本书聚焦于高温化学吸附CO2捕集前沿技术，系统性地呈现了相关最新研究成果。主要内容包括：①高效粉体CO2吸附材料合成，重点阐述了碳酸化/再生反应基础规律，评估了吸附剂脱碳反应活性、稳定性与经济性；②吸附颗粒成型与评价方法，全面梳理了颗粒反应与磨损典型物化特征，提出了改善吸附颗粒性能的技术方法；③吸/脱附反应热力学与动力学，针对性研究了锂基材料CO2吸/脱附热力学平衡与再生动力学特性，揭示了硫酸化作用下钙基材料吸附反应动力学机制；④CO2捕集过程气/固杂质影响机制，全面阐明了碳酸化/硫酸化反应竞争、水蒸气催化加速吸附剂再生、以及煤灰影响吸/脱附过程特性与作用机理；⑤基于高温化学吸附的脱碳体系，围绕脱碳系统流程重构与高值化应用发展了具有脱附反应原位供热特征的钙-铜联合循环、以及CO2捕集/转化一体化技术。 本书可供能源动力、化学工程、环境工程等专业的本科生、研究生，以及从事相关研究、设计、生产的科研人员参考，也可供相关行业管理人员及关心CO2捕集技术发展的人士阅读。

第1章　绪论
　　能源是社会发展的物质基础，能源革命是文明进步的阶梯，能源安全是国家安全的重要基石。从早期的钻木取火到煤的发现、石油的开发，水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等的相继兴起，能源深刻地影响着人类文明发展的进程。
　　能源战略是国家发展战略的重要支柱，是综合国力的重要体现。我国自2014年起明确把能源革命作为能源安全新战略的根本任务，先后印发了《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《能源生产和消费革命战略（2016—2030年）》《能源体制革命行动计划》等纲领性文件，提出了建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系，实现能源生产和消费方式根本性转变的总体战略目标。
　　1.1　能源消费与CO2排放状况
　　1.1.1　能源消费结构
　　1.全球能源消费结构
　　2020年发布的《中石油经研院能源数据统计》表明，2019年，全球一次能源消费138.2×108t，同比增长1.9%，其中石油消费占比32.3%，增速约1.8%；天然气消费占比24.8%，增速约3.4%；煤炭消费占比27.7%，增速约0.9%；核能和可再生等非化石能源消费占比相对较低，约15.1%，但增速近1.9%。按能源需求增长排名，2019年排名前三的国家为中国、美国和印度，在全球能源消费增量中分别占比40%、20.3%和18.1%，能源消费增量占全球增量的78.4%。2019年全球主要能源消费国的能源消费结构如图1.1所示，中国和印度作为发展中国家，煤炭消费占比较高，分别达到57.9%和57.5%；美国和日本能源消费结构较为合理，呈现多元化发展趋势；俄罗斯作为天然气储量大国，天然气在能源消费结构中明显占据主导。按各类能源消费增速进行分析，2019年的天然气消费增速>石油消费增速>煤炭消费增速，分别为3.8%、1.9%、0.9%，2010～2019年平均增速分别为3.2%、1.0%、1.1%，可见煤炭消费量已接近峰值。另一方面，非化石能源消费量自2011年后持续上涨，2019年增速为2.0%，2010～2019年平均增速均为3.4%。
　　2.中国能源消费结构
　　2019年我国能源消费总量稳定增长，在“双碳”目标的影响下，一次能源消费结构中煤炭占比持续下滑至57.9%，连续两年降至60%以下；天然气与非化石能源占比达到23.1%，其中天然气占比首次突破8%。如图1.2和表1.1所示，2010年中国的能源消费占比从高到低分别为：煤炭69.2%、石油17.4%、非化石能源9.4%、天然气4.0%；2019年中国的能源消费占比从高到低分别为：煤炭57.9%、石油19.0%、非化石能源14.9%、天然气8.2%。可见，我国天然气和非化石能源消费占比呈现持续快速增长的趋势，消费结构逐渐向绿色低碳形式转变，同时，我国的石油消费稳步增长，煤炭消费占比大幅下滑。但是，我国原油对外依存度较高，非化石能源在国家政策的刺激下，与天然气共同分担煤炭占比的下降量。随着中国能源消费结构的逐渐转型，天然气和非化石等绿色能源占比逐步提升，直接导致中国碳排放量增速大幅降低，2015～2019年碳排放平均增速为0.4%，2010～2019年平均增速为2.5%。
　　1.1.2　CO2排放分析
　　CO2（carbon dioxide）在常温常压下是一种无色无味、其水溶液略有酸味的气体，在空气组成中占比约为0.04%，也是*为重要的一种温室气体。CO2在自然界中含量丰富，其产生途径主要有以下几种：有机物（包括动植物）的分解、发酵、腐烂、变质过程，石油、煤炭、天然气、石蜡的燃烧以及生产过程中均会释放出CO2。
　　1.全球CO2排放状况
　　伴随着经济与社会的发展，全球CO2排放量也在逐年增加，2018年全球CO2排放量较2017年增加了6.17×109t，约为340.5×109t。CO2的持续大量排放是全球变暖的主要原因，将明显导致大量自然性灾难的发生，例如大规模海啸、地壳动荡等，且爆发次数愈发频繁。全球新冠肺炎疫情暴发以来，大部分国家采取停工、停产、居家隔离等措施导致CO2排放量在短期内有所降低。2020年全球CO2排放量约为400.0×109t，按地区CO2排放量从高到低分别为：亚太地区>北美地区>欧洲>中东地区>独联体>非洲>中南美地区，分别为16752.9×106t、5307.1×106t、3592.9×106t、2025.3×106t、1981.0×106t、1195.0×106t、1129.5×106t，如图1.3所示。
　　分国家来看，2020年中国CO2排放量为9893.5×106t，全球排名第一；美国CO2排放量为4432.2×106t，全球排名第二；印度CO2排放量为2298.2×106t，全球排名第三。不同国家的CO2排放占比如图1.3所示，2020年中国、美国、印度、俄罗斯、日本、伊朗、德国、韩国、沙特阿拉伯和印度尼西亚十个国家CO2排放量总和占全球CO2总排放量的68.86%。按照国家CO2排放量占全球CO2总排放量的比例从高到低分别为：中国>美国>印度>俄罗斯>日本>伊朗>德国>韩国>沙特阿拉伯>印度尼西亚，分别占比30.93%、13.86%、7.19%、4.48%、3.21%、2.03%、1.89%、1.81%、1.77%、1.69%。
　　2.中国CO2排放状况
　　自2005年起，我国CO2排放总量位居世界第一，2018年CO2排放量达到96.63×109 t，排放量是美国的2倍、俄罗斯的9.2倍。但是，中国CO2排放存在人均排放偏低、单位经济排放强度大、能源排放占比高等特点，具体如下：①人均CO2排放相对较低。2018年中国CO2排放量为6.94t/人，远低于科威特21.62t/人、加拿大16.45t/人、美国14.54t/人。②单位GDP的CO2排放偏高。2018年中国单位GDP的CO2排放量为695.47t/百万美元，不仅高于发达国家单位GDP的CO2排放量，也高于世界各国单位GDP的CO2排放平均水平。③能源排放占比较高。2019年中国能源活动CO2排放量约占全社会CO2排放量的87%。从能源品种看，燃煤发电和供热排放占能源活动CO2排放比重的44%，煤炭终端燃烧排放占比为35%，石油排放占比为15%，天然气排放占比为6%。从能源活动领域看，能源生产与转换、工业、交通运输、建筑领域的CO2排放占能源活动CO2排放的比重分别为47%、36%、9%、8%，其中工业领域的钢铁、建材和化工三大高耗能产业占比分别达到17%、8%和6%。
　　分行业来看，火力发电业和工业是中国CO2排放的重要领域。2018年，中国火力发电业CO2排放量为31.98×109t，其中97.24%是通过煤炭燃烧产生；工业CO2排放量为25.10×109 t，其中煤炭和焦炭燃烧产生的CO2量占92.13%。可见，这两个行业对煤炭、焦炭能源依赖度过高。交通运输、仓储和邮政业的CO2排放也不容忽视，2018年该领域CO2排放量为7.67×109t，主要源于大量使用汽油、煤油和柴油等能源。
　　1.2　CCUS技术与应用
　　CO2的减排策略主要包括来源控制与末端控制两种。来源控制主要通过新能源开发以及节约用能进行实现。新能源开发主要是通过太阳能、核能、水能、风能、潮汐能等一系列清洁能源的利用来减少CO2排放。而节约用能是指通过能源的高效利用及转化实现CO2减排目的，属于成本较低的CO2减排策略。但是，我国仅通过新能源开发和节约用能实现的CO2减排无法满足未来的需求，其减排潜力将在2030年前后被发掘完毕。因此，CO2的末端控制，特别是碳捕集、利用与封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技术将成为我国CO2减排的重要途径。
　　1.2.1　CCUS技术概述
　　碳捕集、利用与封存（CCUS）技术作为潜力巨大的CO2减排技术是我国CO2末端控制的*佳选择。目前，CCUS技术已经受到全世界的广泛关注，并逐渐投入到商业化应用中。CCUS技术主要通过将CO2从化石燃料利用过程中分离提纯，之后投入生产过程实现再利用或地质封存，而非将其直接排放至大气中，进而实现CO2的近零排放。碳捕集是整个CCUS技术流程中成本*高的环节，开发高效且经济的CO2捕集技术是实现CCUS技术的关键。
　　1.CO2捕集
　　按照实现CO2捕集的位置进行分类，CO2捕集技术主要分为燃烧前CO2捕集、富氧燃烧CO2捕集和燃烧后CO2捕集三种。燃烧前CO2捕集技术是在碳基燃料燃烧前，先将化学能从燃料中进行转移，之后将碳与携带能量的其他物质进行分离，进而实现燃料燃烧利用前的CO2捕集。其中，整体煤气化联合循环（integrated gasification combined cycle，IGCC）发电是*典型的燃烧前CO2捕集系统。IGCC通过煤气化与燃气-蒸汽联合循环相结合，由化石燃料气化转化成合成气（主要包括CO和H2），之后利用水煤气变换反应提高CO2浓度，分离CO2后得到的富氢燃料用于燃烧发电，而分离后的CO2压缩后进行后续的封存或利用。该技术的优势在于系统中的CO2压力和浓度较高[3]，易于分离且CO2捕集效率较高。而缺点在于该技术过程较为复杂，包含空气分离、煤气化及燃气-蒸汽联合循环，导致设备成本较高，不适于现有燃煤电厂的改造[4-6]。
　　富氧燃烧CO2捕集是在纯氧或者富氧（高于空气中氧气浓度）气氛下进行燃料燃烧直接获得高浓度CO2尾气的技术。利用O2/CO2混合气体实现助燃被认为是一种*为常见且高效的富氧燃烧方式。这项技术将部分燃料燃烧后的尾气与空气分离得到的氧气进行混合，其中部分尾气在整个过程中循环使用，之后将混合气用作化石燃料燃烧时的氧化剂，进而在燃烧尾气中直接生成高浓度CO2，从而大幅降低CO2分离过程的能耗及成本。整体而言，富氧燃烧技术由于对O2的需求量大，也就意味着O2的来源和制备过程是该技术的关键环节，从而较大程度地限制了其潜在应用[7]。
　　燃烧后CO2捕集是指在化石燃料燃烧后将CO2从尾部烟气中进行分离。通常情况下，由于烟气中的CO2分压较低，普遍小于15kPa，因而需要处理的气体量较大。燃烧后CO2捕集技术根据分离原理的不同主要分为以下几种方式：①低温冷凝法，即基于烟气中不同气体的沸点差异，利用混合气体中的CO2与其他气体组分冷凝顺序不同的特点，通过低温冷凝将CO2进行分离。②吸收法，主要分为化学吸收法和物理吸收法。化学吸收法利用碱性较强的水溶液与CO2进行反应生成碳酸盐类化合物，从而实现CO2捕集，并通过温度的改变进行逆反应以达到CO2分离的目的。另一方面，物理吸收法基于不同条件下溶剂对CO2的溶解度不同，从而实现CO2的吸收及分离。该方法受亨利定律影响，适宜在CO2分压较高的系统中进行CO2捕集。③吸附法，即基于吸附剂在不同条件下对尾部烟道烟气中CO2的选择性吸附实现。吸附法分为变温吸附（temperature swing adsorption，TSA）、变压吸附（pressure swing adsorption，PSA）和变温变压吸附，即在低温或高压下吸附，再利用升温或降压的方式实现CO2从吸附剂中分离。④膜分离法，即通过具有特定孔道结构的薄膜材料对CO2的选择性渗透，实现CO2从尾部烟气中分离的技术。
　　2.CO2利用
　　CO2利用是指基于化学或生物技术将CO2转化为其他产品的过程。CO2利用的技术路线众多，能够与现有的能源、化工、生物等工艺过程实现深度耦合，产品往往具有较高的价值，因此兼具一定的经济与环境效益[8]。国外近年来有很多新兴的CO2利用方法，如荷兰和日本均有较大规模的将工业产生的CO2送到园林作为温室气体来强化植物生长

目录
第1章　绪论　1
1.1　能源消费与CO2排放状况　1
1.1.1　能源消费结构　1
1.1.2　CO2排放分析　3
1.2　CCUS技术与应用　4
1.2.1　CCUS技术概述　5
1.2.2　CCUS项目概况　6
1.3　CO2高温吸附技术基础　8
1.3.1　CO2高温吸附技术概述　8
1.3.2　钙基CO2吸附技术　14
1.3.3　锂基CO2吸附技术　18
1.4　本章小结　21
参考文献　22
第2章　高效粉体CO2吸附材料合成研究　28
2.1　不同前驱体合成钙基CO2吸附材料研究　28
2.1.1　吸附剂制备与性能测试　29
2.1.2　铝酸钙水泥中钙组分作用分析　30
2.1.3　合成吸附剂性能分析　31
2.1.4　CO2吸脱附循环稳定性　34
2.2　多元金属氧化物制备钙基CO2吸附剂　35
2.2.1　溶胶-凝胶合成与基础表征　36
2.2.2　合成材料的CO2吸脱附特性　39
2.2.3　苛刻条件下循环吸脱附分析　40
2.2.4　吸附剂微观结构演变分析　41
2.2.5　合成材料CO2吸附性能对比　43
2.3　废旧锂离子电池制备低成本Li4SiO4吸附剂　44
2.3.1　LIBs热解与吸附剂合成　45
2.3.2　锂前驱体与吸附剂性质　46
2.3.3　Li4SiO4材料CO2吸脱附性能　47
2.3.4　CO2吸脱附稳定性分析　50
2.3.5　锂吸附剂性能比较与经济性分析　51
2.4　本章小结　52
参考文献　53
第3章　耐磨损吸附颗粒成型方法与性能评价　57
3.1　有机钙前驱体制备钙基CO2吸附颗粒　57
3.1.1　原材料和吸附颗粒制备方法　58
3.1.2　颗粒吸脱附与磨损特性测试　58
3.1.3　吸附颗粒形貌与孔结构分析　59
3.1.4　吸附颗粒CO2吸脱附循环特性　61
3.1.5　颗粒磨损特性分析　65
3.1.6　吸附颗粒综合性能评估　66
3.2　黏结剂辅助钙基CO2吸附颗粒成型研究　67
3.2.1　黏结剂与造孔剂热解特性　67
3.2.2　吸附颗粒物相与孔结构分析　68
3.2.3　黏结剂影响吸附颗粒基础特性　70
3.2.4　磷酸镁添加量的影响特性　73
3.2.5　预煅烧温度的影响规律　75
3.2.6　造孔剂和黏结剂的作用机制　77
3.3　正硅酸锂基吸附颗粒成型与性能研究　78
3.3.1　粉体正硅酸锂CO2吸附性能　78
3.3.2　成型颗粒的CO2吸脱附性能　80
3.3.3　吸附颗粒孔结构与形貌特征　81
3.3.4　吸附颗粒机械性能评价　84
3.3.5　锂基吸附颗粒性能对比分析　85
3.4　本章小结　87
参考文献　88
第4章　CO2吸/脱附反应热力学与动力学　92
4.1　正硅酸锂吸/脱附CO2热力学平衡边界　92
4.1.1　吸附剂制备与性能测试　92
4.1.2　热力学计算方法　93
4.1.3　锂基吸附剂物相特征分析　93
4.1.4　各因素影响下吸脱附平衡特性　94
4.1.5　热力学分析与平衡关联式　100
4.2　锂基吸附剂脱附再生动力学特性研究　102
4.2.1　吸附剂制备与基础特性　103
4.2.2　脱附基础特征及动力学方程　105
4.2.3　本征反应的幂律模型拟合　107
4.3　硫酸化作用下的碳酸化反应动力学研究　109
4.3.1　硫酸化影响CO2吸/脱附循环特性　109
4.3.2　吸附剂的基础理化性质　111
4.3.3　新鲜吸附剂碳酸化反应动力学　112
4.3.4　循环材料的碳酸化反应动力学　114
4.4　本章小结　117
参考文献　118
第5章　CO2捕集过程杂质影响与作用机制　121
5.1　吸附过程碳酸化/硫酸化竞争反应数值模拟　121
5.1.1　单颗粒耦合模型构建方法　121
5.1.2　吸附剂参数测定与模型验证　126
5.1.3　并行碳酸化/硫酸化颗粒基础行为　127
5.1.4　反应工况影响碳酸化/硫酸化特性　129
5.1.5　颗粒参数影响碳酸化/硫酸化特性　131
5.2　水蒸气加速吸附剂分解再生特性与机理　133
5.2.1　实验系统与测试过程　134
5.2.2　水蒸气浓度的影响特性分析　135
5.2.3　水蒸气加速碳酸钙分解的量化计算　137
5.2.4　水蒸气在CaCO3(1 0 -1 4)表面吸附位点　138
5.2.5　水蒸气在CaCO3(1 0 -1 4)表面反应过程　140
5.3　煤灰影响CO2吸/脱附特性与作用机制　145
5.3.1　烟气夹带煤灰影响吸/脱附特性　145
5.3.2　富氧燃烧煤灰影响吸/脱附特性分析　149
5.3.3　吸附剂孔结构分析　153
5.3.4　吸附剂形貌演变及煤灰元素迁移　154
5.3.5　煤灰与吸附剂的相互作用机制　156
5.4　本章小结　158
参考文献　160
第6章　基于高温化学吸附的脱碳体系研究　162
6.1　Ca-Cu联合化学合循环再生过程反应动力学匹配　162
6.1.1　Ca-Cu联合化学循环研究概述　162
6.1.2　反应动力学测试方法　165
6.1.3　CaCO3分解反应动力学　166
6.1.4　CuO与CH4还原反应动力学　168
6.1.5　煅烧反应器数学模型构建　170
6.1.6　煅烧反应器内反应过程分析　171
6.2　Ca-Cu联合化学循环组分均布式颗粒煅烧行为模拟　174
6.2.1　单颗粒模型建立与实验验证　174
6.2.2　CuO/CaCO3颗粒内部参数分布　178
6.2.3　反应器运行工况影响特性　180
6.2.4　颗粒参数的影响特性分析　182
6.3　基于Li4SiO4的CO2捕集/CH4干重整一体化　185
6.3.1　吸附剂与催化剂制备方法　186
6.3.2　耦合CO2捕集/转化过程测试　187
6.3.3　吸附剂与催化剂基础物化特征　187
6.3.4　耦合CO2捕集/转化反应特性　189
6.3.5　耦合CO2捕集/转化循环稳定性　190
6.4　本章小结　192
参考文献　193