黄土塬地区CO2驱油封存泄漏地下水监测体系研究

针对鄂尔多斯黄土塬地区CO₂驱油封存项目的监测需求,在综合辨识黄土塬地区地下水潜在的CO₂泄漏特征,剖析CO₂泄漏进入地下含水层后的空间运移及时间响应特征的基础上,结合CO₂驱油封存过程,建立了1套面向黄土塬地区CO₂驱油封存CO₂泄漏的全时空立体化地下水监测体系。研究表明:受地形地貌及土壤特点影响,黄土塬地区驱油封存的CO₂具有盖层突破、井筒侧漏、降雨反渗和地表径流补给的多源泄漏特征;CO₂泄漏进入地下含水层后具有纵向快速运移扩散、横向四周缓慢扩散并随地下水向下游运移的空间运移特征和CO₂浓度、电导率等指标上升,pH值下降以及Ca2+、Mg2+离子浓度先上升后下降的时间响应特征。基于上述特征所建立的监测体系可为该区域CO₂驱油封存示范项目的监测提供参考。     

微流控在二氧化碳捕集、利用与封存的研究

二氧化碳(CO₂)捕集、利用与封存(CCUS)是解决全球变暖问题的关键技术。CCUS通过捕集与封存减少大气中的CO₂含量，并利用CO₂代替化石原料的使用进一步减少CO₂的净排放。CCUS技术的实施基于微尺度下CO₂物理和化学过程的综合研究。微流控技术可以在微米甚至纳米尺度操控流体并揭示流体运动规律，在CO₂捕集、利用与封存等各个环节中均发挥了重要的作用。本文概述了微流控技术的优势，包括精确的流体操控、大比表面积和增强的传热传质能力。系统介绍了与CCUS相关的微流控研究，包括CO₂捕集吸收剂的快速筛选、配方优化和材料制备，CO₂高效转化利用的电催化反应、光催化反应、催化剂制备和光合作用检测，CO₂地质封存的流体分析和地质建模等。最后，总结了微流控技术在CCUS中所扮演的重要角色，提出了微流控技术在CCUS领域的机遇和挑战。     

CCUS对中国粗钢生产的碳减排潜力评估

在评估2019年277个涉及粗钢生产的钢铁企业和17.6亿tCO₂排放量的基础上,采用针对钢铁行业的全流程CCUS系统评价模型（ITEAM-CCUS模型）研究了粗钢生产结合碳捕集利用与封存技术（CCUS）的CO₂减排潜力.评估设置了8种情景,初步回答了钢铁行业的粗钢生产通过规模化CCUS的减排规模、成本范围、封存场地、优先企业分布等关键问题.结果显示：粗钢企业开展全流程CCUS项目可以实现大规模的CO₂减排.在早期示范机会情景,企业全流程CO₂强化深部咸水开采（CO₂-EWR）和CO₂提高石油采收率技术（CO₂-EOR）结合项目增加67~467元/t粗钢的单位成本（60%捕集率的平准化成本低于300元/t）可以年累计减排8.7亿t规模CO₂,约占总捕集量的88%;单独EWR项目年累计驱替深部咸水10.5亿t.具有CCUS改造潜力的粗钢企业主要分布于渤海湾盆地、准噶尔盆地、江汉盆地与鄂尔多斯盆地.     

CCUS技术CO2泄漏模拟及生态风险评价

碳捕获、利用和封存(CCUS)是实现大规模碳中和最具潜力的解决方案,然而对其泄漏引发的生态风险的量化研究相对较少,导致风险管理决策效率低下。该研究耦合物种敏感度分布法(SSD)和计算流体动力学(CFD)开发了CCUS封存CO₂泄漏的生态风险评估法。采用SSD对陆地生态系统中典型物种的毒性数据进行拟合并计算其基准值,采用CFD对不同场景下的受体暴露浓度开展模拟预测,采用商值法计算生态风险指数,通过Google Earth实现可视化表征,并提出合理化建议。研究表明,在SSD模型中,急、慢性效应数据最优拟合模型分别为Weibull CDF和SGompertz,生态毒性基准浓度值HC₅分别为3.25%与0.98%。在模拟的极限泄漏场景中,黄土峁梁地区CCUS示范区生态风险面积受季节风向与风速的影响较大,任何气象条件下均存在一定范围的生态风险分布,高等级生态风险范围最小为160 m,实施精准的监测并开展生态风险补偿是必要的。该研究可为CCUS大规模应用潜在的CO₂泄漏风险预测及应急管理提供理论支撑。     

海洋中二氧化碳的循环及其与大气中二氧化碳的关系

本文在调研了大批文献资料的基础上,比较系统全面地介绍了海洋中碳的来源、分布和循环机理,揭示了海洋贮库中碳的行为和迁移转化过程,并着重讨论了海洋表层水中CO₂分压的变化,海洋与大气之间CO₂的交换以及海洋对大气中CO₂的吸收作用,以便使读者对海洋中碳分布、循环和海洋在温室效应中的作用有一个较为清楚的认识。      

中国钢铁行业二氧化碳排放达峰路径研究

钢铁行业是我国重要的CO₂排放源. 作为典型的资源能源密集型产业,钢铁行业加快绿色低碳转型、尽早实现碳达峰并有效降碳,既是行业自身高质量发展的内在需要,也是支撑落实国家碳达峰、碳中和目标的客观要求. 本文综合考虑经济社会发展、资源能源利用、工艺结构调整、低碳技术应用等因素影响,开展了基于情景分析的钢铁行业CO₂排放达峰路径研究,对不同情景下钢铁行业CO₂的排放趋势进行测算,识别钢铁行业CO₂减排的主要驱动因素,判断推动钢铁行业碳排放达峰的关键举措,为制定“双碳”目标背景下钢铁行业CO₂排放控制策略提供参考. 测算结果表明,我国钢铁行业CO₂总排放量有望在2020—2024年期间达到峰值;行业CO₂总排放量峰值为18.1×108~18.5×108 t,达峰后到2030年降幅将超过3×108 t. 研究显示,粗钢产量是决定我国钢铁行业碳排放能否快速达峰的关键,加大废钢资源利用、推进外购电力清洁化以及提高系统能效水平是2030年前钢铁行业实现碳排放达峰并有效降碳的重要途径. 到2030年,粗钢产量降低、加大废钢资源利用、推进外购电力清洁化、提高系统能效水平以及氢能炼钢和二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)等前沿技术对钢铁行业CO₂减排的贡献率分别为11%~52%、34%~52%、7%~20%、5%~13%和2%~3%.      

粉煤灰用于碳捕集、利用及封存的研究进展

总结了国内外粉煤灰用于CO₂捕集、利用和封存的不同技术研究进展,同时对今后的研究和机遇进行了展望.粉煤灰自身可通过直接干式、半干式、湿式和间接方法对CO₂进行矿化捕集封存,在CO₂矿化的同时降低粉煤灰自身重金属的浸出,并且矿化后的粉煤灰因有效降低游离CaO和MgO的含量而更适合于制作混凝土添加剂.粉煤灰也可制成活性炭、沸石和多孔二氧化硅等产品,并对CO₂进行物理吸附捕集,制成产品的类型主要取决于粉煤灰自身的成分组成和理化性质.在CO₂利用方面,粉煤灰除了可拓展建材的利用途径外,还可制作CO₂多种化学工艺所需催化剂或催化剂载体,以及制作新型材料拟薄水铝石等.我国“双碳”目标的提出及燃煤电厂粉煤灰自身的理化特性为粉煤灰提供了一条新的综合利用途径.     

生态系统固碳特征及其研究进展

生态系统固碳是人类应对气候变化以及全球系统变化过程的研究热点。论文结合生态系统固碳和碳汇概念,探讨生态系统自然固碳、人为工程固碳措施对生态系统功能的影响并分析生态系统固碳特征及风险。研究得出如下结论:陆地生态系统对CO₂的自然吸收与封存是相对安全有效的固碳措施,对人类与生态系统健康的影响要小于地质层与海洋层固碳。海洋生态系统固碳容易导致海水酸化以及生态系统不可逆的损害;由于地壳运动很难预测,所以地质层固碳可能面临不可预知的风险。因此,利用生态系统自然固碳能力、发展绿色固碳技术是降低人为工程固碳生态风险和减少CO₂排放到大气中的最佳选择。     

深部储层中CO2沿断层泄漏量的影响因素

CGS（CO₂地质储存）是CO₂减排的重要手段之一,天然裂隙的存在则是CGS的潜在风险.CO₂地质储存过程中储层上覆盖层及其浅部含水层是防止CO₂泄漏的天然屏障,为了探究深部咸水层中CO₂沿断层的泄漏过程并获得断层渗透率及储层中超临界CO₂流体初始条件（初始饱和度、初始泄漏压力）对CO₂沿断层泄漏速率和泄漏量的影响程度,依据鄂尔多斯CO₂灌注工程示范区资料,使用多相、多组分溶质运移数值模拟软件TOUGH2建立了2D概念模型.结果表明,深部咸水层中的CO₂在压力差和浓度差的作用下沿断层发生泄漏,到达浅部含水层后开始发生侧向运移,100 a内运移了约200 m的水平距离;由于浮力的作用,CO₂集中在含水层顶板处,有效地防止了CO₂向外泄漏.影响因素分析表明,100 a内断层渗透性能为低渗、中渗和高渗条件时,CO₂累积泄漏量分别为0、1 050和3 000 t;CO₂初始饱和度分别为0.20、0.50和0.99时,CO₂累积泄漏量分别为550、1 050和1 650 t;初始泄漏压力分别为17.3、17.6和18.1 MPa时,CO₂累积泄漏量则分别为900、1 050和1 400 t.除此之外,断层渗透性、CO₂初始气体饱和度和初始泄漏压力对CO₂泄漏的影响还体现在泄漏发生时间和平均泄漏速率上.研究显示,各因素对CO₂沿断层泄漏过程的影响程度表现为断层渗透性能> CO₂初始饱和度> CO₂初始泄漏压力.      

沸石分子筛催化材料在二氧化碳转化中的应用

开发高效的CO₂化学转化和利用技术是推动碳捕集利用(CCU)技术快速发展的关键，对我国实现双碳战略目标具有重要意义。沸石分子筛是一种具有规整微孔结构、高结晶度以及高水热稳定性的无机材料，在CO₂化学转化领域有着广泛的应用前景。本文介绍了当前沸石分子筛催化材料在CO₂转化领域的应用研究进展，重点介绍了沸石催化剂在CO₂-CH₄干重整、CO₂加氢以及等离子体驱动CO₂转化方面的最新研究进展。理性设计并可控构筑高性能沸石分子筛催化材料以最大限度地提高CO₂转化效率和产物收率，是未来该领域的研究重点。尽管沸石分子筛催化材料在CO₂转化领域表现出良好的应用前景，但仍有很多方面值得深入开展研究：1)在CO₂直接加氢制C⁺₂碳氢化合物(如芳烃)体系中，沸石分子筛的催化性质有着非常关键的作用，如何有效合成并调控沸石的酸性位点，是提高目标产物选...     

碳中和下水泥行业低碳发展技术路径及预测研究

为探究水泥行业的碳中和实现路径,从我国的国情出发,结合水泥行业生产特点,对水泥行业未来低碳发展进行了预测. 结果表明:①在碳中和背景下,水泥行业仍会存在约2×108~3×108 t的CO₂排放,产能减量是主要的CO₂减排手段,结合现阶段我国较低的水泥集约化程度和较短的熟料生产线服役年限,产能减量政策的推荐和实施应在合理的规划和政策下推进,低碳技术的发展仍是实现碳中和的关键. ②通过能效提升节能技术可实现CO₂减排约1.19×108 t/a. ③未来在替代原燃料来源、种类及替代率得到全面提升的情况下,原燃料替代技术可基本实现行业10%的CO₂减排量. ④目前,低碳水泥每年产量不足水泥总产量的5%,未来仍需通过产品技术创新,提高其生产及使用占比. ⑤CCUS (CO₂捕集、利用与封存)技术是水泥行业实现碳中和的必要路径,混凝土固碳、钙循环等在水泥行业具有典型行业优势的技术可与生产工艺紧密结合,成为未来水泥行业CCUS技术的重要发力点. 研究显示:结合水泥行业CO₂减排预测及技术路径分析,短期内我国水泥行业降碳主要思路为控制源头排放,包括流程智能化、余热利用、原燃料替代和产业结构调整等路径,实现碳达峰及CO₂减排;中期随着生产线服役年限临近及低碳水泥制备技术的发展,支撑行业碳的大幅削减;后期通过CCUS、富氧燃烧、可再生能源利用等技术来实现水泥行业碳中和的目标.      

南通沿海潮间带土-气界面CO2交换特征

选择南通协兴港附近裸露潮滩,使用便携式土壤通量测量系统开展潮间带湿地CO₂通量监测,研究无植被覆盖条件下潮间带碳通量特征及其影响因素的关系.实验结果表明,各潮滩CO₂固定水平表现为高潮带 < 中潮带 < 低潮带.低潮带叶绿素a含量较高,对CO₂的吸收能力较强,而高潮带有机碳含量高,微生物呼吸作用释放的CO₂通量较高,研究区整体上表现为对CO₂净吸收.此外,CO₂净固定通量随土壤有机碳含量和落潮时间增加而下降,与土壤叶绿素a含量和地下水位关系密切.研究成果对于明确人类活动对江苏沿海潮间带裸露光滩碳循环的影响具有重要意义.     

高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪

与世界经济快速增长相伴的碳排放量增加导致了全球气候变暖加剧,已引起国际社会高度关注,减排的呼声高涨。卫星遥感具有宏观、快速、定量、准确等特点,是碳监测最可行、最有效的技术支撑手段之一。为解决现有低轨大气CO₂遥感探测中存在的时间分辨率低的问题,提出了一种地球静止轨道大气CO₂柱浓度探测的时空联合调制空间外差干涉成像光谱技术。基于该技术研制了高轨高时空分辨大气二氧化碳监测仪原理样机,具有O₂-A 0.76μm、CO₂弱吸收1.57μm和CO₂强吸收2.05μm 3个探测通道,空间分辨率优于3 km@36000 km,可实现CO₂探测精度优于2×10^-6,覆盖中国区域时间分辨率优于3.5 h的探测能力。基于原理样机开展了外场试验以及航飞试验,有效反演了不同目标区域的CO₂浓度信息,验证了高轨高时空分辨大气CO₂监测仪的技术可行性,为下一代碳监测载荷研制和数据应用提供技术基础。     

云南省优势矿产尾矿砂捕集及矿化封存CO2潜力分析

为了解云南省尾矿库“两个清单”中保留库的碳减排潜力,使用改进的Steinour方程计算了云南省各州市不同类型尾矿砂的CO₂固定量,根据《IPCC国家温室气体列表指南》中提供的方法计算了云南省2011~2020年碳排放量.结果表明,红河州、玉溪市、昆明市尾矿砂的捕集及矿化封存CO₂的潜力较大,占云南省保留库尾矿砂CO₂矿化封存量的65.79%;铅锌矿、赤泥、锡矿的理论固碳量较高,分别为0.201, 0.173, 0.158t/t,以上3种尾矿砂的固碳量占云南省尾矿砂固碳量的79.45%;若将云南省保留库堆存的尾矿砂全部用于CO₂的矿化封存,可减少2011~2020年间云南省累积碳排放量的2.81%,工业碳累积排放量的3.16%,采矿业碳排放量的12.36%,具有较好的工业应用前景.     

钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析

基于固定单一原料气量导向、固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向3种不同的碳捕集情景,结合不同捕集技术CO₂捕集率与CO₂产品纯度的变化,分析了CO₂捕集对于高炉煤气热值提升的间接经济效益的影响。结果表明:当CO₂捕集率和CO₂产品纯度均一定时,基于固定单一原料气量导向较基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益更高;当CO₂捕集率一定时,随着CO₂产品纯度降低,基于固定单一原料气量导向情景与基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益均更高;当CO₂产品纯度一定时,随着CO₂捕集率降低,基于固定单一原料气量导向情景捕集单位质量CO₂的热值提升效益越高,而基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO₂提升的热值效益降低。     

基于压差的二氧化碳垂直采样分析技术

本研究开发了一套基于直接采样技术的二氧化碳（CO₂）垂直廓线采样分析系统,分析近地面至25km高空CO₂浓度的垂直分布.系统通过压差实现垂直方向连续采样,利用CRDS高精度分析技术对不同高度样品进行定量分析,计算得到采样区域CO₂浓度廓线.于2018年6月13~14日,在内蒙古锡林浩特国家气候观象台利用平流层探空气球平台进行了观测实验.实验室测试显示,CO₂分析准确度优于0.06×10^-6,精度优于0.08×10^-6.外场实验获得区域近地面至25km高空CO₂浓度的高分辨率垂直廓线,显示CO₂在不同高度的分层结构.考虑不同高度样品扩散作用,系统垂直分辨率在10km高度以下优于580m,在10~20km高度优于3.3km.研究表明：分析系统可搭载在合适探空平台上进行CO₂垂直观测,获取浓度廓线,可为传输模式提供数据,并为碳卫星遥感数据提供实测数据校验.     

一维全球碳循环模式研究

开发了一个陆地生物圈、海洋水圈和大气圈三圈耦合的全球碳循环模式,包括土地利用变化和化石燃料两大人为源的影响,并考虑稳定同位素分馏效应.调试结果表明,该模式能够再现工业革命以来大气CO₂的变化历史,能正确反映海洋内部的碳循环过程和全球碳循环中的同位素分馏效应,结果较为理想.进一步分析发现,传统模式可能低估了海洋的碳吸收能力,高估了CO₂施肥作用对碳循环的影响.      

全球二氧化碳的分布和循环——全球“温室效应"探讨之一

本文根据大量的研究资料和成果,系统阐述了自然界碳和二氧化碳的起源、变迁、分布和循环过程,揭示了自然界二氧化碳分布和循环的基本规律,弄清了CO₂和它的各个自然貯库之间的关系,并对大气圈中CO₂的源、汇和通量进行了探讨。文章还论述了人类活动对大气中CO₂的冲击和扰动,指出人类活动所排放的CO₂是大气中 CO₂浓度增加的主要原因,而人为破坏地球的植物生存系统也是促使大气中 CO₂浓度增加的原因之一;大气中 CO₂的增加将严重影响全球的气候和环境,给人类带来难以预料的灾难。      

葡萄树基活性炭的制备及其CO2吸附特性

为探讨葡萄树基活性炭在碳捕集与封存领域中的潜力,分别以葡萄树枝和树皮为原料采用CO₂活化法在800℃下制备了葡萄树枝基活性炭和葡萄树皮基活性炭,根据N₂物理吸附法计算了比表面积,用二维非定域密度函数理论（2D-NLDFT）分析了孔径分布特性,并使用热重分析法表征了两种活性炭的热解特性以及30℃的CO₂吸附特性.结果表明:①葡萄树枝基活性炭具有微孔结构,微孔孔径在0.36~1.6 nm之间,孔径为0.66 nm的微孔最多;葡萄树皮基活性炭具有大量微孔和少量中孔,孔径主要集中在0.36~1.9 nm之间.②葡萄树枝基和葡萄树皮基活性炭的CO₂吸附容量分别为1.096和0.247 mmol/g.③两种活性炭的CO₂吸附以物理吸附为主,其CO₂饱和产物在45℃前释放全部CO₂,葡萄树枝基活性炭的CO₂饱和产物较葡萄树皮基活性炭的CO₂饱和产物难于释放CO₂.④两种活性炭吸附CO₂后,在热重特性上出现的微量变化表明活性炭物质结构上的变化.研究显示,葡萄树枝基活性炭是一种良好的CO₂捕集材料,但其CO₂吸附容量比其他同类活性炭低,CO₂吸附量较高的葡萄树基活性炭的制备条件和改性方法需要进一步研究.      

光生物反应器内CO2传输与微藻固碳性能强化

CO₂气体可为微藻光合作用提供必需的碳源,CO₂在藻液中的混合、溶解及传输特性显著影响了微藻的生长固碳.在微藻光生物反应器中,气泡在藻液中的生长、脱离、聚并、上升等动力学行为主要由气体分布器决定.本文以气体分布器为研究对象,研究在不同孔径及孔间距下对15%（V/V）CO₂气体在悬浮液中的气泡行为、CO₂溶解与混合特性以及对微藻生长固碳的影响.结果表明：气泡上升速度随气体分布器孔径及孔间距的减小而减小,导致CO₂气泡在藻液中停留时间增加,强化了CO₂溶解传输,CO₂体积传质系数提高了143%,混合时间降低了24%,最终使微藻生物质浓度提高18.8%,固碳速率提高23.2%.