离子膜对电解槽性能、稳定性及制氢安全起着至关重要的作用。因此,开发具有良好氢氧根传导率、高度耐碱稳定性及优异阻气性的离子膜具有重要意义。本文围绕碱性电解水用离子膜材料开展论述,包含多孔隔膜、溶剂化离子膜和阴离子交换膜三个类别,从氢氧根传导率、耐碱稳定性及电池性能等角度,分析碱性电解水用离子膜的研究进展及所面临的技术难题,从膜结构与膜材料分子设计着手,为研究开发用于碱性电解水的离子膜提供新思路。

    多孔离子传导电池隔膜研究进展
    徐至, 黄康
    化工进展. 2022, 41(3):  1569-1577.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2213
    摘要 ( 138 )   HTML ( 7 )   PDF (5857KB) ( 134 )  
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    具有高离子选择性和高电导率的离子传导膜对于以新能源为主体的新型电力系统(如液流电池、燃料电池、锂电池等)至关重要。近年来,研究者们提出了构建多孔离子传导膜以应对传统隔膜普遍存在的离子选择性和电导率之间的权衡效应。本综述从无机多孔离子传导膜、有机多孔离子传导膜以及多孔离子传导复合膜三个方面简要概述了近年来多孔离子传导膜作为电池隔膜的最新研究进展,总结了多孔离子传导膜在液流电池、燃料电池、锂电池等新能源电池中的前沿性工作,并指出未来多孔离子传导电池隔膜的研究将重点关注多孔膜结构的调控、高性能多孔膜材料的开发以及多孔膜在新型电池中的应用。

    面向柔性超级电容器的功能水凝胶材料的研究进展
    胡庭瑗, 李平凡, 汪伟, 刘壮, 巨晓洁, 谢锐, 褚良银
    化工进展. 2022, 41(3):  1578-1593.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2221
    摘要 ( 84 )   HTML ( 3 )   PDF (11897KB) ( 70 )  
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    功能水凝胶作为一种三维高分子网络结构的软湿材料,具有可灵活调控的功能特性,为设计和构建高性能柔性超级电容器提供了理想的材料。本文综述了近年来面向柔性超级电容器领域的功能水凝胶材料的研究进展,重点分类介绍了面向电化学双层电容器和赝电容器的功能水凝胶材料的设计构建和性能强化。探讨了通过水凝胶电解质及电极材料的组成结构设计和性能调控来提升超级电容器的电化学性能和力学性能的策略。同时,探讨了水凝胶电解质及电极材料的组成结构设计和性能调控在实现其自愈合、高耐寒等多样化功能特性方面的重要作用。最后,对功能水凝胶材料柔性超级电容器在高储能、高柔性、高保水、自愈合、高耐寒、绿色可降解等方面的未来发展进行了展望。

    基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展
    罗明昀, 凌子夜, 方晓明, 张正国
    化工进展. 2022, 41(3):  1594-1607.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2278
    摘要 ( 119 )   HTML ( 4 )   PDF (6946KB) ( 113 )  
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    动力电池的最佳工作温度范围为20~50℃,因此热管理系统是其运行过程中不可分割的一部分。相变储热材料在发生相变时可以吸收或释放大量的热量并且温度基本保持不变,在电池热管理中得到广泛应用。本文综述了国内外基于相变储热技术的电池热管理系统的研究进展,主要介绍了基于相变材料的被动式热管理系统、主动式热管理系统以及主动式和被动相结合的耦合式热管理系统。综合来看,复合相变材料形状稳定性好、热导率高,可以有效地降低电池组的温度,提高电池组的温度均匀性。导电复合相变材料的电热转换特性还可用于低温下快速加热电池,实现加热-冷却一体化。然而在相变材料被动式热管理系统中,相变材料吸收的热量无法及时释放出去,热量的堆积会造成系统失效。将主动散热技术与相变材料耦合得到的耦合式热管理系统具有更好的控温性能、稳定性和安全性。此外,相变乳液以及相变微胶囊浆液具有比热容大、可相变等优点,替代水作为电池热管理系统的冷却介质可以获得更好的温度均匀性和更低的功耗。但相变乳液本身的稳定性差、过冷度大等问题亟需解决。总之,电池在高温和低温下都需要进行有效地温控,相变材料如何解决电池全温度段的热管理还值得进一步研究。

    基于质子交换膜燃料电池的冷热电联产系统研究进展
    张东, 张瑞, 张彬, 安周建, 雷彻
    化工进展. 2022, 41(3):  1608-1621.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1740
    摘要 ( 89 )   HTML ( 4 )   PDF (3967KB) ( 64 )  
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    将质子交换膜燃料电池应用于冷热电联产系统中,可有效提高系统效率,实现冷热电供能的可持续发展。本文介绍了基于质子交换膜燃料电池的冷热电联产系统的数学建模、运行策略、能源管理、多维评价、系统优化理论与应用等方面的研究进展。根据现有研究,从能源禀赋、供需整合与多尺度建模、多能互补供能、系统评价体系、系统集成优化多方面指明未来该系统的研究可从多尺度建模、源网荷储深度融合、完善系统评价体系以及系统优化与实时调控等方面进行,为得到更为全面高效稳定的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统提供新思路。

    集成耦合与优化技术
    “双碳”目标下能源安全定量评价方法
    梁金强, 刘丹竹, 徐庶亮, 叶茂, 刘中民
    化工进展. 2022, 41(3):  1622-1633.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2255
    摘要 ( 149 )   HTML ( 3 )   PDF (739KB) ( 221 )  
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    为应对全球气候变化,中国提出了“2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和”的“双碳”目标。在“双碳”目标下,中国的能源消费结构由传统化石能源为主向可再生能源为主转变,能源结构的转变导致能源安全的内涵发生了改变,能源安全评价方法也将随之发生变化。本文主要总结了各类能源安全的定量评价方法,对比和分析了这些方法的优缺点以及适用范围,详细阐述了基于能源供应安全评价和基于国家或区域能源安全评价方法。在“双碳”目标下,能源安全指标参数与以往化石能源供应安全的评价指标不同,在参数选择上更加关注二氧化碳、二氧化硫、颗粒物的排放等环境指标,以及与之相关的水、粮食等也作为重要的评价指标纳入到能源安全定量评价体系中。在“双碳”目标下,特别是能源结构转型的过渡期,建立合理的能源安全定量评价体系具有重要的现实意义。

    化工新材料产业及其在低碳发展中的作用
    何盛宝, 黄格省
    化工进展. 2022, 41(3):  1634-1644.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2527
    摘要 ( 189 )   HTML ( 11 )   PDF (1573KB) ( 453 )  
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    化工新材料是新材料的重要组成部分,是国民经济建设所需的关键材料,已经成为炼化行业转型升级的重要方向。本文分析了国内外化工新材料的产业发展现状,重点从化工新材料原料供给、新材料生产、产品回收与循环利用全生命周期(LCA)角度,阐述了可再生原料的汇碳作用,典型新材料(包括高端碳材料、汽车轻量化材料、新能源材料、碳捕集材料)生产的固碳作用,以及废弃材料回收和循环利用中的减碳作用。文章对我国新材料产业发展现状和前景进行了思考,认为化工新材料在降低CO2排放、实现碳中和目标进程中作用显著;基于未来我国化工新材料市场需求强劲的总体态势,应该加大技术研发投入,突破重点新材料生产技术瓶颈,加快自主产品产业化进程,满足我国经济发展迫切需求,推动社会经济绿色低碳高质量发展。

    中国制造业碳排放问题分析与减排对策建议
    张凡, 王树众, 李艳辉, 杨健乔, 孙圣瀚
    化工进展. 2022, 41(3):  1645-1653.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1848
    摘要 ( 164 )   HTML ( 8 )   PDF (1109KB) ( 277 )  
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    如何同时实现全面建设社会主义现代化国家和2060年达到碳中和的目标,是制造业未来发展所面对的必答考题。推动高耗能、高排放的制造业转向“绿色制造”是实现碳达峰、碳中和的关键一步。本文从核算方法、宏观指标、行业分布、能源结构对制造业碳排放现状进行总结与分析,进而对制造业的通用型碳减排对策和重点行业的低碳工艺进行介绍,并列举了相关商业应用、阐释了技术发展瓶颈。文中指出:制造业减排通用对策包括源头减量,使用清洁能源,碳捕集、利用与封存,工业互联网;重点行业低碳生产工艺主要有氢气直接还原生产钢铁、二氧化碳加氢制甲醇、生物质制生物油等;钢铁、化工、建材、石化及炼焦、有色金属冶炼作为制造业的重要行业,应当选择适应各自生产过程的减排对策为碳中和目标作出贡献。

    煤制乙二醇关键单元技术与低碳集成工艺的研究进展
    储根云, 范英杰, 张大伟, 高明林, 梅树美, 杨庆春
    化工进展. 2022, 41(3):  1654-1666.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2147
    摘要 ( 104 )   HTML ( 6 )   PDF (3300KB) ( 193 )  
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    我国乙二醇对外依存度居高不下,而富煤少油的资源特性使得我国煤制乙二醇技术具有较好的成本与原料优势,发展迅速。本文综述了国内外煤制乙二醇技术的技术现状和发展趋势,重点介绍了煤气化、草酸二甲酯合成和乙二醇合成与精制等关键单元技术的技术特征、工艺流程和技术进展,并分析了相关单元对整个煤制乙二醇系统技术经济性能的影响。针对现有煤制乙二醇技术存在能耗高、质能效率低和CO2排放大的问题,着重讨论了集成CO2高效利用的煤与富氢资源联供制乙二醇集成工艺的进展,包括耦合焦炉气、页岩气和绿氢等资源的新工艺等。以焦炉气为例,集成不同重整技术的新工艺使得传统工艺的碳效率和?效率分别提升了23.35%~39.17%和4.25%~10.12%,生产成本降低了8.73%~19.88%,内部收益率提高了3.6%~9.6%。因此,集成富氢资源与CO2高效利用的煤制乙二醇创新工艺是该行业向高效-经济-清洁可持续发展的重要方向。

    天然气水合物开采平台能量系统优化
    马小娟, 王彧斐, 冯霄
    化工进展. 2022, 41(3):  1667-1676.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2114
    摘要 ( 90 )   HTML ( 1 )   PDF (2463KB) ( 160 )  
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    随着世界各国对能源需求量的不断增加,急需新型能源来补充常规化石燃料的供给,天然气水合物因其分布广泛、能量密度高等特点或将成为未来主要替代能源之一。CO2置换开采相对于其他方法可以将温室气体CO2封存于海底,环境效益更加明显;其次天然气水合物海上开采平台通常兼具生产和生活为一体,采用经济合理的能量设备运行方案可以有效降低平台运行成本,提高经济效益。如今随着海上风电的不断开发,将海上风力发电引入海上平台的能量系统引起了越来越多的关注。本文以天然气水合物开采平台耦合甲烷重整装置的能量系统为例,以最低年总成本为目标函数建立新的能量系统优化模型,分别模拟无风能接入和有风能接入的分布式能量系统,采用MATLAB建模,利用商业求解器GUROBI进行求解,得到最佳设备运行方案,并对有风能接入的能量系统运行方案进行详细的分析。结果显示接入风能后系统的年总成本降低了21.92%,天然气消耗量降低35.41%。此外,通过灵敏度分析发现风能的最佳占比受天然气价格的影响,基于我国当前的天然气的价格,风能的最佳比例为49.56%,随着天然气价格的增加,风能的占比逐渐增大。

    垃圾焚烧发电耦合电转气制备合成天然气工艺集成与优化
    张玉黎, 叶茂, 肖睿, 葛立超
    化工进展. 2022, 41(3):  1677-1688.  doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2272
    摘要 ( 96 )   HTML ( 6 )   PDF (5541KB) ( 95 )  
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    垃圾焚烧发电耦合电转气技术制备合成天然气工艺可同时实现温室气体减排和大规模储能。由于垃圾发电效率低和甲烷化反应热利用效率不高,此工艺能效偏低。为了提升工艺能效,本文采用Aspen Plus软件对垃圾焚烧发电耦合电转气制备合成天然气过程进行了全流程模拟,基于能量平衡分析,提出了一种利用甲烷化反应热优化垃圾焚烧发电过程的工艺集成方法。针对这个优化过程,设计了一套由一级绝热固定床反应器和一级低温流化床反应器串联组成的甲烷化工艺。借助绝热固定床反应器出口高温气体提升主蒸汽参数、优化蒸汽循环过程,可将发电效率从22.05%提升至31.72%。流化床反应器低温操作有利于提升合成天然气品质,其内置换热管束作为补充蒸发受热面。此外,还考察了垃圾焚烧炉烟气再循环方式对整体工艺的影响,结果表明采用烟气干循环工艺时能效较高。以上结果对于提升工艺经济性和竞争力具有一定指导意义。