在工业生产过程中，减少烟气二氧化碳排放和提升固体废弃物资源化利用，成为实现工业绿色低碳转型发展的重要因素。然而，现有二氧化碳捕集技术存在高能耗与高成本的问题，且工业固体废弃物资源化利率低和附加值低。因此，亟需寻求一种协同处理烟气二氧化碳和固体废弃物的一体化途径。
作为一种过程强化技术，化学链为上述问题提供了高效解决方案。化学链二氧化碳捕集与原位转化（图1），通过吸附-催化双功能材料的循环反应与再生，将二氧化碳捕集与二氧化碳转化耦合在同一过程中，解决传统碳捕集利用与封存（CCUS）路径的长流程、低时效、高能耗、高风险等问题。与此同时，以工业固体废弃物为原料，可以获取高效低成本的吸附-催化双功能材料。由此可知，化学链二氧化碳捕集与原位转化（CL-ICCC）技术为工业绿色低碳转型发展提供了“一石二鸟”的突破口。
综上，湖南大学梁志武教授和金波副教授团队在《Carbon Capture Science & Technology》发表研究综述——“Chemical looping CO2capture and in-situ conversion as a promising platform for green and low-carbon industry transition: Review and perspective”，系统性总结了化学链二氧化碳捕集与原位转化技术在工业烟气净化升级、工业固废资源化利用、工业系统集成优化等方面的研究进展，前瞻性地提出了基于化学链二氧化碳捕集与原位转化的新型绿色低碳工业体系。本文第一作者为金波，通讯作者为金波副教授和梁志武教授。文章主要研究内容如下：
在采用化学链二氧化碳捕集与原位转化技术实现烟气净化升级时，烟气杂质组分对双功能材料的反应性能产生显著影响（图2）。氧气引起双功能材料催化位点氧化，导致双功能材料在转化阶段催化活性延滞与衰减；水蒸气与CO2发生竞争吸附，且引起催化剂烧结，导致催化活性降低；由于竞争吸附与强碱性，NOx易与双功能材料形成硝酸盐，引起CO2吸附和催化活性变差；SOx在捕集阶段易与CO2发生竞争吸附，导致双功能材料吸附性能恶化，且形成金属硫化物，但有可能通过双功能材料的自再生机制加以恢复。
图2 烟气杂质组分（a）O2，（b）H2O，（c）NOx，（d）SOx对双功能材料的影响
二、化学链二氧化碳捕集与原位转化用于工业固废资源化利用
天然矿物（石灰石、白云石、菱镁矿）或工业固废（电石渣、大理石）可以作为原材料，去获取高效低成本的双功能材料，且用于不同的化学链二氧化碳捕集与原位转化过程中（图3）。当采用菱镁矿和白云石为原材料，获取镁基双功能材料，可以用于化学链二氧化碳捕集与原位逆水煤气转化过程中。使用石灰石和白云石或添加铁基催化剂时，获取钙基双功能材料，用于化学链二氧化碳捕集与原位干重整过程中。石灰石或电石渣耦合镍基催化剂，获取钙基双功能材料，可以实现化学链二氧化碳捕集与原位干重整或逆水煤气转换过程。大理石可以直接用于化学链二氧化碳捕集与原位逆水煤气转换过程。
图3 天然矿物/工业固废衍生双功能材料用于化学链二氧化碳捕集与原位转化过程
三、化学链二氧化碳捕集与原位转化用于工业系统集成优化
将化学链二氧化碳捕集与原位转化过程集成到工业系统时（图4），大多连接在烟气后端，不改变现有工业系统结构。与传统CCU相比，CL-ICCC在能耗与成本方面具有显著优势。当集成到电站和乙烯厂中时，CL-ICCC将增加能源效率，产生更多的CO，减少CaCO3使用量，降低总投资成本、CO生产成本和CO2减排成本。在CL-ICCC后续额外增加捕集工序，尽管提升了产品纯度，但将增加更多能源消耗。若耦合费托合成，将降低热量消耗，但增加能源效率。
图4 集成（a）化学链二氧化碳捕集与原位转化或（b）贯序式二氧化碳捕集利用（CCU）的工业体系
四、基于化学链二氧化碳捕集与原位转化的新型绿色低碳工业体系
在基于化学链二氧化碳捕集与原位转化的新型绿色低碳工业体系（图5）中，工业源二氧化碳进入二氧化碳捕集反应器中，通过双功能材料的吸附位点将CO2从复杂烟气组分中分离出来；工业排放的固体废弃物通过转换工序转变为高效低成本双功能材料，为化学链二氧化碳捕集与原位转化过程提供材料；转化过程可以采用不同的还原介质（如甲烷、氢气、烷烃等），将捕集的CO2转化为高附加值化学品（如合成气、CO、烯烃）；这些产品可以售卖、为下游费托合成通过原料或者循环至工业体系等，进而实现工业体系绿色低碳转型。
图5 基于化学链二氧化碳捕集与原位转化的新型绿色低碳工业体系
