洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2026年第1期

• 熔盐储热耦合燃煤机组灵活性转型研究进展

  刘芮嘉, 王晓哲, 张昊, 董勇, 徐梦侠

  在“双碳”目标驱动下，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为必然趋势。然而，常规燃煤机组在深度调峰工况下面临灵活性不足、调峰能力弱及新能源消纳受限等挑战。系统综述了熔盐储热技术耦合燃煤机组的最新研究进展，从材料、设备、系统集成及运行控制等维度进行全链条分析，以期为相关工程应用提供理论依据与技术支撑。首先，梳理了4种主流熔盐体系的热物性特点，重点分析了不同温域燃煤机组与熔盐种类的适配性及新型熔盐制备工艺的优化。其次，综述了熔盐储罐与熔盐换热器等设备的结构优化与强化传热机理。接着，列举了燃煤机组耦合熔盐储热系统在稳态与动态运行模型下的多源取热集成模式与控制策略，针对系统调峰深度、爬坡速率、往返效率及㶲效率等灵活性评价指标进行了综合分析。最后，通过分析当前示范项目的经济性与环境效益，表明该技术能够显著降低弃风弃光率，尽管初投资较高但经济回收期较短，具备良好的全生命周期经济性。面向未来规模化应用，建议重点关注高性能低成本熔盐材料的研发，全系统动态运行优化，以及形成多能互补的集成运行体系，建立更完善的容量电价机制与碳交易市场，充分体现灵活性资源的调节价值，形成技术进步与市场回报的良性循环。

• 微型燃气轮机综述 发展现状、核心部件和挑战

  范志伟, 王式兴, 范俊, 翁武斌, 何勇, 王智化

  为应对“双碳”目标下分布式能源系统对高效、低碳动力源的迫切需求，研究聚焦于微型燃气轮机的整机性能与核心部件设计进行了探讨：通过文献综述与产品对比，分析了微型燃气轮机整机性能参数及国内外技术差距，并重点剖析了压气机、涡轮、燃烧室和回热器四大核心部件的设计挑战与优化策略。结果表明：国内外在微型燃气轮机核心部件与系统集成优化方面存在一定的技术差距。在核心部件方面，被动流动控制技术是压气机应对低雷诺数流动问题的有效方法；而涡轮机则依赖高温合金与热防护技术提升耐受温度；在燃烧室中，一些先进燃烧组织方式（富淬贫燃烧、无焰燃烧、微混燃烧等）在实现高效、低氮、高燃料适应性方面有着广阔前景；大部分回热器则以金属材料和一次表面结构为主，陶瓷回热器有望将整机效率提升至40%。总之，微型燃气轮机是构建分布式能源网络的关键装备。其未来发展依赖于核心部件在材料、设计与控制方面的持续突破，以及与可再生能源系统更深入的耦合。

• 燃气燃烧热声不稳定研究进展

  王子豫, 朱彤, 潘登, 林瑜, 沈婷

  热声不稳定性是由燃烧系统中热释放率脉动与声学振荡相互耦合引发的一种自激振荡现象，广泛存在于燃气轮机、航空发动机、工业燃烧器及燃气热水器等能源动力装置中。在低碳能源转型背景下，天然气消费量快速增长，氮氧化物排放标准日益严格，燃烧系统常在偏离化学当量比的贫燃、预混等低排放工况下运行，导致热声不稳定现象频发，表现为剧烈的压力振荡、火焰脉动与噪声增强，严重影响设备运行安全与使用寿命。该综述系统梳理了燃气燃烧热声不稳定性的振荡机理、诱发因素、非线性动力学行为、研究现状与控制策略等方面的研究进展。首先，从经典瑞利准则出发，阐述了热声耦合的能量正反馈机制，并分类讨论了亥姆霍兹型、纵向模态、周向模态及本征热声模态等典型振荡类型的特征与成因。针对非线性行为，进一步分析了极限环振荡、拍振现象及间歇性振荡等动态行为的物理机制，并介绍了基于火焰传递函数和火焰描述函数的建模方法及其在非线性振荡预测中的应用。系统归纳了当前燃气热声不稳定领域的试验诊断技术（如高频压力测量、粒子图像测速、平面激光诱导荧光、化学发光成像等）、数值模拟方法（包括大涡模拟、低阶网络模型、亥姆霍兹求解器等）以及主动与被动控制策略（如声学阻尼器、燃料调制、等离子体激励等）的研究进展。最后，对当前研究中的挑战与未来发展方向进行了展望，指出需在低碳燃料燃烧机理、多尺度智能建模、高精度试验诊断及智能控制等方面进一步突破，以推动低排放、高稳定性燃烧系统的设计与优化。

• 生物质富氧燃烧技术研究进展

  张泽武, 毛文超, 乐笑宇, 董晓腾, 罗聪, 张立麒

  生物质能碳捕集与封存技术（Bio-Energy Carbon Capture Utilization and Storage，BECCUS）作为一种负碳技术，它将生物质燃烧和现有的CCUS技术相结合，以实现快速、大批量、可持续的CO2减排。生物质富氧燃烧技术将富氧燃烧的燃料替换为生物质与煤的混合燃料或纯生物质，再利用高纯度O2和循环烟气助燃，最终实现燃烧尾部烟气中CO2高浓度富集。较常规煤粉富氧燃烧和生物质空气燃烧，由于燃烧燃料和燃烧气氛发生显著变化，生物质富氧燃烧的炉膛温度及热流、污染物排放、受热面问题、CO2捕集效率和电厂效率也发生明显变化。对此，系统地综述了生物质富氧燃烧技术最新研究进展，详细地总结了生物质富氧燃烧特性、污染物生成特性：空气和富氧气氛下生物质富氧燃烧反应动力学参数基本保持一致、生物质焦与CO2和H2O气化反应有利于降低NOx生成以及促进煤焦燃尽生成更多的细小颗粒物、生物质的富氧燃烧特性与空气燃烧相匹配的初始氧浓度大于30%；指出了生物质富氧燃烧面临燃料不稳定性、成本高、受热面腐蚀、污染物生成等问题，并针对以上问题，提出了研究多种生物质掺混的协同效应对其燃烧特性（着火、燃尽）和污染物生成特性（NOx、SO2、HCl）的影响规律，形成强化燃烧和抑制污染物生成的新见解；优化生物质富氧燃烧运行工况参数、调控燃烧室温度，以缓解积灰、结渣和腐蚀问题；采用增压富氧燃烧技术、增压循环流化床富氧燃烧技术等新兴技术提高燃烧效率、降低污染物排放；设计基于生物质富氧燃烧的电–热–气多联产新工艺，实现多目标产物的自主调节，以适应多应用场景。最终，为实现生物质低碳清洁燃烧提供理论依据与重要参考。

• 燃煤电厂碳捕集工艺优化进展 化工侧和热工侧

  施其能, 刘海玉, 张良, 赵京, 程珩, 魏小林

  在中国“双碳”战略目标的背景下，燃煤电厂作为碳排放主要来源之一，对其进行碳减排至关重要。化学吸收法在众多碳捕集技术中最为成熟，在我国已有诸多示范项目。系统综述了燃煤电厂碳捕集技术的发展进程，聚焦于化工侧和热工侧两大技术路线。化工侧优化涵盖了从第1代基准吸收剂到第2代混合胺吸收剂，直至第3代相变吸收剂与离子液体等的迭代发展，介绍了新型吸收剂降低再生能耗的机制与潜力；同时概述了工业设备创新与吸收/解吸工艺优化等方式对系统能效的提升作用。热工侧优化旨在缓解碳捕集系统与燃煤机组的耦合矛盾，重点探讨了汽水系统抽汽方案优化、给水回热集成、吸收式热泵等热集成技术，以及通过引入太阳能、地热能、生物质能等可再生能源辅助供能方式，从根本上降低系统“能耗惩罚”。研究进一步指出，通过实施储液以及设置烟气旁路等灵活运行策略使碳捕集电厂兼具碳减排和深度调峰能力。在此基础上，从经济性、稳定性和灵活性等多个层面指出了化学吸收法碳捕集技术的未来发展方向。

• 可凝结颗粒物研究进展

  刘雪霞, 李玉忠, 韦性晟, 姚宣, 韩晨, 李正政, 李敬伟, 王露

  燃烧源颗粒物的控制一直是大气污染防控领域的重点问题。颗粒物包括可过滤颗粒物（FPM）和可凝结颗粒物（CPM）。FPM就是被广泛认知的烟尘，其控制技术已较为成熟，治理效果已经达到超低排放的水平；而CPM是指在烟道内呈现气态并在排放后因降温冷凝等作用转化成颗粒的物质，虽然目前CPM尚未被列入强制治理的范围，但其环境影响及潜在危害已经越来越引起重视，相关研究逐渐成为新的热点。系统综述了近年来CPM的最新研究进展：在环境影响方面，最新的定量分析显示CPM对大气中的有机气溶胶和PM2.5有重要贡献，应给予足够重视；在CPM测量方面，现有冲击瓶冷却法和稀释冷却法虽然历经改进，但其设备和操作复杂、数据实时性差、误差因素多等缺陷，严重影响了便捷性和准确性；CPM在线检测技术取得突破，但有待进一步优化；最新的CPM排放数据显示：某些排放源的CPM排放浓度已经超过FPM，CPM包含复杂的有机和无机组分，CPM凝结后形成超细颗粒物；CPM的生成机理研究取得进展：燃料中的硫、氯、氮等元素及烟气中水蒸气、硫氧化物、氮氧化物等物质影响CPM无机组分的含量，而CPM的有机组分受燃料特性、燃烧条件、燃烧充分程度等因素的影响；在CPM控制方面，大量研究聚集于现有大气污染物治理设备对CPM的协同脱除，也发展了烟气冷却法、吸附法和燃料混燃法3种CPM控制方法，但这些方法的效率有待提高。未来应进一步探明CPM的环境影响、发展可靠的CPM在线检测技术、揭示CPM生成机理、开发CPM高效控制技术，全面推进CPM污染防控的理论研究和工程实践。

• 50 MW超临界二氧化碳燃煤锅炉热力性能研究及计算平台开发

  韩磊, 于婷婷, 殷亚宁, 李冲, 杨冬

  实现煤炭的高效、清洁利用是燃煤发电领域长期以来最为关心的课题之一，持续提升发电效率、降低碳排放是实现绿色低碳转型的重中之重。超临界二氧化碳（Sc-CO2）发电技术作为新兴的动力循环发电技术之一，其具有更高的理论发电效率，有望在未来燃煤发电机组效率提升和热力系统优化等方面发挥至关重要的作用。相较于传统蒸汽锅炉，Sc-CO2锅炉的工程设计经验相对缺乏，如何校核给定设计方案下烟气能否实现全温区高效换热、工质能否达到预期热力参数，已成为该领域技术突破的关键研究课题。因此，建立一套完整的Sc-CO2锅炉热力计算体系进而计算得到各受热面处烟气与工质的温度分布情况尤为重要。基于国内自主设计的世界首台50 MW的29.2 MPa/602 ℃/602 ℃ Sc-CO2锅炉箱式布置方案建立了Sc-CO2锅炉热力计算模型，使用Fortran 90与Python 3.11搭建了超临界二氧化碳热力计算平台，并通过该计算平台开展了热力计算工作，得到了各受热面进出口烟气与工质温度分布情况。根据热力性能分析，该设计方案下过热、再热CO2能够达到预期的热力参数，烟道设计合理，但省煤器处存在进出口温差过大的问题。此外，针对Sc-CO2锅炉与传统蒸汽锅炉的设计特征进行了对比分析。

• 燃煤锅炉混氨燃烧NOx排放特性及工程应用NOx预测模型

  谢妍, 张文振, 李明, 王西伦, 刘欣, 初伟, 王赫阳

  燃煤锅炉混氨燃烧是燃煤机组低碳化的主要技术发展方向之一。但由于氨燃料含氮量高，混氨燃烧可能导致锅炉NOx排放的大幅上升，因此，能否实现NOx排放的控制是决定燃煤锅炉混氨燃烧技术可行性的关键之一。为此，对氨–煤混燃实验研究中所观测到的NOx排放随混氨比例（R_\mathrmNH_3 ）的不同变化趋势进行了综述，并基于最新实验研究结果给出了这些不同NOx趋势的统一机理解释——NO在炉内的净生成量取决于NH3的NO生成和还原反应在整个炉膛空间不同O2浓度环境下的持续竞争过程。在锅炉运行环境下，NOx排放主要由炉膛主燃区初始燃烧阶段NO的大量生成、还原区NH3对NO的还原和燃尽区残余NH3与燃尽风反应所导致的NO生成这几个阶段所综合决定；不同炉内O2浓度环境下，此NO生成–还原–生成过程可叠加产生多种NOx排放随R_\mathrmNH_3 变化趋势。因此，氨–煤混燃实验中所观测的各种NOx排放趋势不应简单地归因于混氨比例或方式的影响，而应综合考虑不同混氨条件所导致的NH3在炉内燃烧反应环境的变化的影响。基于氨–煤混燃NO生成机制，进一步阐述了开发工程应用燃煤锅炉混氨燃烧NOx预测模型所需考虑的关键因素，重点强调了将对炉内流场和O2分布有直接影响的锅炉设计与关键运行参数转化为模型边界条件和模型参数的必要性。通过对40 MW锅炉和600 MW锅炉混氨燃烧的模拟，对比和验证了不同NO反应模型。结果表明，所提出的修正Østberg机理对NOx排放的预测结果在定性和定量上皆与锅炉试验结果良好吻合。模拟结果还揭示了锅炉混氨燃烧NO生成的一个特殊性质：尽管NH3进入炉膛后会迅速生成大量NO，但其作为气体燃料对O2的快速消耗，将在紧邻NO生成区域的下游形成一个乏O2还原区，使刚刚生成的NO在此区域随即被未燃尽残余NH3大量还原。这一特殊性质大幅降低了锅炉混氨燃烧的NO净生成量。

• 预混/分级模式下氨煤混燃着火特性的试验研究

  冷猛, 娄依崇, 陈境烨, 余作超, 翁武斌, 孟德润, 何勇, 朱燕群, 王智化

  为探究在近工业应用的湍流旋流条件下氨煤混燃的关键着火机理与调控规律，以应对其在燃煤锅炉推广应用中面临的着火稳定性挑战，采用自主搭建的管式双旋流燃烧器试验台，通过光学诊断与图像处理技术，对煤粉火焰的着火特性进行了系统性研究。试验定量分析了氨气注入方式（随一次风预混/随二次风分级）、氨热值掺烧比（E_\mathrmNH_3 ，0~50%）和总体当量比（Φtotal，0.59~0.95）对着火延迟时间的影响。结果表明：氨气的注入方式是调控煤粉着火性能的主导因素。相较于预混模式，分级注入（氨气随二次风供给）能极大促进煤粉着火，在相同掺氨比（E_\mathrmNH_3 =30%）下，其下游煤粉着火延迟时间可从预混模式的9.8 ms显著缩短至4.4 ms，降幅超过55%。其核心机理在于：分级模式下，氨气在二次风中形成独立的高温火焰，为一次风中的煤粉颗粒提供了强大的热烟气环境，有效避免了2种燃料在贫氧的一次风中对氧气的竞争，实现了快速点火。在分级模式下，提高氨掺烧比可有效缩短着火延迟时间，当E_\mathrmNH_3 从10%增至50%，上游煤粉着火延迟时间呈现持续缩短的趋势。与此同时，降低总体当量比则会抑制煤粉着火，当E_\mathrmNH_3 维持在50%而Φtotal从0.95降至0.59时，下游煤粉着火延迟时间从6.1 ms延长至8.3 ms。在预混模式下，氨掺烧比的影响则呈现出显著的空间依赖性。在上游近场区着火延迟时间随E_\mathrmNH_3 的增加而延长，而在下游远场区着火延迟时间随E_\mathrmNH_3 增加反而缩短。研究证实，实现氨与煤粉的空间分级注入，是保障高比例氨煤混燃系统稳定着火的根本途径。研究揭示的关键调控策略与机理，为工业级氨煤混燃燃烧器的设计与优化提供了参考。

• 基于垃圾与燃煤飞灰固化电厂脱硫污泥中有害重金属元素稳定特性研究

  王家伟, 樊德钦, 侯琦骏, 霍敬尧, 陈宏刚, 汪涛, 张永生

  在“以废制废”理念下，采用燃煤飞灰和垃圾焚烧飞灰作为固化剂，评估其对脱硫污泥中Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、Hg、Pb、As的固化稳定性能。选取3个电厂的污泥与飞灰，经TCLP浸出试验筛选出代表性污泥，在固化剂添加量6%、固液比1∶3的条件下进行固化试验。结果表明：2类飞灰均能显著降低重金属浸出浓度，其中垃圾焚烧飞灰整体固化效果更优。表征显示固化过程中生成的水化产物可填充孔隙并提高结构致密性，从而实现对重金属的物理包覆与化学吸附。进一步采用球磨法与碱激发法对飞灰进行改性后，多种重金属固化率可提升至85%~95%。BCR逐级提取结果表明固化后重金属由易迁移形态向稳定形态明显转化，验证了飞灰固化技术在脱硫污泥重金属固化处理中的可行性。

• 低碳费托合成技术的现状与展望

  李为真, 赵华博, 林泉, 吕毅军, 门卓武

  费托合成技术作为适配我国 “富煤、贫油、少气” 资源禀赋的关键能源转化技术，已实现从实验室研究到大规模工业化的跨越，在保障我国能源安全、提供多样化高附加值产品及生产清洁燃料方面成效显著。然而，煤基费托合成技术碳排放较高，与我国 “双碳” 目标存在突出矛盾，其每吨产品CO2排放量高达6.86~9.00 t，减排转型迫在眉睫。系统剖析费托合成多环节碳排放来源，从低碳催化剂研发、工艺集成优化、碳捕集封存融合、可再生碳源替代四大核心路径，综述近年来低碳费托合成的技术进展与工程实践。重点阐述疏水改性、纯相碳化铁及助剂改性催化剂在抑制CO2生成中的作用，部分疏水改性、纯相碳化铁及助剂改性催化剂已实现低至5%的CO2选择性，碳利用效率最高达90%；分析余热梯级利用、与整体煤气化联合循环发电系统集成、绿电绿氢耦合等工艺优化方案；梳理碳捕集封存技术在费托合成多环节的应用现状与挑战；探讨CO2与生物质作为可再生碳源的技术路径与前景，相关技术中CO2加氢制汽油、生物质费托合成制绿色航煤已实现千吨级中试运行。低碳费托合成技术目前在催化剂、工艺优化、碳处理与替代领域已经取得显著进展，但在工程实践中仍然存在诸如疏水催化剂稳定性待验证、碳捕集封存技术成本高、生物质原料难以做到稳定供应等问题，需要在未来持续推进研究。

• 可持续航空燃料多维度协同发展现状与展望

  马升勇, 张兴华, 马隆龙

  可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fue，SAF）作为唯一可规模化应用的航空低碳替代燃料，其技术成熟度、经济性、政策适配性及环境影响成为产业落地的核心因素。笔者基于当前的发展现状及公开的行业数据，系统梳理了SAF的生产原料特性、生产技术路线原理与成熟度差异，全面解读全球政策框架（国际CORSIA机制、欧盟ReFuelEU、美国IRA法案、中国试点政策），剖析制约经济性的核心因素，并结合全生命周期评估（Well-to-Wake，WtW）量化其碳足迹（减排率50%~92%）。在技术路线方面，酯类和脂肪酸加氢工艺（HEFA）因技术成熟度高、原料来源相对稳定，目前占据全球SAF产量的80%左右，是短期内最可行的产业化路径；而费托合成（Fischer-Tropsch process，FT）与电转液（Power-to-Liquid，PtL）技术虽然当前成本较高、尚未实现大规模商业化应用，因其原料适应性强且减排潜力更大，被普遍视为中长期重点发展方向。政策层面，国际民航组织推出的CORSIA碳抵消与减排机制、欧盟ReFuelEU航空燃料法规、美国《通胀削减法案》（IRA）中的税收优惠条款以及中国的区域性试点政策，共同构成了当前全球主要的SAF激励体系，其中，欧盟的强制掺混指令和美国的税收抵免政策已在推动产能建设和下游应用中表现出显著效果。经济性分析显示，政策补贴可使HEFA路线成本降低30%~40%，预计2030年价格有望降至传统航煤的1.5倍以内。对于中国而言，亟须加强废弃油脂、生物质等可持续原料的供应链建设，建立基于碳定价、财政补贴和绿色金融的多层次激励机制，以系统推动SAF产业的健康、有序和规模化发展。

• 热催化CO2加氢制芳烃研究进展

  潘鸣骏, 孙升凯, 姜兴剑, 张世杰, 刘竞舸, 杨承广, 于幸, 王长真, 高鹏

  利用可再生能源产生的“绿氢”将二氧化碳（CO2）转化为高附加值芳烃为实现碳减排与资源循环利用提供了一条绿色可持续的技术路径。芳烃作为重要的基础化学品，广泛应用于聚合物、燃料添加剂、医药中间体等领域。然而，CO2分子具有高度热力学稳定性和化学惰性，其高效活化及定向转化面临着巨大的挑战。当前，热催化CO2加氢制芳烃主要包含甲醇中间体和改性费托合成两条反应路线。二者均采用双功能催化剂，其通常由金属氧化物（或碳化铁）以及分子筛耦合而成。甲醇中间体路线中，CO2首先加氢转化为甲醇或其衍生物，再在分子筛酸中心上进一步芳构化；该路线表现出优异的芳烃选择性，但CO2转化率较低。改性费托合成路线则通过逆水煤气变换（RWGS）反应将CO2转化为CO，再经费托合成步骤生成烯烃中间体，最终在分子筛上芳构化生成芳烃。该路线可实现较高的CO2转化率，但产物分布宽、芳烃选择性较低，且易发生过度加氢生成烷烃。如何协同提升CO2转化率、芳烃选择性和催化剂的稳定性是该领域的难点与挑战。本文主要聚焦于热催化CO2加氢制芳烃，系统综述了近年来该领域的研究进展。基于上述两种主流反应体系，首先探讨了催化剂设计与调控策略，涵盖复合氧化物构建、碳化铁基催化剂助剂引入、载体优化与制备方法创新以及分子筛酸性、孔道结构与形貌的调控，旨在增强活性位点协同、促进中间体传递与转化。其次，阐述了串联催化、烃池机理及氢转移机制，探讨了通过中间体定向强化与协同催化优化反应路径的策略，从而提升目标产物选择性。同时，分析了金属氧化物烧结与迁移、碳化铁相变、分子筛积碳等失活行为，为进一步开发长效运行催化剂提供理论依据。最后，总结与展望了CO2加氢制芳烃面临的机遇与挑战，提出聚焦催化剂精准设计、多尺度研究反应机理、过程集成与系统优化以及创新反应路径是研究的重点，从而为未来该领域的发展提供前瞻的研究方向与战略性参考。

• 面向低碳化工的合成气氢碳比调控技术研究进展

  顾成, 刘雨欣, 张金鹏, 荆洁颖, 李文英

  合成气中氢碳物质的量比（n(H2)/n(CO)）的精准调控是实现高附加值化学品高效制备的关键因素，也是煤化工及相关过程低碳转型的核心技术之一，直接决定下游化学品合成工艺的生产效率、能耗及碳排放。传统的水煤气变换反应（Water–Gas Shift reaction，WGS）作为最常用的合成气n(H2)/n(CO)调控手段，虽然工艺成熟，但受限于反应热力学平衡与催化剂稳定性等瓶颈，并且在反应过程中会不可避免地产生额外CO2。为突破传统n(H2)/n(CO)调控工艺的局限，从多元化角度阐述了合成气n(H2)/n(CO)调控策略：外源氢气引入可实现快速而精确的n(H2)/n(CO)调节，但该方案在大规模应用中仍受限于制氢成本与基础设施建设；新兴短流程催化技术（如CO2电催化、光催化）可在反应过程中直接生成具有定制化n(H2)/n(CO)的合成气，但目前该方案合成气产量与工业生产对合成气需求量不匹配；过程强化与系统耦合（如多重整耦合、吸附强化水煤气变换、膜反应器耦合、生物质气化集成吸附强化水煤气变换与逆Boudouard反应、共气化等）通过多反应协同、反应生成物原位移除、反应路径集成和原料互补等途径，实现了合成气生产与n(H2)/n(CO)调控以及能效提升与碳减排的协同。通过整体分析发现，合成气n(H2)/n(CO)调控技术正从“单元优化”向“系统集成协调优化”转变，为构建低碳化、短流程、高灵活性的绿色合成气生产加工利用平台提供支撑，并对实现“双碳”目标具有重要意义。

• 二氧化碳加氢制低碳烯烃催化剂改性策略的研究进展

  孔令青, 郭晓宏, 李鹏伟, 王晓月, 李艳春, 姚如伟, 李聪明

  二氧化碳（CO2）排放量的持续增长引发全球生态环境的恶化，导致气候变化、海洋酸化等一系列环境问题，CO2减排已成为当前可持续发展所面临的巨大挑战。低碳烯烃作为化工行业重要的基础原料和平台分子，广泛用于制备多种增值化学品。不同于以往合成低碳烯烃的原料和工艺，以CO2为原料合成低碳烯烃不仅可以实现CO2的资源化利用，还可以缓解对石油资源的依赖，是实现环境、能源以及经济的共赢之举。目前，广泛报道的CO2加氢制低碳烯烃主要有2种路径：以CO为中间体的CO2-FTO路径和以甲醇为中间体的CO2-MTO路径。CO2-FTO路径具有高的CO2转化率，但C—C偶联不可控，产物服从安德森–舒尔茨–弗洛里（Anderson-Schulz-Flory，简称ASF）分布，导致低碳烯烃选择性受到限制；CO2-MTO路径突破了ASF分布的限制，可实现较高的低碳烯烃选择性，但存在CO2转化率较低、副产物CO选择性较高的问题。文章系统综述了2条路径的反应过程、反应机理以及提升催化性能所采用的催化剂改性策略，其中，CO2-FTO路径的改性策略主要围绕Fe基催化剂展开，包括助剂的掺杂（碱金属助剂、过渡金属助剂等）、载体的优化（氧化物、碳材料）等；CO2-MTO路径的改性策略从金属氧化物、分子筛以及二者的耦合方式等3个角度出发。另外，对近期报道的一种关于CO2加氢制低碳烯烃的新反应路径（即RWGS+CO加氢路径）做了简要概述。最后，总结不同路径改性策略的优势与不足，并对未来研究方向进行了展望。总体而言，CO2加氢制低碳烯烃是一条具有广阔发展前景的可持续化工生产路线。

• 多孔吸附材料用于含氟气体吸附分离的研究进展

  张快凡, 彭娜娜, 王强

  含氟气体（F-gases）主要包括氯氟烃、氢氯氟烃、氢氟碳化物、全氟化合物、六氟化硫和三氟化氮等，因其优异的化学稳定性、热力学性能及电绝缘能力，被广泛应用于制冷、半导体制造以及电力设备绝缘等工业领域。然而，这些特性也导致其具备极长的大气寿命与极强的红外辐射吸收能力，从而表现出极高的全球变暖潜能值，对全球气候系统构成持续且严重的威胁。尽管《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》（以下简称《蒙特利尔议定书》）及其《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》（以下简称《基加利修正案》）等国际法律文件对F-gases的生产与使用实施严格管控，但受限于其在诸多工业领域的不可替代性，全球范围内大气中F-gases浓度持续攀升，因此开发高效、可行的F-gases处理处置技术尤为迫切。系统综述了F-gases的来源、环境影响及管控政策；基于文献计量分析揭示了F-gases处理处置技术研究进展，重点聚焦于当前该领域的研究热点——吸附技术；围绕金属有机框架、分子筛、碳材料、共价有机框架及多孔芳香框架等多孔吸附材料，总结了通过结构调控与表面修饰以提升F-gases吸附性能与选择性的策略，阐明了不同多孔材料对各类F-gases的吸附机理与循环稳定性，并进一步剖析了在高湿度、多组分竞争吸附等复杂工况下吸附技术走向规模化应用所面临的挑战。旨在为开发高效吸附材料、优化F-gases吸附工艺提供参考，从而推动F-gases深度减排，助力实现“双碳”目标提供理论参考。

• 钾基二氧化碳吸附剂成型技术综述 从粉末合成到先进结构材料

  姚奕千, 王思源, 范伟豪, 雷嗣远, 王乐乐, 郝杰勇, 曾多, 赵传文

  钾基固体吸附剂因其成本低廉、环境友好及与低温烟气匹配良好等优势，在燃烧后二氧化碳捕集及直接空气捕获领域显示出重要应用潜力。然而，粉状吸附剂在实际工程应用中存在机械强度低、床层压降大、传质性能差等问题，严重制约其规模化应用。为此，系统综述了钾基吸附剂从粉末到结构化成型的材料与工艺研究进展，重点关注载体材料的类型与特性、成型技术的原理、优势与局限性以及钾基吸附剂规模化应用中面临的关键挑战。在载体方面，传统多孔材料、结构化蜂窝载体和新型材料均展现出不同的性能特点，可通过调控孔结构和表面性质有效提升吸附容量与循环稳定性。在成型工艺上，挤出、挤压滚圆、石墨铸造、涂覆、疏水面辅助合成、喷雾造粒及新兴的3D打印等技术各具优势，能够显著改善吸附剂的机械性能、传质效率与工程适用性。然而，面对真实工业烟气中复杂组分引起的吸附剂中毒、潮解导致的微结构劣化以及再生能耗较高等问题，钾基吸附剂仍需在材料设计与工艺集成方面进一步突破。未来研究应聚焦于开发具有抗毒、疏水、催化等多功能的复合吸附体系，并结合智能结构设计与系统能效优化，推动钾基吸附剂的规模化与商业化应用进程，以期为钾基吸附剂从实验室研究走向工业应用提供理论支持与技术参考。

• 能源转型关键技术 从煤炭清洁利用到太阳能燃料合成

  张昊, 贾同林, 帅永, 杨大智, 王志江, 王富强

  我国“富煤贫油少气”的能源资源禀赋特征决定了煤炭在能源结构中的主体地位。随着能源转型战略持续推进，传统煤炭产业面临经济效益下滑与低碳转型的双重压力，技术革新迫在眉睫。本文围绕现代煤炭产业绿色低碳与高值化转型，首先聚焦煤炭清洁利用的关键方向，从能源化与资源化利用角度综述相关技术发展现状，为产业低碳化升级提供参考。其次，针对煤炭由“主体能源”向“兜底保障”转变的未来布局，从太阳能与煤炭能源化/资源化耦合利用的角度，探讨以高品质太阳能燃料合成为目标的技术创新路径，旨在开拓煤炭与可再生能源协同发展的高价值模式。基于所提出的“从煤炭清洁利用到太阳能燃料合成”创新发展路径，现有煤炭产业应着力发展超临界/超超临界发电、循环流化床低氮燃烧/富氧燃烧等低碳生产技术，以及碳基高值材料制备、煤基固废再利用等循环经济技术，以提升煤炭在民生与先进材料领域的清洁利用水平。此外，将太阳能热化学等绿色燃料合成技术融入煤炭产业升级，逐步深化可再生能源与煤炭资源的耦合利用，为构建可持续能源体系提供全新助力。面向未来零碳能源发展需求，煤炭产业正着力推进能源利用清洁化、资源利用高值化、新能源耦合系统化等关键方向突破，通过“减碳—固碳—负碳”的全链路产业升级，最终形成支撑能源转型的关键技术体系。

• 电与光驱动绿氢制备技术 原理、挑战与规模化应用路径

  赵晨昊, 冉世骏, 剡雪丽, 邢智涵, 刘茂昌

  氢气作为一种能量密度高、燃烧产物零碳排放的清洁能源载体，在未来能源系统中具有不可替代的核心地位。在全球能源结构转型与“双碳”目标的战略背景下，开发可持续的可再生能源制氢技术是应对能源危机与气候变化的关键路径。然而，当前主流制氢工艺（如蒸汽甲烷重整）高度依赖化石燃料，伴随显著的二氧化碳排放，制约了其环境效益。因此，基于可再生能源（如绿电和光能）驱动的“绿氢”制备技术成为研究焦点。从原理、挑战及规模化潜力视角，系统综述了3类可再生能源制氢技术：① 电解水制氢作为目前最成熟的“绿氢”制备技术，兼具快速启停、负载响应灵活的特点，可适配波动性强的风电、光伏等可再生能源制氢，从而有效实现可再生能源的消纳与储存。电解水制氢包括碱性水电解槽、质子交换膜电解槽、阴离子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽，各具技术特点。其核心瓶颈为高电耗导致的成本问题，与可再生能源耦合被视为降低电力成本的核心路径，随着可再生能源发电成本及电解槽成本的不断降低，绿氢成本有望实现平价。② 光催化分解水制氢可直接利用太阳能驱动水分解，具有理论优势，但面临太阳能–氢能转换效率低的挑战，开发高效、稳定的光催化剂是突破关键。③ 光电化学分解水制氢结合了光化学与电化学分解的优势，潜力巨大，但转换效率仍需大幅提升，开发大面积、高效、稳定且低成本的光电极材料是当前研究的核心任务。此外，3种制氢技术的规模化应用对能源改革起着重要的作用，详细探讨了3种制氢技术的规模化路径。最后，从原料（水）高效活化与利用、过程能耗优化控制、单位产能提升3个维度探讨了技术创新方向，并展望了未来研究重点。当前水分解制氢技术对原料水纯度要求较高，需先经水质预处理，额外增加成本投入；全球淡水资源短缺、地域分布不均，进一步制约了纯水制氢技术的规模化应用。利用大气集水的分布式制氢技术以及直接海水电解制氢技术可从根本上避免该问题。另一方面，降低制氢成本以及提高制氢系统的能量利用效率也至关重要。这些讨论旨在为推动高效、经济、可持续的“绿氢”技术发展提供参考。

• 生物质气化气催化提质研究进展

  陈锐, 徐帅杰, 孟庆延, 许陆瑜, 王天宇, 董新新, 杨宏旻

  生物质能作为碳中性的可再生能源，气化技术是其规模化利用的核心路径之一。生物质气化气催化提质通过组分定向转化和杂质高效脱除，可实现高值化，并具有温度范围宽、产物纯度高、与可再生能源系统易耦合等优点。根据生物质气化气的组成特点，按照H2、合成气(CO+H2)、烃类、CO2以及污染物进行组分切割，系统综述催化技术在包括提纯制氢、合成气组分转化、烃类组分重整、CO2捕集转化以及污染物协同脱除等5类生物质气化气提质路径的研究现状。研究揭示，各类路径均高度依赖催化剂活性相、载体与助剂的协同作用机制。制氢路径中，Ni基催化剂经CeO2/Fe2O3修饰可显著提升抗积碳性能；合成气转化则依据n(H2)/n(CO)比差异，分别适配倾向低碳烯烃的Fe基催化剂与倾向长链烷烃的Co基催化剂；烃类重整聚焦CH4与焦油转化，通过双金属协同与介孔限域效应提升稳定性；CO2捕集虽已形成Ca基、胺基及MOFs三类材料体系，但捕集与转化过程的集成度仍较低；污染物脱除在单一硫、氮化合物处理上效率显著，却缺乏多污染物协同脱除的有效方案。未来研究可聚焦于多功能催化剂理性设计、氧空位与界面效应调控等创新技术路径，以解决处理能力不足、过程集成度偏低、催化剂稳定性差等瓶颈。

• 低阶煤热解过程中硫氮元素迁移特性研究进展

  周安宁, 惠栋, 白状伟, 张致, 逯俊庆, 陈福欣, 赵伟, 刘向荣

  低阶煤中硫、氮元素对其加工、转化和利用有重要影响，清晰认识煤中硫、氮元素的赋存形态、结构以及热转化过程的迁移与调变规律，不仅能减少其对环境的潜在危害，还有望实现将硫、氮元素定向转化为含硫氮元素的化学品或硫氮掺改性的新型碳材料的高值化目标。为此，系统归纳了低阶煤中硫、氮元素的赋存形态，分析了热解气氛、热解温度、催化剂等因素对煤热解产物中含硫、氮化合物的分布特征和迁移路径的影响规律，探讨了随机森林算法、LightGBM等机器学习方法在热解产物预测中的应用。低阶煤中硫元素以有机硫为主，氮元素以吡咯型氮、吡啶型氮、季氮和氧化吡啶氮4类有机氮为主。其中，在镜质组分中含硫、氮官能团分别主要是噻吩、硫醇、硫醚，吡啶、苯腈类；在惰质组分中含硫官能团的存在形态与镜质组相似，含氮官能团则以胺、吡咯类为主。提高热解温度，可促进硫、氮元素分解；升温速率越慢，越有利于有机硫的脱除；升温速率越快，越有利于氮元素向气态产物迁移。H2、水蒸气以及CO2气氛均有利于含硫、氮化合物的分解，其中H2和水蒸气通过提供氢自由基，以攻击杂环芳烃上的硫、氮原子，从而促进其分解；CO2气氛促进了C—S、C—C、C—N键断裂，加速气态含硫、含氮化合物的生成。钙基和铁基催化剂均具有固硫效果，同时能促进氮元素向气相氮转移。在热解过程中，无机硫分解为磁黄铁矿，并进一步与活性氢、CO反应生成H2S和COS等气相产物，未分解部分残留于半焦；有机硫的分解主要是通过C—S键的断裂，断裂后生成的含硫自由基与氢原子或其他供氢体反应，生成H2S和SO2等气相产物，其他含硫基团则相互聚合或与芳香环结合形成多环含硫芳烃，迁移至焦油和半焦中。热解气中氮元素来源于吡啶、喹啉等含氮杂环的开环反应，焦油中氮元素来源于吡啶类、吡咯类等杂环化合物的脱除与重组，而高稳定性的有机氮保留在半焦中。采用袋外估计方法对随机森林算法超参数进行优化，使得该模型对萘苯并噻吩的预测偏差低至0.11%；基于原煤物性参数构建的LightGBM模型，对形态硫的预测精度达到0.91，进一步引入Hyperopt进行超参数优化后，不仅计算耗时缩短60%，还将模型预测精度提升至0.96。综上，明晰低阶煤在热解过程中硫、氮的迁移转化特性与机理，采用机器学习方法构建多源特征参数输入的预测模型，对于煤中含硫和含氮结构单元的定向转化、高值利用和污染物减排技术发展具有重要理论和实际指导价值。

• 硅铝比调控Cu-ZSM-5催化甲烷高效制甲醇作用机制

  申雨鑫, 杨臣, 喻川, 颜颖, 蒲允涵, 付名利

  为在温和条件下高效资源化利用煤层气中甲烷，系统探究了硅铝物质的量比（简称“硅铝比”）对Cu-ZSM-5催化剂结构及其催化甲烷选择性氧化制甲醇性能的调控机制。通过湿浸渍法制备了不同硅铝比的Cu-ZSM-5-X（CZX）催化剂系列，并采用X射线衍射（XRD）、N2吸附–脱附、X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）等一系列表征手段，对催化剂理化性质进行深入解析。研究结果揭示，硅铝比是影响铜物种价态分布的关键因素，其中CZ50（实测硅铝比为44.58）催化剂富集了最高比例的Cu+活性位点，且铜物种在分子筛载体上呈高度分散状态。在70℃、3 MPa CH4、以0.5 mol/L H2O2为氧化剂的反应条件下，CZ50表现出最优的催化性能，甲醇产率高达46.46 mmol/(g·h)，选择性达到86.22%，其性能显著优于其他硅铝比催化剂。机理研究表明，Cu+位点能高效活化H2O2产生·OH自由基，进而攻击甲烷分子生成关键的·CH3中间体。结合原位红外光谱与自由基淬灭试验证明CZ50催化剂因其独特的电子结构能有效稳定该甲基中间体，从而抑制其深度氧化为CO2等副产物，最终实现甲醇的高选择性合成。通过精准调控分子筛载体的“硅铝比”这一关键参数，揭示了其对活性中心铜物种价态的决定性作用，并成功富集了高效稳定的Cu+活性位点，从而在温和条件下实现了甲烷到甲醇的高效、高选择性转化。所优化的CZ50催化剂在温和条件下实现了远超同类文献报道的甲醇产率，这标志着在实现甲烷直接转化这一“催化圣杯”过程的实用化道路上迈出了关键一步，为开发高效、稳定的非贵金属甲烷转化催化剂提供了新的设计思路和坚实的理论依据。

• 二甲醚羰基化反应用分子筛催化剂研究进展

  宋昊, 张涛, 黄礼智, 杨国辉

  含碳资源以合成气为枢纽经二甲醚羰基化合成乙酸甲酯。乙酸甲酯加氢制备乙醇工艺路线反应条件温和，催化剂成本低廉且易于制备，是实现包括煤炭在内的诸多含碳资源清洁高效利用，特别是推动煤炭向高价值化学品转变的重要途径。二甲醚羰基化反应为该工艺的核心步骤，分子筛催化剂在二甲醚羰基化反应中的应用得到广泛关注。综述了分子筛催化剂在二甲醚羰基化反应上的反应路线与失活机理研究进展，讨论了不同分子筛，特别是丝光沸石，在二甲醚羰基化反应中的应用，明确了分子筛催化剂的活性位点。基于对反应路径、失活机理与活性位点的理解，进一步梳理了分子筛催化剂的改性策略。这些策略主要围绕以下目标展开：精确调控活性中心的数量与空间分布，有效抑制导致积炭的酸性位点，以及通过优化晶体尺寸或孔道结构以提高反应传质效率。具体内容主要涉及酸性位点调控与微结构调控，并总结了与之相关的催化剂再生行为、制备条件优化及成型技术的研究成果。最后，基于现有研究成果的总结，对分子筛催化剂在二甲醚羰基化反应中存在的问题及未来研究方向进行展望。

• 含铬污染物治理与修复及铬资源循环利用研究进展

  王萌, 王亚文, 孙秋红, 王玉君, 王若愚, 李洋, 高娃, 赵宇飞

  铬及其化合物作为重要的化学原料，广泛应用于电镀、皮革鞣制及催化等多个工业领域。然而，随着工业的快速发展，铬污染已成为重要的环境问题之一，铬(Ⅵ)具有较强毒性，可通过呼吸道、消化道及皮肤等途径被人体吸收，危害健康。因此，亟需对铬污染进行有效的治理与修复。目前，含铬废水的治理方法主要包括物理法、化学法和生物法，旨在有效去除或转化体系中的铬离子，从而降低其对环境和人类健康的潜在危害。Cr(Ⅲ)虽为相对稳定形态，但在特定条件下可能转化为毒性更强的Cr(Ⅵ)，因此其治理与修复同样具有重要的环境意义。而对于含铬固废的处理，则主要采用稳定化、热处理以及资源化利用等方式，其处理效果受铬的价态等多重因素影响。近年来研究发现，利用层状双金属氢氧化物（LDHs）材料可通过同晶取代将重金属铬离子固定，形成更稳定的超稳矿化结构，从而显著降低其在环境中的迁移性和生物有效性，为水体和土壤修复提供了新途径。此外，开发低毒性或无铬替代材料亦被视为重要方向，部分过渡金属在电镀、皮革鞣制及催化等领域已展现出一定的替代潜力。值得注意的是，LDHs在铬资源替代方面也表现出应用优势，如在耐腐蚀涂层及传统催化等领域展现出良好的发展前景。系统总结了目前针对含铬废水/固废的主要处理技术及其优缺点，并且介绍了铬资源回收与替代策略的研究进展，为未来含铬污染治理提供理论支撑和技术参考。