虚拟专题||碳中和路径（一）
文摘
科学
2024-10-22 10:30
浙江
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为应对全球气候变化，中国承诺“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”。碳中和路径设计既要逐步增加可再生能源的比重，并对化石能源的使用进行有效替代，也要持续提高化石能源的碳效率，其关键在于技术创新，应强化碳减排技术创新的投入，在能源、工业、交通等关键领域进行技术攻关。这包括提高能效、发展可再生能源、绿色氢能以及碳捕获、利用与封存（CCUS）技术等。《能源环境保护》编辑部整理了2023年已发表的22篇关于碳中和路径的论文形成虚拟专题“碳中和路径（一）（二）”，以期为相关研究人员提供参考。扫描下方二维码获取“碳中和路径（一）”虚拟专题全文：![]()
工业废水处理行业是我国现代化进程中不可或缺的一部分，在工业化发展历程中扮演着重要的角色，但是传统的废水处理工艺会消耗大量的资源能源，并产生温室气体，对人类和生态系统造成了严重的威胁。在当前双碳背景下，迫切需要寻求一种低碳、绿色的工业废水处理理论和技术，以进一步满足我国工业废水的绿色、低碳化处理。微藻固碳耦合工业废水处理被认为是一种绿色环保、可持续发展的低碳技术，将其应用于工业废水和燃煤烟气的处理，能够有效固定、净化污水和烟气中的碳、氮、磷等污染物质，减少碳排放，还可以获得有价值的生物质资源，为废水处理带来显著的环境效益与经济效益。因此，对微藻处理工业废水的主要作用机制、燃煤烟气的减排机理和微藻固碳的强化措施进行了系统探讨，旨在对传统污水处理工艺进行低碳化重塑，促进污水处理行业革新升级，引领污水处理向低碳化方向发展。
张亚雷, 郝泽伟, 由晓刚, 姚广磊, 贾炎, 杨黎彬, 陈家斌, 周雪飞. 微藻固碳耦合工业废水处理技术研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(1): 50-57. DOI:10.20078/j.eep.20221201.ZHANG Yalei, HAO Zewei, YOU Xiaogang, YAO Guanglei, JIA Yan, YANG Libin, CHEN Jiabin, ZHOU Xuefei. Research progress of microalgae carbon sequestration coupled with industrial wastewater treatment technology[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(1): 50-57. DOI:10.20078/j.eep.20221201.
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全国碳市场目前采用行业基准法进行碳配额分配，没有充分考虑其内部巨大的地区差异性，同时促进可再生能源、林业碳汇等方面发展的灵活性也不足。笔者对碳交易的起源、发展和全国碳市场中区域平衡与灵活性等问题进行了讨论。在碳交易、区域协同、生态补偿等理论和方法的指导下，提出基于项目的跨区域合作交易灵活机制，即：在现有的行业基准法进行配额分配的基础上，根据生产者(地)与消费者(地)责任共担的原则，适当考虑地区差异等因素进行再分配；对于交易主体跨区域投资碳减排和碳抵消项目所产生的减排量，允许被用于抵充其碳排放配额的清缴。通过分析，指出该机制能够帮助东部地区和中西部地区达到共赢的目的。笔者还提出了构建基于项目的跨区域合作碳交易机制所需要开展的主要工作建议，包括机制构建的理论与方法的探索、机制的设计、以及试点先行方案的制定等。
廖振良，沈一帆，姚强. 基于项目的跨区域合作碳交易灵活机制[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 98-105. DOI:10.20078/j.eep.20221202.LIAO Zhenliang, SHEN Yifan, YAO Qiang. Project-based carbon trading: A flexible mechanism to promote trans-regional cooperation[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 98-105. DOI:10.20078/j.eep.20221202.
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生活垃圾的清洁处理关乎环境保护、循环经济发展和民生福祉。现有的生活垃圾处理技术主要包括：填埋、焚烧、热解、气化、水热、(好氧)堆肥、(厌氧)消化/发酵等。我国生活垃圾清运量以及社会对清洁能源的需求与日俱增，生活垃圾的环境污染属性与能量迁移转化高度相关，因此生活垃圾能源化技术的发展与应用备受关注。在双碳目标下，生活垃圾能源化技术应倡导绿色、环保、低碳。既要实现生活垃圾的高效利用，又要加快降低碳排放步伐，引导创新绿色技术。本文简述了生活垃圾能源化技术分类及特征，以及主要技术的研究与应用进展，并对能源化技术的低碳环保化发展机遇与挑战进行了分析，最后展望了垃圾分类、人工智能技术、绿氢技术对生活垃圾能源化处理与绿色低碳化发展的重要作用。本文从能源转化与减污降碳的角度展开分析，为生活垃圾能源化处理技术的发展提供指导。
陈冠益, 陈欣, 颜蓓蓓, 李健, 陶俊宇, 孙昱楠, 周生权. 面向低碳环保的生活垃圾能源化技术进展与应用[J]. 能源环境保护, 2023, 37(1): 74-82. DOI:10.20078/j.eep.20230109.
CHEN Guanyi, CHEN Xin, YAN Beibei, LI Jian, TAO Junyu, SUN Yunan, ZHOU Shengquan. Low-carbon and environmental-friendly municipal solid waste treatment technologies for energy utilization: A review[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(1): 74-82. DOI:10.20078/j.eep.20230109.
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钢铁企业的低碳转型，对我国钢铁企业高能效低碳发展、实现我国“双碳”目标起着至关重要的作用。本文分析了我国钢铁企业在能源方面的利用现状和余热资源的主要分布情况以及余热资源的主要利用方式。在能源消耗方面，虽然中国重点钢铁企业吨钢综合能耗在逐年下降，但是由于大部分钢铁企业节能技术较为传统，导致近年来吨钢能耗下降幅度逐渐减小，已经呈现出几乎不变的趋势，在节能技术方面进行创新改革已势在必行。同时，各个钢铁企业技术发展水平不一，导致吨钢能耗最小值与最大值之间相差巨大。在钢铁企业余热资源利用方面，情况依旧不容乐观，虽然炼钢、热轧工序中余热资源利用程度在40%～50%之间，但是焦化、烧结、炼铁工序中余热资源利用程度不足20%,尤其在炼铁工序中，余热资源利用程度仅仅达到10%左右。因此，进行余热回收技术的创新，对钢铁企业降低能耗，提高余热资源利用程度至关重要。最后，本文讨论了新能源(例如生物质能、绿电等)对传统能源的替代作用，使用新能源有助于降低钢铁企业的能耗，从而早日达成“双碳”目标。
邢奕, 耿孟达, 叶凯航, 苏福永, 李存旺, 夏德宏, 岳涛, 苏伟. 钢铁企业高能效低碳发展分析[J]. 能源环境保护, 2023, 37(1): 102-114. DOI:10.20078/j.eep.20230117.XING Yi, GENG Mengda, YE Kaihang, SU Fuyong, LI Cunwang, XIA Dehong, YUE Tao, SU Wei. Analysis on the development of high energy efficiency and low carbon in iron and steel enterprises[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(1): 102-114. DOI:10.20078/j.eep.20230117.
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甲烷（CH4）是一种重要的温室气体，其引发温室效应的能力是等量CO2的25倍。船用天然气发动机排气中存在低浓度（0.05%～0.50%）CH4泄露。CH4化学结构稳定，起燃温度高，低浓度CH4难以被捕集利用，催化氧化是去除尾气中低浓度CH4的主要方式。贵金属钯（Pd）是完全氧化低浓度CH4性能良好的催化材料。针对Pd基催化剂低温活性、可靠性以及研发成本等问题，本文介绍了目前Pd基催化剂主要研究进展。首先明晰了催化剂的Pd粒径和价态分布、Pd分散状态、载体种类以及强金属-载体间相互作用（SMSI）等对甲烷氧化活性的影响规律；其次，总结了目前公认的Pd基催化剂表面甲烷氧化机理和反应路径；之后，详细阐述了Pd基催化剂运行过程中高温烧结、水中毒及硫中毒等多种失活机制；最后，总结了当前低浓度甲烷完全氧化面临的主要挑战以及未来甲烷氧化催化剂的发展方向，并简要提出了Pd基催化剂的性能改善策略。
赵旭腾, 侯进, 王一男, 桂煜, 张毅然, 李珂, 陈婷, 林赫. 钯基催化剂氧化低浓度甲烷的研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 106-116. DOI:10.20078/j.eep.20230122.ZHAO Xuteng, HOU Jin, WANG Yinan, GUI Yu, ZHANG Yiran, LI Ke, CHEN Ting, LIN He. Research progress of palladium-based catalysts for oxidation of low concentration methane[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 106-116. DOI:10.20078/j.eep.20230122.
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对增温贡献最大的“非二”温室气体——甲烷（CH4）排放的准确核算，是制定减排政策与检验减排效果的基础。针对“自下而上”方法对煤矿CH4排放量化的不足，本研究系统考虑山西省晋城市某一示范煤矿区的地形、气象条件和基础设施分布，基于搭载了高精度温室气体分析仪的走航监测平台，结合移动式与下风向静止式两种监测方法，利用AERMOD大气扩散模型反演煤矿CH4排放强度，并获得重点排放源的CH4排放因子。结果表明，非生产状态下，单个风井排放速率为763kg/h,比正常工况下的企业排放数据低了15.9%;在不考虑无组织排放的情况下，整个园区的CH4排放因子为15.09m3/t,比“自下而上”清单低了13.8%,说明矿区工况对CH4排放起到较大影响。煤矿园区的主要排放点源为1个风井与2个抽放泵站排气口，而无组织排放源为6个原煤仓；三者的排放因子呈现出递减变化，分别为8.60m3/t（43%）、6.49m3/t（33%）和4.87m3/t（24%）。传统的“自下而上”方法由于缺少对无组织排放源的考虑，即便在非生产状态下，也会造成整个矿区甲烷排放近24%的低估，而基于走航监测的甲烷核算方法能够弥补这一缺失。
高澜, 毛慧琴, 鲁玺. 基于走航监测的煤矿甲烷排放量化[J]. 能源环境保护, 2023, 37(1): 178-183. DOI:10.20078/j.eep.20230204.GAO Lan, MAO Huiqin, LU Xi. Coal mine methane emissions quantification based on vehicle-based monitoring[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(1): 178-183. DOI:10.20078/j.eep.20230204.
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在碳中和的目标下，CO2甲烷化技术不仅可以解决CO2排放带来的环境问题，还可以生产CH4以缓解能源短缺等问题。CO2甲烷化反应目前面临的主要问题之一是反应的强放热效应容易形成热点，导致催化剂活性组分烧结失活，影响催化剂的使用寿命。因此，近年来研究者们在开发高效稳定的CO2甲烷化催化剂的同时，也开始关注催化剂在反应过程中活性组分因高温导致烧结失活的解决方案。而金属基整体式催化剂由于拥有良好的传热性能和机械强度，在CO2甲烷化领域引起了越来越多的关注。本文将从不同种类金属基整体式催化剂的制备方法、不同种类的金属基底的特点以及其在CO2甲烷化反应方面的应用、金属基整体式催化剂的传热优势三个方面进行综述，系统地阐述了金属基整体式催化剂的研究现状，并对其发展前景进行了展望，以期为金属基整体式CO2甲烷化催化剂的研发及工业化应用提供技术借鉴。
申芮旭, 汪紫菱, 张天雨, 王强. 金属基整体式二氧化碳甲烷化催化剂研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(1): 115-129. DOI:10.20078/j.eep.20230207.SHEN Ruixu, WANG Ziling, ZHANG Tianyu, WANG Qiang. Recent progress in metal-substrate supported monolithic catalysts for CO2 methanation[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(1): 115-129. DOI:10.20078/j.eep.20230207.
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甲烷是天然气的主要成分，广泛应用于电厂、天然气车和各种化学品合成等领域。但由于其具有强温室效应，使用过程中的甲烷泄露和排放会对环境造成重大影响。甲烷直接燃烧净化所需的反应温度高，常伴随高温副产物NOx等，对环境危害较大。催化燃烧是一种更为高效清洁的处理技术，而该技术的核心是高效稳定的催化剂。文章综述了近年来国内外用于甲烷燃烧的贵金属和非贵金属催化剂研究进展。两类催化剂各有特点，其中贵金属催化剂低温活性优异，载体选择丰富，但是成本较高和易发生高温团聚成为制约其工业应用的重要原因。非贵金属催化剂成本低，热稳定性优异，但起燃温度较高，仅适用于高温工况。工业尾气中常含有大量水蒸气和微量SO2,为了满足长期稳定的工业应用需求，无论贵金属还是非贵金属催化剂，其抗中毒能力仍需改进提升。此外，文章总结了贵金属和非贵金属催化剂活性物种、反应机理研究进展，以及工业化应用的可行性，并展望了该领域未来可能的发展方向。
蔡洁莹, 李杰, 张燕, 单文坡. 甲烷燃烧催化剂研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 62-72. DOI:10.20078/j.eep.20230211.CAI Jieying, LI Jie, ZHANG Yan, SHAN Wenpo. Research progress on methane combustion catalysts[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 62-72. DOI:10.20078/j.eep.20230211.
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为了缓解日益严重的全球变暖问题，实现碳中和目标，CO2的捕集利用与封存（CCUS）技术作为其中一个重要突破方向而受到广泛关注。高性能的吸附分离技术是实现CCUS技术的关键。对于目前排放量最大同时也是最难处理的低浓度CO2（例如空气中的CO2直接捕获）,综合考虑捕集能耗、成本等因素，固相变压吸附捕集相比化学吸收、膜分离等技术更具优势，其中适宜的固相吸附材料选择十分重要。本文综述了现阶段几种主要的CO2固体多孔吸附材料，包括碳材料、金属有机框架（MOFs）、分子筛、胺改性固体多孔材料、聚离子液体等，阐述其在CO2捕集过程中的相关研究进展和现阶段存在的问题，并对碳捕集后续工业应用进行简单介绍，最后指出目前低浓度CO2捕集技术面临的吸附剂再生及扩散问题，并对捕集后的CO2转化再利用过程进行前景展望。
潘鹏云, 赵博, 熊峰, 李浙飞, 崔国凯, 柯权力, 卢晗锋. 多孔固相吸附材料捕集低浓度CO2研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 50-63. DOI:10.20078/j.eep.20230406.PAN Pengyun, ZHAO Bo, XIONG Feng, LI Zhefei, CUI Guokai, KE Quanli, LU Hanfeng. Research progress on low-concentration CO2 capture by porous solid-phase adsorption materials[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 50-63. DOI:10.20078/j.eep.20230406.
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太阳能热催化还原技术是二氧化碳资源化的重要技术路线，不同催化剂可实现CO2向CO、CH4、HCOOH、MeOH和合成气的转化。转化过程中光激发热电子及处于一定热环境中的热力系统的状态同时受到光热转化效率、材料选择性以及系统结构和工作参数的影响，直接决定了系统的转化效率。本文分析了热驱动二氧化碳催化转化相关的科学技术问题、挑战和需求，系统总结了二氧化碳热化学转化过程的反应热力学和动力学机制，以及新型反应器研发方面的重大进展。指出了考虑入射能量光谱特性与光热催化剂匹配能够实现低能量输入条件下的高转化率和高选择性，通过二氧化碳加氢生产C1+和C2+燃料能够有效扩大太阳能光热耦合利用规模并使之与化学工业接轨，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。
帅永, 马丹妮, 颜天天, 张烁, GUENE LOUGOU Bachirou, 张昊, 王伟. 太阳能热催化二氧化碳转化机理研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 13-24. DOI:10.20078/j.eep.20230507.SHUAI Yong, MA Danni, YAN Tiantian, ZHANG Shuo, GUENE LOUGOU Bachirou, ZHANG Hao, WANG Wei. Solar thermal catalytic CO2 conversion fundamental mechanisms: A review[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 13-24. DOI:10.20078/j.eep.20230507.
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随着热化学技术及相关反应机制认知的不断进步，二氧化碳回收转化为高附加值燃料或其他化工产品的清洁能源技术正逐步走向成熟。同时，因社会工业进步及人类生产活动急剧增加了大气中的二氧化碳浓度，且已远超地球正常发展的浓度阈值，这使得基于二氧化碳转化的零碳高效可再生清洁能源技术成为世界各国为应对全球能源与环境问题亟待实现的关键技术。鉴于二氧化碳热催化转化的基本原理、关键材料和反应系统的相关研究对于推动该技术的工业化进程有着至关重要的作用，本文报道了二氧化碳热催化转化机制相关的最新进展，重点阐述了对热催化过程具有辅助作用的活性气体（包括H2O、CH4和H2）在实现高水平二氧化碳回收转换与高效合成气生产方面的催化机制，其核心体现在优化的反应动力学与温和条件下的热力学优势。
马丹妮, 颜天天, 张烁, GUENE LOUGOU Bachirou, 张昊, 潘如明, 帅永. CH4/H2O/H2辅助热催化CO2转化机制[J]. 能源环境保护, 2023, 37(6): 23-35. DOI:10.20078/j.eep.20230706.MA Danni , YAN Tiantian, ZHANC Shuo, GUENE LOUGOU Bachirou, ZHANG Hao, PAN Ruming, SHUAI Yong. CH4/H2O/H2-assisted thermocatalytic CO2 conversion mechanisms: A review[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(6): 23-35. DOI:10.20078/j.eep.20230706.
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
