工程熱物理所鈣循環能量存儲與轉化研究獲進展

　　【儀表網 儀表研發】火電、水泥等高碳排放行業難以單純依靠節能提效、清潔燃料替代等技術實現自身凈零碳排放，節能減碳協同可再生能源的電氣化將有望助力部分高碳排放行業率先實現碳中和。鈣循環是頗具代表性的碳捕獲及能量轉換與存儲技術，近年來在太陽能熱存儲利用和低碳制氫轉化的多能互聯方面的研究得到關注。
 

　　中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心深度剖析了鈣循環在傳統CCS行業的應用瓶頸，提出能量耦合對傳統化石燃料電廠的貢獻；鈣循環熱耦合對化石燃料低能耗制氫發揮了重要作用，其富氫及脫碳的協同轉化機制亦在燃料電池、燃氣輪機發電等領域應用前景廣闊，并有望在匹配太陽能光熱存儲利用方面，發揮其能源互補耦合的特殊優勢。該進展為探索CCS能源化利用的多尺度問題提供了研究思路。
 

　　該研究圍繞鈣循環的能源化利用面臨的熱-質失配問題，以鈣循環反應動力學受限步驟作為突破口，設計“氣-液-固”三相反應界面，并將材料相態演變規律、熱效應和分子模擬進行多尺度關聯，以探索熔鹽相變約束條件下氣-固反應行為及控制因素。研究發現，傳統鈣循環性能衰減受制于反應界面約束控制，隨著反應進行，反應動力學模型由“體”約束逐漸轉變為“面”約束。支撐熔鹽誘導二氧化碳在固體表面形成耦合離子，并伴隨鈣循環產生“熱伴熱”效應，遵循分步反應動力學模型，即前期形核自由生長模型和后期界面約束模型，分步活化提升了鈣循環能源化利用的循環穩定性。
 

　　相關研究成果發表在Carbon Neutrality(2022, 1:35, 1-32)、Chemical Engineering Journal(2022, 444, 136353)上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院國際伙伴計劃、中科院潔凈能源創新研究院合作基金等的支持。
 

圖1.鈣循環CCS能源化利用的樞紐作用。
 

　　圖2.鈣循環多尺度研究的迫切性：(a)反應機理及動力學受限、(b)材料循環反應熱的穩定性、(c)多相態顆粒流化及協同富氫反應系統、(d)能量耦合的主要模式。