【创新前沿】《能源与环境科学》封面报道我校石油化工过程“碳中和”的最新研究成果

稿件来源:化学学院   |作者:胡军   |摄影:胡军   |编辑:   |浏览量:76

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碳捕集和高效利用(COcapture and utilization, CCU)是解决全球变暖危机的一种有效方案。其中,工业绿色低碳制造是我国“十四五”“碳中和”的一项艰巨任务。石油化工工业高温制造过程,例如乙烯裂解,每生产1吨乙烯燃烧天然气所产生的二氧化碳高达1-2吨。我国乙烯全球产能高达1.7亿吨,将产生大量CO2温室气体。为实现“中国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”的目标,石化工业过程绿色低碳制造已刻不容缓。如果将捕集的碳作为资源,产生具有附加值的产品,将为企业完成“碳中和”指标的同时实现利润回报,具有重要的发展前景。

针对上述挑战,化学与分子工程学院胡军教授联合英国谢菲尔德大学王美宏教授在钱锋院士团队和刘洪来教授团队支持下,通过合成具有吸附/催化双功能的复合材料,将钙循环(Calcium-looping,CaL)和逆水煤气变换反应(RWGS)相结合,实现了在同一反应塔相同温度下,对工业裂解烟气进行CO2高温捕集和原位转化。该集成技术具有优异的高温CO2捕集性能,材料的CO2吸附容量高达9.0 mol/kg,成功地解决了CaL过程CaO易烧结的工程瓶颈问题,获得长效循环操作稳定性;首次提出了“氧化还原异质结(Heterojunction-Redox)”的双金属催化策略,使CO2原位转化率接近90%,产品气中CO选择性接近100%,避免了后续分离的工程复杂性。

该集成技术充分利用高温烟道气热值,几乎不需要额外的反应能量输入,并大幅度降低了常规CO2捕集降温、反应升温的巨大能耗。同时,碳捕集和转化在同一塔中即可实现,与传统CO2捕集与转化分别单独运行的工艺相比,节约了大量公用、辅助设备的大规模投资,以及气体分离、压缩、输运、管网的初期建设和运行的费用,操作成本大幅度下降,约为最新文献报道的CaL捕集和RWGS转化单独操作成本之和的1/3,并且该技术所产生的合成气,为后续生产高附加值产品例如甲醇和乙烯等提供了原料气。因此,高效、节能、低成本的CaL/RWGS集成工艺技术为加快推进绿色石油化工制造提供了创新发展的基础。

该项研究工作由博士研究生邵斌等完成,得到了资源与环境学院汪华林教授、信息科学与工程学院杜文莉教授,化工学院李涛教授、周兴贵教授、徐晶教授,以及中科院过程工程研究所张香平研究员悉心指导和大力帮助,同时得到了国家自然科学基金委、上海市科技创新计划等项目的资金支持。研究成果“Heterojunction-redox catalysts of FexCoyMg10CaO for high-temperature CO2 capture and in situ conversion in the context of green manufacturing”以封面论文发表于最新一期能源与环境国际顶级期刊Energy  Environmental Science (IF=30.29),并申请了2项专利(CN112569896 A;CN112569739 A)。

发布时间:2021-04-26
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