火電、水泥等高碳排放行業(yè)難以單純依靠節(jié)能提效、清潔燃料替代等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自身凈零碳排放，節(jié)能減碳協(xié)同可再生能源的電氣化將有望助力部分高碳排放行業(yè)率先實(shí)現(xiàn)碳中和。鈣循環(huán)是頗具代表性的碳捕獲及能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)，近年來在太陽能熱存儲(chǔ)利用和低碳制氫轉(zhuǎn)化的多能互聯(lián)方面的研究得到關(guān)注。 

　　中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心深度剖析了鈣循環(huán)在傳統(tǒng)CCS行業(yè)的應(yīng)用瓶頸，提出能量耦合對(duì)傳統(tǒng)化石燃料電廠的貢獻(xiàn)；鈣循環(huán)熱耦合對(duì)化石燃料低能耗制氫發(fā)揮了重要作用，其富氫及脫碳的協(xié)同轉(zhuǎn)化機(jī)制亦在燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，并有望在匹配太陽能光熱存儲(chǔ)利用方面，發(fā)揮其能源互補(bǔ)耦合的特殊優(yōu)勢(shì)。該進(jìn)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(huán)的能源化利用面臨的熱-質(zhì)失配問題，以鈣循環(huán)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)受限步驟作為突破口，設(shè)計(jì)“氣-液-固”三相反應(yīng)界面，并將材料相態(tài)演變規(guī)律、熱效應(yīng)和分子模擬進(jìn)行多尺度關(guān)聯(lián)，以探索熔鹽相變約束條件下氣-固反應(yīng)行為及控制因素。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鈣循環(huán)性能衰減受制于反應(yīng)界面約束控制，隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型由“體”約束逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊妗奔s束。支撐熔鹽誘導(dǎo)二氧化碳在固體表面形成耦合離子，并伴隨鈣循環(huán)產(chǎn)生“熱伴熱”效應(yīng)，遵循分步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，即前期形核自由生長(zhǎng)模型和后期界面約束模型，分步活化提升了鈣循環(huán)能源化利用的循環(huán)穩(wěn)定性。 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Carbon Neutrality（2022, 1:35, 1-32）、Chemical Engineering Journal（2022, 444, 136353）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院國(guó)際伙伴計(jì)劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等的支持。 

圖1.鈣循環(huán)CCS能源化利用的樞紐作用。 

　　圖2.鈣循環(huán)多尺度研究的迫切性：（a）反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)受限、（b）材料循環(huán)反應(yīng)熱的穩(wěn)定性、（c）多相態(tài)顆粒流化及協(xié)同富氫反應(yīng)系統(tǒng)、（d）能量耦合的主要模式。