2020年4卷1期
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2020, 4(1): 2-13.
doi: 10.1093/ce/zkz031
摘要:
为了抑制全球变暖和缓解气候变化，应加快实现全球经济脱碳，并且力争在21世纪中叶实现“净零排放”。由于全球能源系统的结构不均衡，碳排放企业必须采用一系列脱碳技术并实施全面的减碳策略来快速减少CO2排放量。从工业生产过程中和燃煤电厂这些CO2点源捕集CO2，并将它们封存于地下的CCS技术被视为可解决CO2排放和空气中CO2浓度升高的路径。尽管现在迫切需要实现CCS技术的商业化应用，但是，这些技术的大规模部署一直进展缓慢。然而，一旦开始部署，这些项目就会很快降低脱碳成本、促进技术推广，降低脱碳系统的总成本。长期以来，美国政府支持CCS技术的发展，截至2019年11月，全球一半以上的大型CCS项目都分布于美国。最近，美国出台的新政策和实施的新项目表明，美国又在强力推动新一轮CCS技术的商业化应用。本文应用全球碳捕集与封存研究院（Global CCS Institute）建立的CCS商业化优先政策框架分析了美国最近CCS技术发展动态，评估了美国在引领CCS技术大规模部署并进而实现商业化应用过程中所处的条件。评估的结论是，美国的能源经济、资源条件和创新推动型制造业的政治经济特性使美国在推广CCS技术方面处于非常有利的地位。
为了抑制全球变暖和缓解气候变化，应加快实现全球经济脱碳，并且力争在21世纪中叶实现“净零排放”。由于全球能源系统的结构不均衡，碳排放企业必须采用一系列脱碳技术并实施全面的减碳策略来快速减少CO2排放量。从工业生产过程中和燃煤电厂这些CO2点源捕集CO2，并将它们封存于地下的CCS技术被视为可解决CO2排放和空气中CO2浓度升高的路径。尽管现在迫切需要实现CCS技术的商业化应用，但是，这些技术的大规模部署一直进展缓慢。然而，一旦开始部署，这些项目就会很快降低脱碳成本、促进技术推广，降低脱碳系统的总成本。长期以来，美国政府支持CCS技术的发展，截至2019年11月，全球一半以上的大型CCS项目都分布于美国。最近，美国出台的新政策和实施的新项目表明，美国又在强力推动新一轮CCS技术的商业化应用。本文应用全球碳捕集与封存研究院（Global CCS Institute）建立的CCS商业化优先政策框架分析了美国最近CCS技术发展动态，评估了美国在引领CCS技术大规模部署并进而实现商业化应用过程中所处的条件。评估的结论是，美国的能源经济、资源条件和创新推动型制造业的政治经济特性使美国在推广CCS技术方面处于非常有利的地位。
2020, 4(1): 14-27.
doi: 10.1093/ce/zkz034
摘要:
本项目利用1 MWe的滑流中试装置，在燃煤电厂进行了基于固体吸附剂的燃烧后CO2捕集试验。中试的试验结果将用于开发初步的全规模商业设计。该中试试验的固体吸附剂选用了一种离子交换树脂，其通过共价键将胺连接到基质上。项目开发了一种独特的变温吸附(Temperature Swing Absorption, TSA)工艺，包含了一台三段流化床吸附塔和一台单段流化床再生塔。总体而言，在出现了首次试验在启动和试运行阶段通常会遇到的挑战之后，中试装置均按设计和预期运行，但有几个关键的例外。两个主要的异常与以下因素有关：(1)吸收剂的操作特性，其操作温度与根据实验室规模确定的技术说明中要求的室温操作存在较大的差异；(2)在再生塔和吸收塔传输管道中发生的CO2吸附导致吸附剂在进入吸附塔之前预先吸附了部分CO2。中试的试验结果表明，基于固体吸附剂的燃烧后捕集技术可以捕集燃煤电厂排放的90%的CO2。
本项目利用1 MWe的滑流中试装置，在燃煤电厂进行了基于固体吸附剂的燃烧后CO2捕集试验。中试的试验结果将用于开发初步的全规模商业设计。该中试试验的固体吸附剂选用了一种离子交换树脂，其通过共价键将胺连接到基质上。项目开发了一种独特的变温吸附(Temperature Swing Absorption, TSA)工艺，包含了一台三段流化床吸附塔和一台单段流化床再生塔。总体而言，在出现了首次试验在启动和试运行阶段通常会遇到的挑战之后，中试装置均按设计和预期运行，但有几个关键的例外。两个主要的异常与以下因素有关：(1)吸收剂的操作特性，其操作温度与根据实验室规模确定的技术说明中要求的室温操作存在较大的差异；(2)在再生塔和吸收塔传输管道中发生的CO2吸附导致吸附剂在进入吸附塔之前预先吸附了部分CO2。中试的试验结果表明，基于固体吸附剂的燃烧后捕集技术可以捕集燃煤电厂排放的90%的CO2。
2020, 4(1): 28-51.
doi: 10.1093/ce/zkz033
摘要:
通过液体分布途径运输氢如果获得大规模应用，到2030年左右，加氢成本在美国将接近4.3~8.0 USD/kg，在中国将接近26~52 RMB/kg。从历史上看，氢气作为工业气体和化工原料有着悠久且成功的历史。但是，尽管氢气在能源多样性、安全和环境管理方面有优势，在交通能源载体方面的起步却很慢。氢气应用难以推动的一个关键原因是，氢气目前的成本太高，无法取代以石油为基础的燃料。本文综述了氢气作为交通能源载体的前景，阐明了中国和美国当前的成本动因，并显示了液态氢供应链降低加氢成本的潜力。本文研究了供应链各步骤之间的技术和经济权衡(即生产、运输、加注)，结果表明液氢(LH2)分布方式提供了一种降低氢气运输成本的途径，使氢气能够与汽油和柴油竞争。
通过液体分布途径运输氢如果获得大规模应用，到2030年左右，加氢成本在美国将接近4.3~8.0 USD/kg，在中国将接近26~52 RMB/kg。从历史上看，氢气作为工业气体和化工原料有着悠久且成功的历史。但是，尽管氢气在能源多样性、安全和环境管理方面有优势，在交通能源载体方面的起步却很慢。氢气应用难以推动的一个关键原因是，氢气目前的成本太高，无法取代以石油为基础的燃料。本文综述了氢气作为交通能源载体的前景，阐明了中国和美国当前的成本动因，并显示了液态氢供应链降低加氢成本的潜力。本文研究了供应链各步骤之间的技术和经济权衡(即生产、运输、加注)，结果表明液氢(LH2)分布方式提供了一种降低氢气运输成本的途径，使氢气能够与汽油和柴油竞争。
2020, 4(1): 52-62.
doi: 10.1093/ce/zkz028
摘要:
近年来，人类遭受了多次与温室效应有关的且不可预测的自然灾害。因此，人们不但需要将可持续性准则融入日常生活，也需要改进节能方法。从每年新建的风力发电场数量来看，风能是最具发展前景的可持续能源之一。在评估风能的贡献时，不仅要考虑风力发电对减少CO2排放的贡献，也要考虑与风电设备寿命相关的能源生产链中每一个环节所产生环境影响的总和。为了量化这些环境影响，本研究进行了寿命周期分析（LCA）。事实上，目前对陆上风力发电机组支承塔架寿命周期分析的研究非常有限，这为高端研究提供了最好的机会。本文研究了两类陆上风电高塔架在寿命周期内对环境的影响，即桁架式塔架和管式塔架。尽管两种塔架使用了不同的生产方法、不同数量的原材料和不同的安装方法，但是为了便于比较，本文按照相同的载荷进行塔架结构设计。然后，分别研究了这两种塔架在整个寿命周期内以及在寿命周期各个阶段的环境影响。结果显示，两种塔架在这些方面均存在差异。本文应用开源的寿命周期分析软件计算了这两种不同的风电塔架系统在寿命周期内的环境影响。通过比较风力发电机组支撑系统的不同结构，将结构分析结果与寿命周期分析结果相结合，得到了有价值的结论。
近年来，人类遭受了多次与温室效应有关的且不可预测的自然灾害。因此，人们不但需要将可持续性准则融入日常生活，也需要改进节能方法。从每年新建的风力发电场数量来看，风能是最具发展前景的可持续能源之一。在评估风能的贡献时，不仅要考虑风力发电对减少CO2排放的贡献，也要考虑与风电设备寿命相关的能源生产链中每一个环节所产生环境影响的总和。为了量化这些环境影响，本研究进行了寿命周期分析（LCA）。事实上，目前对陆上风力发电机组支承塔架寿命周期分析的研究非常有限，这为高端研究提供了最好的机会。本文研究了两类陆上风电高塔架在寿命周期内对环境的影响，即桁架式塔架和管式塔架。尽管两种塔架使用了不同的生产方法、不同数量的原材料和不同的安装方法，但是为了便于比较，本文按照相同的载荷进行塔架结构设计。然后，分别研究了这两种塔架在整个寿命周期内以及在寿命周期各个阶段的环境影响。结果显示，两种塔架在这些方面均存在差异。本文应用开源的寿命周期分析软件计算了这两种不同的风电塔架系统在寿命周期内的环境影响。通过比较风力发电机组支撑系统的不同结构，将结构分析结果与寿命周期分析结果相结合，得到了有价值的结论。
2020, 4(1): 63-71.
doi: 10.1093/ce/zkz029
摘要:
开发高效尿素燃料电池对解决日益严重的环境危机和能源短缺具有不可替代的作用。缓慢的6-电子动态阳极氧化反应是尿素燃料电池技术飞速发展的瓶颈。为了应对这一挑战，基于独特的协同作用，本文针对NiCr双金属体系进行研究，其中使用CNTs作为支撑可以保证更好的导电性，使用简单的水热法制备催化剂，可以较低成本，从而进行规模化生产。研究结果表明，不同Ni/Cr比例的NiCrx–Oxide-CNTs复合催化剂在电化学活性表面积和催化电流密度方面都优于由单一金属构成的Ni-hydro-CNTs催化剂。优化的NiCr2-oxide-CNTs催化剂不仅具有最大的电化学活性表面积（ESA，50.7 m2/g）和最高的尿素电催化电流密度（115.6 mA/cm2），还具有出色的长期稳定性。NiCr2-Oxide-CNTs催化剂的优异性能归因于Ni和Cr之间具有较强的电荷转移特性，较大的电化学活性表面积，以及氧缺陷位与亲水性之间的良好平衡。此外，基于独特的催化特性，本文还提出了协同增强的尿素电催化机理。
开发高效尿素燃料电池对解决日益严重的环境危机和能源短缺具有不可替代的作用。缓慢的6-电子动态阳极氧化反应是尿素燃料电池技术飞速发展的瓶颈。为了应对这一挑战，基于独特的协同作用，本文针对NiCr双金属体系进行研究，其中使用CNTs作为支撑可以保证更好的导电性，使用简单的水热法制备催化剂，可以较低成本，从而进行规模化生产。研究结果表明，不同Ni/Cr比例的NiCrx–Oxide-CNTs复合催化剂在电化学活性表面积和催化电流密度方面都优于由单一金属构成的Ni-hydro-CNTs催化剂。优化的NiCr2-oxide-CNTs催化剂不仅具有最大的电化学活性表面积（ESA，50.7 m2/g）和最高的尿素电催化电流密度（115.6 mA/cm2），还具有出色的长期稳定性。NiCr2-Oxide-CNTs催化剂的优异性能归因于Ni和Cr之间具有较强的电荷转移特性，较大的电化学活性表面积，以及氧缺陷位与亲水性之间的良好平衡。此外，基于独特的催化特性，本文还提出了协同增强的尿素电催化机理。
2020, 4(1): 72-78.
doi: 10.1093/ce/zkz016
摘要:
大渡河作为中国水电开发的典型代表，具有水能资源丰富、地质条件差、移民数量较多、环境容量有限等特点，由此造成了大渡河水电开发面临的关键技术问题众多且复杂。根据大渡河水电的特点，系统提出了和谐水电开发理念的涵义和特征，广泛且深入地运用到大渡河水电开发前期论证与研究中，在大渡河水电开发方式论证、正常蓄水位与坝址选择、筑坝技术、移民安置、环境保护等方面取得了良好效果，成功解决了大渡河水电开发面临的关键技术问题，促进了中国和世界水电的发展。
大渡河作为中国水电开发的典型代表，具有水能资源丰富、地质条件差、移民数量较多、环境容量有限等特点，由此造成了大渡河水电开发面临的关键技术问题众多且复杂。根据大渡河水电的特点，系统提出了和谐水电开发理念的涵义和特征，广泛且深入地运用到大渡河水电开发前期论证与研究中，在大渡河水电开发方式论证、正常蓄水位与坝址选择、筑坝技术、移民安置、环境保护等方面取得了良好效果，成功解决了大渡河水电开发面临的关键技术问题，促进了中国和世界水电的发展。
2020, 4(1): 79-88.
doi: 10.1093/ce/zkz032
摘要:
在本研究中，建立了适用于气流床煤气化的计算颗粒流体动力学（CPFD）模拟模型，获得的模拟结果与实验数据相一致。在模拟过程中，通过注入示踪颗粒的方法，获得了关于颗粒行为特性的详细信息和颗粒停留时间的分布特征。模拟结果表明，气化炉内的颗粒分布可以分为3个区域，即快速流动区、回流区和扩散区。本文给出了这一分区的标准。气化反应所导致的气相剧烈膨胀是推动颗粒分区的一个重要原因。气相膨胀加快了气化炉中心颗粒的下行速度，同时又推动了膨胀区边缘的颗粒随气相进入回流区。另外，氧气在气化炉内的集中分布导致了高温区和低温区的形成。快速流动区内的颗粒直接流经高温区，其中大部分颗粒在较短的停留时间内充分反应。相比而言，回流区内的颗粒温度较低，虽然其停留时间更长，但反应并不充分。而扩散区颗粒的行为特性介于上述两个区域之间。
在本研究中，建立了适用于气流床煤气化的计算颗粒流体动力学（CPFD）模拟模型，获得的模拟结果与实验数据相一致。在模拟过程中，通过注入示踪颗粒的方法，获得了关于颗粒行为特性的详细信息和颗粒停留时间的分布特征。模拟结果表明，气化炉内的颗粒分布可以分为3个区域，即快速流动区、回流区和扩散区。本文给出了这一分区的标准。气化反应所导致的气相剧烈膨胀是推动颗粒分区的一个重要原因。气相膨胀加快了气化炉中心颗粒的下行速度，同时又推动了膨胀区边缘的颗粒随气相进入回流区。另外，氧气在气化炉内的集中分布导致了高温区和低温区的形成。快速流动区内的颗粒直接流经高温区，其中大部分颗粒在较短的停留时间内充分反应。相比而言，回流区内的颗粒温度较低，虽然其停留时间更长，但反应并不充分。而扩散区颗粒的行为特性介于上述两个区域之间。
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