面向低碳未来的化学链清洁能源技术 | Engineering
面向低碳未来的化学链清洁能源技术 | Engineering
原创 程卓 等 Engineering
2024年12月25日 10:08 北京
自工业革命以来，全球碳排放量（主要来自化石燃料的使用）急剧上升，导致全球温度升高，并对地球生态系统产生负面影响。虽然流感频发导致经济的低迷可能暂时减少了排放量，但全球大气中二氧化碳（CO2）的平均水平在2021年仍创下历史新高。为了应对CO2水平的不断上升，到2050年实现碳中和是全世界的当务之急。因此，迫切需要开发清洁能源技术，能够在不产生CO2排放的情况下使用化石燃料产生电力、热能或化学品。
美国俄亥俄州立大学程卓、Anuj Joshi等研究人员在中国工程院院刊《Engineering》2023年10月刊发表了题为《面向低碳未来的化学链清洁能源技术》的观点述评文章，指出化学链技术是一种新兴的清洁能源生产技术，可用最小的能耗捕获CO2。它包括在两个反应器之间循环使用基于金属氧化物的循环载体，为燃料转化提供晶格氧。文章讨论了化学链技术的最新进展，重点讨论了利用CO2作为化石燃料的替代品生产高附加值化学品的潜力。预计这些新进展将推动创新循环载体的进一步发展，并加速化学链技术的大规模应用，以实现可持续能源的未来。
文章指出，化学链的研究取得了一系列进展，促进其融入低碳能源基础设施。这些进展包括通过化学链燃烧（CLC）或氧载体辅助燃烧（OCAC）实现生物质和其他固体废物等燃料完全燃烧的工艺。此外，生物质（一种碳中性燃料）的CLC使其具有成为碳负能源的潜力，因为其在不使用任何酸性气体去除装置的情况下，即可获得可封存的CO2气流作为产品。CLC还可用于储能，因为载体的氧化会产生热量，借助可再生能源可延迟这一氧化过程，直到需要热量。除燃烧外，化学链因其众多的优点正被开发用于烷烃脱氢、氨合成、硫化氢（H2S）分解等。
值得注意的是，能够实现净负CO2排放的化学链技术正接近工业化应用。CLC、OCAC和化学链部分氧化（CLPO）的若干次中试和中试规模工厂示范展示了这些技术的可行性。此外，部分学者正在进行的研究工作致力于进一步提高这些工厂系统的性能，特别侧重于开发持久的氧载体。最近的进展包括成功开发了铝（Al）支撑的铁（Fe）基循环载体，可承受3000多次氧化还原循环，以及镧-锶-铁-铝（La-Sr-Fe-Al）基载体，可承受约4050次氧化还原循环。这些重大进展进一步表明化学链的经济可行性。文章表明，经济上可行的循环载体与高效节能的氧化还原反应器系统相结合，并通过中试规模运行验证，将使化学链技术在不久的将来达到商业化应用的成熟度，实现清洁能源生产和CO2利用的低碳未来。
文章信息：Zhuo Cheng, Anuj Joshi, Liang-Shih Fa. Chemical Looping Clean Energy Technology Toward a Low-Carbon Future [J]. Engineering, 2023, 29(10): 42-44.