发布机构: 山西省科学技术厅 发布日期: 2022-02-09 14:57:40

刘玉涛、李立博、李晋平:浅谈实现“双碳”目标的路径与实践

化石能源的大量开发、利用导致二氧化碳排放日益加剧,由此引发了一系列诸如海平面上升、气候变化、森林火灾等全球性问题,严重威胁到了人类的生存和发展。在此背景下,全球各个国家达成了二氧化碳减排的共识,我国也在2020年9月,提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。在此背景下,各国专家学者提出了多种碳中和路径,基于此,本人结合自己实验室的研发实践和山西的地域能源特色,对能源化工实现碳中和的三条必由之路(加快能源结构转型,发展高效节能技术提高能源效率,捕获和转化二氧化碳(CCUS))进行了总结并为三条路径提供了一些具体展示和分析。

一、能源结构转型是根本

碳排放根源是化石能源的大量开发使用。目前,我国约90%以上的碳排放来源于化石能源的燃烧利用。因此要解决碳排放问题的根本是转变能源发展方式,加快推进清洁替代能源,实现能源结构转型,目前主要集中在以下几方面:

图1 绿色氢能制备与应用(Marc Ledendecker/ Technical University of Darmstadt)

(1)氢能作为能源载体具有零碳、高效、可储能、应用场景丰富、安全可控等优势,是一种非常有应用前景的基础能源,可有效促进我国的能源转型升级。在现有的制氢技术中,煤或天然气制氢具有显著的成本优势,但此类技术依赖化石能源,在使用过程中存在着不可持续性以及污染的问题,极大地限制了此种制氢技术的应用。

目前来看,可以支撑未来巨大氢能需求量且原料来源稳定的制氢方式应为电解水制氢。电解水技术制氢被认为是一种绿色、清洁、可持续的制氢方法。我们将电解水得到的氢气称为“绿氢”,该技术的核心特点是零碳排放且与可再生能源可实现融合发展。此种技术包括析氢和析氧两个半反应,由于反应过程中过电位大、能耗高,因此需要高效催化剂,截至目前贵金属铂和铱钌氧化物被认为是最优的析氢反应和析氧反应催化剂,但其高成本制约了规模化使用。基于此关于电解水制氢技术的研究目前主要集中在两个方向:第一种是寻找合适的方式来分散这些贵金属,减少贵金属的使用量;第二种是制备新的材料(如:过渡金属氧化物,氢氧化物,硫化物,磷化物等)来代替贵金属。

(2)使用低碳的天然气,降低对高碳能源——煤炭的依赖。由于天然气资源供需不平衡,我国天然气对外依存度持续走高,迫使我们必须寻求更多的气源。煤层气(俗称煤矿瓦斯)是赋存于煤层中的非常规天然气,其主要成分为甲烷,是一种高热值的清洁能源和化工原料。我国煤层气与常规天然气储量相当,可作为最现实可靠的补充,但是受到地质因素和开采技术的局限性,造成煤层气浓度偏低,平均利用率一直处于低位,大量的低浓度煤层气直接排放造成了严重的温室效应和能源浪费。通过提升煤层气的浓度可以实现能源的回收再利用,并降低碳排放,对于缓解能源供需矛盾、改善能源结构具有十分重要的现实意义。

图2 PSA技术用于低浓度煤层气富集(杨江峰/ Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 34, 12689-12697)

煤层气浓度提升的关键在于甲烷和氮气的分离。甲烷和氮气均属于非极性气体,部分物化性质十分相近,这就导致甲烷和氮气的无相变分离难度很大。人们基于前期的研究,发现当调节吸附剂的孔道尺寸接近于甲烷的尺寸时候,可以对甲烷具有超强的捕获作用,而对氮气分子的能力较弱,在此基础上,通过离子交换法制得了孔口尺寸接近于甲烷动力学直径的超微孔沸石,从而对甲烷分子具有了很强的捕获能力,实现了甲烷和氮气的分离,进而为解决低浓度煤层气富集中的关键性问题提供了思路。

二、高效节能技术是重要手段

推进各领域高效节能技术的开发,提高能源利用效率,是降低能源消耗、促进碳减排的重要手段。目前,我国单位GDP能耗约为经合组织国家平均水平的3倍,节能空间很大。特别是在钢铁、化工等重点耗能行业,积极推进高效节能技术是碳减排的重要手段之一。

图3 Fe2(O2)(dobdc)吸附剂结构与乙烷吸附位点(李立博/ Science, 2018, 362, 443-446)

在化工生产中,烯烃作为化工行业的基石材料,是全球产量最大的有机化学品,其与相应低碳烷烃的分离能耗占全球总能耗的0.3%。因此,发展高效节能的烯烃/烷烃分离技术,对节能减排具有十分重要的战略意义。基于此人们开发出了新型金属有机骨架材料(MOFs)吸附剂——Fe2(O2)(dobdc),利用氧分子先与Fe-MOF材料中的不饱和空位结合,有效阻挡不饱和金属空位与乙烯间的π键相互作用,显著降低乙烯吸附量。同时,新构建的Fe-O2基团能够与乙烷显示出更强的吸附亲和力,巧妙的实现了“乙烷-乙烯吸附反转”,得到了迄今最高效的乙烷选择吸附剂,并对不同浓度的乙烷/乙烯混合物一步分离得到聚合级乙烯,为烯烃行业节能减排提供了支撑。

三、碳捕集、利用与封存(CCUS)是保障

CCUS是指将已排放的二氧化碳进行分离、捕获、提纯,继而通过催化等手段转化为化学品,循环利用,或注入地下进行驱油等生产过程,抑或直接封存,从而达到碳减排目的。由于清洁能源的开发和推广仍存在巨大挑战,我国能源架构调整需要时间,化石能源短期内依旧是支持我国经济发展的主要能源,因此CCUS是我国能源转型期间,缓解减碳压力的重要途径之一。

图4 CCUS过程(Credit: co2chem.co.uk)

在CCUS过程中,碳捕集是整个过程最关键和成本最大的环节,捕集成本高于200元/吨CO2。因此亟需开发高效低成本的CO2分离技术,以实现二氧化碳的大规模捕集。在诸多分离技术中,变压吸附技术(PSA)和膜分离技术因其高效节能和环保等优势,被认为是最具发展潜力的CO2分离技术。基于以上背景,人们将多孔吸附材料MOFs与膜制备进行结合,制备聚多晶MOFs膜,以期通过MOFs丰富可调的孔道结构实现CO2的高通量,高选择性分离。并通过设计PSA和膜技术的耦合,优化工艺,提高分离效率,降低成本。

我们相信随着能源结构的转型、高效节能技术的发展、二氧化碳捕获和转化技术的完善,我国“碳达峰、碳中和”的目标必将如期实现,从而真正的做到人与自然和谐共生,开创生态文明建设的新局面。

供稿人:刘玉涛,太原理工大学气体能源高效清洁利用山西省重点实验室,讲师
    李立博,太原理工大学气体能源高效清洁利用山西省重点实验室,教授
    李晋平,太原理工大学气体能源高效清洁利用山西省重点实验室,教授


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