工程熱物理所化工動力多聯產與溫室氣體減排研究獲進展

原標題：工程熱物理所化工動力多聯產與溫室氣體減排研究獲進展

　　中國科學院工程熱物理研究所分布式供能研究團隊在煤基化工-動力多聯產節能機理、關鍵技術研發及系統集成與優化等方面開展了相關工作，進展如下：

　　一、機理研究層面

　　採用分析方法，研究了多聯產系統的損失分布規律，發現並揭示了化工合成過程損失在高化工轉化率時的「能耗拐點現象」。

　　針對聯產系統CO2捕集，從燃料轉化過程中吉布斯自由能轉化利用思路出發，探索了燃料轉化過程中吉布斯自由能損失規律與CO2的富集機制，闡明了吉布斯自由能利用和CO2分離能耗之間的耦合關係，進而揭示聯產系統CO2捕集能耗最小化機理。研究機理表明，通過燃料的適度轉化，可避免燃料轉化過程中過高的吉布斯自由能損失，實現燃料轉化反應的吉布斯自由能利用並富集CO2，能夠達到能源系統化學能梯級利用和降低CO2分離功的雙重目的，實現二者的有機耦合。

　　二、關鍵技術研發

　　開展三項關鍵技術研發：關鍵化工合成過程的催化劑及工藝研發、低能耗CO2分離技術、新型煤氣化技術。

　　針對多聯產系統中涉及到的合成反應，開發了用於甲烷化的鎳基催化劑。甲烷化反應的溫度區間為350～700℃，該催化劑在此溫度區間內能夠保持良好的催化活性、熱穩定性及機械強度等。

　　開發了利用碳酸鉀溶液結晶法脫除CO2的工藝。對於傳統的碳酸鉀溶液吸收工藝，由於富液中含有大量水分（一般約60%～70%），溶液再生時需要消耗大量的熱量用以水分蒸發，導致CO2再生能耗高。而碳酸鉀溶液結晶法吸收工藝利用碳酸鉀的結晶特性，將碳酸鉀富液結晶濃縮後再送入再生塔，大幅降低了再生塔由於水分蒸發而帶來的熱量浪費，該工藝可使CO2再生能耗低到傳統工藝的40%～60%。

　　另外，還開展了「煤炭碳氫組分分級氣化」新型煤氣化技術的研發與實驗驗證。該技術已經完成了部分煤種測試及反應條件測試。目前，正在搭建小規模的實驗裝置，有望在數月內完成小規模調試。　　

　　三、系統集成與創新

　　通過流程創新，提出了化工未反應氣適度循環型、無調整適度循環型，以及回收CO2的多個聯產系統。研究表明，相對於帶CO2捕集的IGCC 和化工單產系統，回收CO2 的聯產系統具有良好的節能效果，在設計條件下系統相對節能率可達14%～21%。通過化工未反應氣適度循環，回收CO2 的聯產系統能夠避免化工合成單元能耗隨轉化率急劇上升的現象（「拐點現象」），同時實現CO2的富集，存在最佳化工循環倍率，使得聯產系統熱力性能最佳。聯產系統相對於IGCC和SNG分產系統的吉布斯自由能收益可抵消CO2的分離功，實現負能耗代價捕集CO2。

　　目前相關工作已獲得多項授權專利，研究成果已在Environmental Science and Technology, Applied Energy, ASME Transactions等多個國內外期刊上發表。