邱明英 张艺峰 任乐 朱繁 徐继法 张传波

(中冶京诚工程技术有限公司冶金工程事业部,北京 100176)

0 引言

温室气体的过量排放是导致地球温室效应加剧的元凶,其中,二氧化碳占人类活动排放温室气体总量的65%左右。我国CO2的排放主要集中在发电厂、水泥生产企业、钢铁工业以及石油和天然气加工行业等大型固定源的化石燃料燃烧[1-4]。

从全流程角度出发,目前公认的能够降低CO2的排放量主要有三种方案:一是提高能源利用率和转换率来降低煤耗;二是调整能源布局,大力发展核能、风能、太阳能等低碳新能源;三是对排放的CO2进行回收、利用或者封存(CCUS)[5-7]。目前国内关于二氧化碳捕集领域的技术研究已取得长足进展,涉及跨学科、多领域的交叉,发文量持续增长,但从文献计量角度研究其发展动态的报道较少[8,9],而基于Citation Space(简称CiteSpace,译为“引文空间”)的二氧化碳捕集研究文献可视化知识图谱分析更少有报道。

CiteSpace是一款着眼于分析科学文献中蕴含的潜在知识,并在科学计量学、数据和信息可视化背景下逐渐发展起来的多元、分时、动态的引文可视化分析软件[10],在国内众多领域均有应用[11-13]。本文就二氧化碳捕集领域的相关文献进行全面调研,运用文献计量学原理及方法,对收集到的文献进行计量分析。

1 文献来源与数据采集原则

文献采集源为中文期刊全文数据库——CNKI总库,以主题“二氧化碳捕集”“二氧化碳吸收”“二氧化碳吸附”“二氧化碳分离”“CCS”“CCUS”为检索项,匹配方式为精确匹配,同义词扩展,检索范围为CSCD、CSSCI、北大核心、EI来源期刊,以更好地反映碳捕集技术研究进展,时间跨度为2000—2020年,共检索到文献题录4936条,对检索结果进行人工筛选、去重、删除不相关、非学术性条目,最终整理得到2544篇相关文献,运用Citespace软件进行可视化统计分析。

2 结果与讨论

2.1 文献的年度分布

根据文献计量学理论,按发表年代进行统计分析可从时间概念上了解该项研究的研究水平和发展程度。利用CNKI的计量可视化分析功能,生成文献的年度分布图,见图1。

从发文趋势上看,整体趋势呈先上升后下降的态势,2005年政府将碳减排列入了国家发展战略,CCS技术被编入《国家中长期科技发展规划纲要(2006—2020)》,从而引起学术界的广泛关注,掀起了研究热潮,发文量迅速递增。此后,2013年科技部出台《国家“十二五”碳捕集、利用与封存(CCUS)科技发展专项规划,在2014、2015年论文数量又创新高后,论文数量逐渐回落,但仍维持150篇/年的热度。

2.2 文献的作者分布

学者的所发论文的发文量及学者间的合作关系能够在一定程度上反映学者的学术水平、研究热度[10],与主题相关的研究学者分布图见图2,从图谱中节点之间的连线较少,显示着本领域大部分作者之间的合作不紧密,仅小部分学者相互合作比较紧密,调查背景后发现合作关系大部分局限于同一所高校、同一课题组,具体呈现是师生联合与同事联合,主要类型以人脉中的“学缘”关系为主,鲜有以跨区域、跨学校的“地缘”联合。另外,通过节点的大小,可清晰辨别该作者在本领域的贡献,发文量前五的作者有:陆诗建(被引频次,251),李琦(被引频次,121),张卫风(被引频次,126),方梦祥(被引频次,437),郑楚光(被引频次,126),张建(被引频次,208)。通过各高校网址对发文量前几名的研究主题做初步分析,发现各学者之间的研究侧重方向各有不同,说明我国的CO2捕集领域已进入研究高峰期,研究点全面开花。

图1 发文趋势图Fig.1 Posting trend graph

2.3 文献的机构分布

图3为各个主要机构间的合作关系,节点大小代表发文数量,网络中的连线表示机构间的合作关系,线宽代表合作强度。机构连线较为分散,没有机构处于合作网络图谱的中心位置,除中国石油大学(华东)与中石化节能环保工程科技有限公司、北京化工大学与清华大学、上海理工大学与东华大学存在一定程度的合作关系,其他机构,如浙江大学、中国矿业大学、四川大学、昆明理工大学均处于高校内部自我结合发展阶段,与外部尚无合作关系。近十年来,我国陆续投运了多个二氧化碳捕集示范工程—例如华能北京高碑店热电厂二氧化碳捕集示范工程、华能上海石洞口第二电厂碳捕集项目、中电投重庆合川双槐电厂的碳捕集项目[14],但参与项目的相关企业机构发文量较少,可以从侧面推测,该研究领域技术的成果转化尚未完全成熟,可能在投资成本、运行成本等方面能存在一定问题,尚未形成市场热点,大规模全面推广仍需要较大的技术革新或环保政策的大力支持。

2.4 关键词聚类分析

图2 重要研究作者间的合作关系Fig.2 ooperative relationship among important research authors

利用关键词词频分析可以从寻找二氧化碳捕集技术的研究趋势,反映出该研究的热点和弱项。通过筛选、合并、剔除同义词等数据清洗方式,利用Citespace绘制关键词共现知识图谱,进一步得到关键词频次及中心性,见表1。出现频次较高的二氧化碳、CO2、吸附、吸收、二氧化碳捕集、CCUS、离子液体、n-甲基二乙醇胺、乙醇胺、分离、活性炭、燃煤电厂、烟道气等。中心性表示关键词在所有关键词中的地位,中心性越高,越占主导地位[7]。可以发现,频次越高的关键词,中心性也较高,但频次与中心性并不是一一对应的,一些词频较低的关键词反而中心性较大,说明它们关注的是同一个问题或同一领域的问题,在同一篇文章中与其他关键词共现的概率较大。

表1 关键词频次及中心性Tab.1 Keyword frequency and centrality

为进一步对该研究领域有一个整体全面的认知,对上述高频关键词进行对数似然算法(LLR)聚类分析,得到聚类知识图谱,见图4。模块值Modularity Q=0.6946,意味着聚类结构显著,平均轮廓值Mean S=0.5998,说明聚类是合理的,这意味着这一共被引聚类可以清楚的界定出science mapping的各个子领域。聚类分析的结果为:CO2吸附、CCS、甲醇、MDEA、复合胺溶液、光催化、羟乙基二乙胺、活性炭、吸附等温线、气体分离、离子液体、回收、介孔SiO2、温室气体、煤炭地下气化。通过对聚类信息进一步整理,大致归纳出以下5个研究热点:(1)新型吸附剂,包括CO2吸附、活性炭、吸附等温线,(2)新型吸收剂,包括复合胺溶液、MEDA、离子液体、羟乙基二乙胺等;(3)CCUS,包括CCS、回收等;(4)催化与合成,包括光催化、介孔SiO2、温室气体、甲醇等;(5)煤炭地下气化。

图3 重要研究机构间的合作关系Fig.3 Cooperative relationship among important research institutions

图4 关键词聚类知识图谱Fig.4 Keyword clustering knowledge map

图5 近20年来的突显关键词Fig.5 Highlighted keywords in the past 20 years

图5展示了近20年来的突显关键词,其中突显强度较高的关键词依次为变压吸附、气候变化、氨水、聚乙烯亚胺、吸收、CO2吸附,二氧化碳捕集、吸附剂、中空纤维膜等,代表着研究方向发生新的分类:以2010年为界,研究热度逐渐从关注单一的变压吸附分离CO2、回收其他能源气体,转变到关注CO2捕集再利用。二十年间产生了多个热点,如2010年以来吸附工艺研究热度递减,研究热度转向液体吸收工艺,产生了氨水、聚乙烯亚胺、解吸、改性等关键词,2015年以来,吸附工艺研究又重新成为主流,关注点变为新型材料,产生了吸附剂、多孔材料等关键词,期间又产生了另一个新的研究热点,膜分离,代表关键词为:中空纤维膜。

3 结论

本文借助CiteSpace软件对二氧化碳捕集技术研究的文献进行了可视化计量分析,并从发文数量、作者、机构、关键词、研究主题及演进方面进行梳理,得到如下结论:

(1)从发文数量上看,整体趋势呈先上升后下降的态势,在2014、2015年论文数量达到巅峰,近三年有所回落但仍维持150篇/年的热度。

(2)从研究机构、作者来看,国内高校关于二氧化碳捕集技术研究的团队主要聚集在中国石油大学(华东)、清华大学、中国矿业大学、东南大学、浙江大学,但研究机构分散,作者之间的联系不紧密,大多数合作以“学缘”为主。

(3)从关键词聚类图谱看,研究主要集中在吸收、吸附为主,均侧重新型材料的改性与研发等方面。

(4)从关键词时区知识图谱看,近十年,学者关注热点由吸附工艺转向液体吸收工艺,高频关键词不断更迭,氨水、聚乙烯亚胺、解吸、改性等高频出现;期间又产生了新的研究热点,膜分离。