洁净煤技术杂志

洁净煤技术杂志2026年第3期

• 耦合相变热管理的大容量固态储氢装置氢−热传输强化机理

  王晓龙, 郭天磊, 陈明浩, 曹红梅, 朱世铭, 时德泰, 王炳莉, 朱鹏飞, 吴震

  利用相变材料对固态储氢装置进行热管理可以充分利用储释氢过程热量，并且可以使换热系统更加轻便紧凑。但以往相变材料均采用环绕式布局，存在径向热阻大，难以应用于大容量固态储氢装置等缺点。基于此，针对千克级储氢量的固态储氢装置，提出了一种耦合相变换热的管壳式材料装填结构，并构建了其氢-热耦合传输多物理场模型，系统研究了储氢材料空间布局、操作参数及物性参数对储氢性能的影响。结果表明：MH布置在管程时可显著增加有效换热面积并实现金属氢化物的均匀填充，吸/放氢速率优于MH布置在壳程的设计。降低工作压力或提高相变材料的相变温度可以加快放氢反应速率。而提高工作压力则是加速吸氢反应的有效手段；提升金属氢化物床层导热系数和相变材料的固态（放氢时）与液态（吸氢时）导热系数可强化传热，有助于提升反应器的吸放氢性能。本研究提出的耦合相变热管理的管壳式固态储氢装置结构，可为开发高效、紧凑的大容量固态储氢反应器提供理论指导，促进其工程应用。

• 基于ReaxFF-MD模拟的木质素−Fe基载氧体−水蒸气体系的化学链气化特性

  穆林, 李延宇, 孙萌, 王震, 尚妍, 东明

  化学链气化技术是一种新兴的能源转化技术，具有重要的研究和应用价值，近年来随着清洁能源需求的增加，该技术在生物质和煤炭气化领域的研究逐渐深入。为探索木质素在铁基载氧体作用下的化学链气化反应机理及过程，采用ReaxFF-MD模拟方法，以Fe2O3为载氧体对木质素化学链气化过程进行模拟。结果表明：Fe2O3不仅可以促进木质素的热解，而且能够提供晶格氧加强焦油和焦炭的裂解转化；提高温度可以增加CO和H2的产量，提高木质素的热解气化效率；载氧体与生物质物质的量比的增大可以促进CO的生成，获得高产率的合成气。当两者的物质的量比为2.5时，合成气产率最大，为47.65%。为探究生物质组分变化的影响，以Fe2O3为载氧体对纤维素与木质素共存体系进行化学链气化模拟，结果表明：当纤维素与木质素物质的量比为3∶7时，体系拥有最大的合成气产率33.97%，此时的合成气热值更高。此外，对比尖晶石NiFe2O4和Fe2O3性能发现，NiFe2O4能够为木质素化学链气化过程提供更多的晶格氧，不仅能够提高氢气的产率，有利于木质素向合成气的高效清洁转化，也能够提高碳转化率，满足当前减碳排放的目标要求。

• 化学链合成氨研究进展与现状

  刘文文, 郭拓, 孙梦娟, 李滨, 郭庆杰, 吴佩璇

  氨作为氮肥工业的核心原料与极具潜力的无碳能源载体，其高效、低碳合成对保障粮食安全与能源转型具有重要意义。传统哈伯−博施工艺虽成熟高效，但依赖于化石能源、能耗极高，且需在高温高压（400～500 ℃、10～25 MPa）的苛刻条件下运行，伴随大量碳排放。在“双碳”目标背景下，开发能够与可再生能源耦合、在温和条件下运行的绿色合成氨技术势在必行。化学链合成氨（Chemical Looping Ammonia Synthesis，CLAS）技术通过将总反应解耦为“固氮”与“氢化”2个独立步骤，巧妙地规避了传统工艺中氮气与氢气的竞争吸附以及热力学平衡限制，为实现常压、中低温条件下的绿氨合成提供了革命性路径。系统聚焦于以氢气为氢源的化学链合成氨（H2-CLAS）技术的最新研究进展。阐述了化学链合成氨技术的基本原理与分类，详细比较了H2O-CLAS与H2-CLAS两种技术路线的优劣，内容围绕H2-CLAS技术的核心——载氮体展开。系统梳理了两大类主要载氮体：碱/碱土金属氢化物−亚氨化物体系（如LiH/Li2NH、BaH2/BaNH）、过渡金属氮化物体系（如Mn4N、Mo2N、Co3Mo3N）。重点总结了四大优化策略：金属掺杂：引入Fe、Ni、Co等过渡金属可有效调节金属氮键强度，降低氮空位形成能，从而显著提升反应动力学与氨产率；构建复合载氮体：将过渡金属与碱土金属结合或设计双/多金属氮化物，利用多组分协同效应优化电子结构，开辟新的温和反应路径；载体改性：采用Al2O3、ZSM-5等多孔载体分散活性组分，增强结构稳定性与氮气吸附能力；外场强化：集成微波、等离子体、光、电等外场能量，通过选择性加热、产生高活性物种、改变反应路径等方式，进一步降低反应温度与能耗，提高能效。展望了H2-CLAS技术未来迈向产业化所需攻克的关键方向。总之，化学合成氨技术作为一种能够与可再生能源电力灵活匹配的分布式制氨方案，代表了绿氨合成的未来重要发展方向。通过跨学科的材料创新、机理探究与工程放大，该技术有望突破传统合成氨的热力学与能耗瓶颈，为农业与能源领域的深度脱碳提供关键技术支持。

• 市政污泥气化过程富铁污泥灰与Fe-Al载氧体协同载氧特性

  袁晓颖, 杨宁宁, 朱君豪, 李子阳, 王翠苹

  针对Fe-Al载氧体在污泥化学链气化过程中易出现铁相富集、循环性能衰减快、且难以兼顾稳定性与低成本的问题，提出了利用富铁污泥灰（IRSA）与Fe-Al载氧体的协同作用以提升其载氧性能与循环稳定性。通过在鼓泡流化床实验系统中，对污泥进行连续6次的气化−载氧体再生循环试验，比较分析了Fe-Al载氧体、IRSA及二者等比例混合物（Fe1Ash1）这3种不同载氧体的性能差异，重点考察了其对合成气组成品质、载氧体自身物相结构与微观形貌演变以及积碳行为的影响规律。试验结果表明：Fe1Ash1展现出最优的催化污泥气化性能，其对应的合成气热值稳定在16 ~ 19 MJ/m3的较高区间，同时合成气中CO2的体积分数显著降低，H2与CO的选择性提升，这表明Fe1Ash1在促进污泥部分氧化反应和烃类重整反应方面具有更佳的催化功能与反应路径选择性；XRD与SEM分析表明，IRSA的加入有效抑制了Fe物种的迁移团聚与Fe2C的生成，缓解了载氧体的烧结现象；BET测试结果显示Fe1Ash1在多次循环后仍能保留相对丰富的孔隙结构，这为反应传质提供了良好基础。此外，气化后污泥残渣仍具备一定的释氧能力，证实了污泥气化过程中载氧体具备“自更新”潜力。研究为富铁污泥化学链气化中低成本、可更新载氧体的开发提供了试验依据与机理支撑，对推动污泥资源化、低碳化处理及化学链气化技术的工程应用具有参考价值。

• KOH改性活性炭与炭黑协同催化甲烷裂解制氢及积碳特征分析

  王晨凯, 杨丽, 徐浩轩, 李莹, 刘方

  为构建高效、可规模化的非金属催化甲烷裂解制氢体系并实现氢气与高附加值固体碳材料协同产出，以活性炭（AC）为基体，构建KOH改性活性炭与炭黑（CB）负载复合催化剂，系统研究了KOH质量分数、脱钾处理及炭黑负载对甲烷裂解性能及碳产物结构的影响。采用KOH活化调控孔结构与缺陷位点，结合超声分散实现炭黑负载与界面耦合，进一步通过2轮超声水洗制备脱钾对照样品；在固定床石英管反应器中于950 ℃条件下评价甲烷裂解性能，结合XRD、FTIR、BET及SEM/TEM等表征解析催化剂材料结构演化与积碳形貌。结果表明：KOH改性可显著提升催化活性，刻蚀/活化引入的缺陷、边缘位点与孔结构重构为CH4初始吸附与裂解提供更多反应位点；脱钾后比表面积虽增大，但转化率明显下降，说明残留K物种并非仅通过孔结构贡献活性，而在CH4活化中发挥关键化学促进作用，通过增强碳表面极性/碱性特征并调控局部电子环境促进初始C—H断裂。炭黑负载虽使初始活性略有下降，但整体性能仍优于未改性样品，其中炭黑负载6 h时催化剂50 min转化率约30%，高于2 h组的27%；形貌表征显示复合体系反应后形成管径约50 nm的丝状/管状碳（类CNT），可部分替代块状无序积碳并缓解孔口快速堵塞。研究揭示了“KOH刻蚀–K物种–炭黑导电”协同调控孔结构与碳沉积形貌的机制，实现了甲烷制氢与高附加值碳材料共生产。

• 钙基材料增强生物质气化制氢及氮硫转化特性模拟

  章义燃, 闫宪尧, 楚化强

  生物质作为一种丰富的可再生及碳中性能源，在热化学制氢领域具有巨大潜力，但传统蒸汽气化过程普遍存在氢气产率不高、CO2排放较大以及含氮含硫污染物难控制等问题。钙基材料CO2捕集增强生物质气化制氢技术利用钙基材料的原位脱碳，可有效提高氢气浓度及产量。为提升生物质气化制氢并揭示该过程中的氮硫转化特性，研究以高氮高硫海洋生物质浒苔为原料，基于Aspen Plus模拟平台，构建了耦合CaO碳酸化−煅烧循环的热力学模型，考察了CaO吸收剂对气化过程中CO2捕集及其对水气变换反应平衡的调控作用。系统分析了反应温度、蒸汽/生物质质量比（m（S）∶m（B））和钙/碳物质的量比（n（Ca）∶n（C））对气体产物组成、碳转化率、合成气热值及氮硫转化特性的影响。结果表明，通过参数优化，在气化温度为800～850 ℃、蒸汽/生物质质量比（m（S）∶m（B））为0.6～0.8、钙/碳物质的量比（n（Ca）∶n（C））为1.5～2.0最佳工况下，可实现H2/CO物质的量比超过3.5，碳转化率高于94%，合成气低位热值达11.8～12.1 MJ/m3的多目标平衡，同时钙基材料通过化学吸附与催化转化双重机制，有效调控氮硫迁移路径NH3和HCN总量低于35×10−5，N2选择性超85%，H2S脱除率达96%以上，硫主要以CaS形式固化，污染物排放大幅降低。该研究为高氮高硫海洋生物质气化制氢的工业应用提供了理论基础和工艺优化路径，推动低碳制氢与高效碳捕集技术的发展。

• 两段反应器污泥气化过程污泥灰载氧特性

  姚晟, 王肖然, 王坤, 胡晚霞, 宋嘉辉, 王翠苹

  为实现污泥高效资源化处置，以污泥焚烧灰（SA）为床料，在两段式反应器中探究其在污泥气化过程中的载氧性能及作用机制。通过改变两段式反应器中SA的布置、反应器形式及温度梯度，结合TGA、气相色谱和XRD分析，研究SA载氧特性演变及对气化效率的影响。结果表明：SA在TGA中H2/Air气氛切换的首次循环释氧和得氧达15.9%，3次循环后稳定在12%，而在CO/Air多循环后载氧率降至2.3%，其载氧机制为Fe2O3与Fe的还原–氧化。在两段反应器气化实验中，流化状态强化气固传质，合成气中H2、CO占比及碳转化率优于固定床，两段布置SA的流化床性能最优，反应后期H2和CO占比达79.5%，碳转化率因两段载氧体协同CH4氧化与焦油裂解达到峰值；下段600 ℃降低SA晶格氧释放，导致载氧性能劣于850 ℃工况。

• 浸渍层溶液燃烧合成应用于太阳能直接煅烧的CaO基CO2吸附剂

  熊韵涵, 李晓慧, 石祎, 姜龙, 周子健, 孙健

  钙循环（CaL）碳捕集技术因CaO吸附剂理论吸附容量高、原料成本低廉且来源广泛等优势，具有广阔的应用前景。然而，传统CaL系统采用的煤粉掺燃煅烧方式，易导致煤源杂质组分与活性CaO发生交互反应，造成CaO基吸附剂失活。采用聚光太阳能直接煅烧替代煤粉掺燃，可有效规避煤源杂质对CaO基吸附剂的负面影响，但该模式下吸附剂需同时具备优良的CO2循环吸附稳定性与优异的光谱吸收特性。通过浸渍层模板辅助燃烧合成法制备Mn负载CaO基吸附剂，重点探究燃烧合成温度、浸渍层模板种类及Mn载体添加比例对吸附剂CO2循环吸附性能的影响。结果表明，以脱脂棉为浸渍层模板时，所制备吸附剂因孔隙结构改善，在17次循环中CO2最高捕集量达0.380 g/g。燃烧合成温度对吸附剂CO2捕集性能影响显著，750 ℃下制备的CaO基吸附剂具有疏松多孔结构，可有效避免吸附剂过度烧结并抑制CaCO3相原位生成，故750 ℃为理想的燃烧合成及煅烧温度。Mn负载CaO基吸附剂中，Ca2MnO4晶粒均匀分布，显著抑制了高温循环过程中吸附剂的烧结效应，进而提升其吸附性能，其中质量分数为15%的Mn负载比例下CaO基吸附剂表现出优异的CO2循环吸附性能和较高的平均太阳光谱吸收率（约41%）。综合分析表明，以脱脂棉为浸渍层模板、750 ℃下直接燃烧合成的质量分数为15% Mn负载的CaO基吸附剂，是CaL碳捕集系统的潜在优良吸附剂选择。

• 10 MW煤化学链燃烧反应器一维快速模拟及参数优化

  陆杰, 陶冶, 陈曦, 童永祺, 赵海波

  化学链燃烧是一种具有内在CO2分离优势的新型低碳燃烧技术，但其大型化反应器的设计与运行优化仍面临挑战。为此，本研究对自行设计的10 MW煤化学链燃烧双循环流化床反应器系统进行了燃料反应器（FR）−空气反应器（AR）互联的一维降阶模拟。首先通过一维模拟揭示了两反应器内的气固流动状态、化学反应状态以及反应器内的气固温度分布。并进一步阐明了双反应器互联下的稳态运行特性：在FR中，密相区的气固传质速率是限制燃料转化的关键因素，而稀相区氧载体体积分数的快速衰减导致了可燃气逃逸；在AR中，独特的气体逆向溢流机制显著强化了密相区的氧化反应。系统在基准工况下可实现95 kg/s的固体循环流量，获得95.3%的燃烧效率，但受焦炭转化程度限制，碳捕集率仅为67.6%。随后，详细分析了燃料反应器温度、燃料反应器内床料量、炭分离器效率及氧燃比对反应器性能的影响。结果表明：提高燃料反应器温度和炭分离器效率能有效提高系统性能，增加燃料反应器床料量虽有正面效应但其对反应器性能的提升作用会随稀相区高度减小而逐渐减弱，增大氧燃比对碳捕集不利。灵敏性分析结果表明：燃料反应器温度是影响燃烧效率最关键的参数，炭分离器效率对碳捕集率的贡献最大。基于上述发现，对于该反应器的优化方向如下：将炭分离器效率提升至95%以上，同时应在材料安全范围内尽可能提高FR操作温度。

• 化学链合成氨载氮体研究进展

  程星源, 王凡, 张萌, 刘蕊, 吴烨, 刘冬

  氨是重要的化工原料和潜在无碳燃料，在能源储运中优势突出。然而，当今工业合成氨仍主要依赖沿用百年的Haber-Bosch工艺，但其高温高压的反应条件和对化石能源的高度依赖，导致巨大能耗和CO2排放。开发温和条件下的绿色合成氨工艺成为迫切需求。近年来，化学链合成氨（CLAS）工艺逐渐引起重视，该工艺将氨合成反应解耦为氮化和氨化2个链式循环反应，通过载氮体传递活性氮，从而突破传统合成氨工艺的热力学与动力学间的矛盾。载氮体材料是CLAS的核心，其在循环中承担氮的固定与迁移，但目前常用载氮体存在固氮容量和速率偏低等问题，限制了CLAS性能发挥。本文通过氢源不同进行分类，从载氮体使用方面对载氮体的发展展开综述，发现高熵载氮体的引入可有效改善传统载氮体反应活性差、载氮能力不足的问题。然而，对高熵载氮体多元金属协同形成的复杂化学空间进行针对性调控也极具挑战，其组成和结构对性能的影响规律难以用经验直观把握，传统“试凑法”开发周期漫长，且需防范多相分离、活性中心不明等问题。目前亟须系统的设计理论指导高熵载氮体的开发，以平衡多元素组合的稳定性与活性。未来采用基于机器学习的高熵载氮体精准调控设计策略为高性能化学链合成氨载氮体的开发提供了新思路。

• Mg/Al负载CaO基吸附剂制备工艺及循环捕集CO2研究进展

  谭德民, 申昊, 胡镜平, 赵晗羽, 胡天骄, 尹鹏祥, 孙荣岳

  从火力发电厂等大宗排放源捕集CO2对于缓解温室效应、气候变暖等问题具有重要意义。CaO基吸附剂是循环捕集CO2的常用吸附剂之一，因其成本低廉，理论吸附容量大，从而工业化应用前景非常广阔。但随着酸化/煅烧循环次数的增加，CaO颗粒发生团聚，吸附剂比表面积变小，导致孔道坍塌，孔隙减少，同时生成的CaCO3会包覆于CaO晶粒表面，阻碍CO2分子向吸附剂内部活性位点扩散，CaO基吸附剂捕集能力则快速衰减，严重制约钙循环技术的规模化推广。因此，提升CaO基吸附剂抗烧结性能、延长其循环使用寿命成为研究热点与技术瓶颈。向天然钙基吸附剂中负载Mg和Al等惰性材料，能有效缓解因高温烧结导致CaO基吸附剂反应活性衰减问题。基于Mg、Al惰性负载钙基吸附剂国内外研究现状，论述了钙基吸附剂循环捕集CO2工艺流程和烧结机理，综述了合成原料和方法对复合钙基吸附剂循环反应活性的影响规律。各种合成方法具有不同优势性能，利用溶胶凝胶法制备的吸附剂颗粒分散均匀，反应活性高，但制备工艺复杂，吸附剂成本较高。共沉淀法、湿浸渍法等物理混合法虽然制备工艺简单，但惰性负载在吸附剂中分散性差，对提升吸附剂反应活性程度有限。相比之下，燃烧合成法和模板法制备工艺相对简单，并且具有较高的CO2捕集活性，是惰性负载钙基吸附剂行之有效的合成方法。与单负载钙基吸附剂相比，Mg/Al二元负载通过协同作用进一步优化了吸附剂性能，Mg与Al反应生成MgAl2O4尖晶石结构，构建了更稳定的惰性骨架，且减少钙铝酸盐的无效形成，提高活性CaO利用率，更进一步提升吸附剂的捕集能力及循环稳定性。如何确定最佳的合成方法以及合成参数是今后惰性负载钙基吸附剂制备时的研究重点。一方面，将试验环境向实际应用场景靠近，以探究惰性负载在复杂环境中对吸附剂性能的影响规律。另一方面，聚焦二元及以上多元负载，探明多元负载协同作用机制与负载阈值、优化制备工艺参数、探索天然低成本前驱体，推动吸附剂向实际应用场景靠拢，实现性能与经济效益的平衡是未来重要发展方向。

• 骨架结构与碳复合共调控提升催化剂对CO2的吸附与催化转化

  刘心茹, 徐怡翎, 聂乐愉, 余微微, 夏凯, 陈照军, 孙德帅

  工业烟气中CO2捕获与一体化催化转化是当前的研究热点，金属有机骨架(MOFs)材料在CO2吸附分离领域得到了广泛应用。为了改善铜基金属有机骨架吸附催化剂的耐水稳定性，采用模板剂（AspCuTEA）调控MOFs合成。使用AspCuTEA与碳气凝胶（CCA）复合共调控复合吸附催化剂（AspCuTEA-CCA）结构，提升CO2吸附与催化转化性能。在循环固定床中，AspCuTEA-CCA用于CO2吸附分离后，直接与环氧氯丙烷进行环加成反应制备环状碳酸酯。吸附结果表明：AspCuTEA-CCA对纯CO2和15%CO2的饱和吸附量达到386和198 mg/g，在少量水存在的情况下能促进CO2的吸收。吸附后的CO2直接催化转化为环状碳酸酯的转化率达到93.6%。10次吸脱附循环和3次的催化转化循环不影响AspCuTEA-CCA结构，AspCuTEA-CCA表现出了良好的结构稳定性和吸附催化稳定性，具有工业化应用的潜力。

• 淮南煤田富油煤赋存规律与开发利用潜力

  詹润, 张文永, 韩锋, 孙贵, 徐创业, 刘桂建

  富油煤兼具“煤、油、气”多重资源属性特征，清洁高效开发富油煤对优化能源产业结构具有重要的战略意义。安徽省淮南煤田富油煤资源储量丰富且煤质优良，是华东地区最具开发潜力的富油煤产地。为全面系统认识研究区富油煤赋存规律与开发利用前景，通过大量采样测试，利用显微煤岩分析、工业指标与低温干馏测试分析、元素分析、煤相分析、综合制图等手段，揭示了富油煤焦油产率变化的时空分布规律、控制因素及其成煤环境。结果表明：富油煤焦油产率受煤岩物质组成、变质程度、成煤环境影响较大，与煤中镜质组体积分数及氢元素、挥发分、CaO−MgO和Fe2O3−SO3质量分数呈正相关性，与煤灰分和SiO2−Al2O3质量分数呈负相关性。本区富油煤变质程度属中煤阶Ⅱ、Ⅲ型，Rmax为0.68%~1.06%，最佳产烃为0.68%~0.95%，主要形成于三角洲平原下的潮湿森林沼泽相，聚煤期覆水还原程度较强。各矿区煤层富油煤焦油产率变化平均值为9.56%~11.58%，焦油产率空间上具有“南低北高”“中部高、东部低、西部中等”的分布特点，上石盒子组13-1与11-2煤层是富油煤最有利开发层段。采用地质块段法分类估算了富油煤资源潜力，1 500 m以浅富油煤资源量约为163.36亿t，高油煤30.81亿t，煤制油气潜力较大。基于现阶段煤炭利用现状，从“地面”和“地下”角度，提出通过热电、焦化、气化技术改造升级与钻孔、井下原位热解，可实现富油煤绿色、低碳化利用。

• 磺化石墨烯气凝胶的制备及对醇胺的吸附性能研究

  黄锦程, 孟祥桐, 赵渊, 孟德昌, 王文磊, 邱介山

  在煤化工行业，醇胺可作为有效萃取煤焦油中酚类化合物的溶剂，但萃取剂的氨基（—NH2）和酚羟基之间易形成氢键，导致部分有机胺残留在酚油中。因此，开发高效、稳定的固体吸附剂，去除酚油中残留的胺类萃取剂是极为必要的。以氧化石墨烯和对氨基苯磺酸重氮盐为原料、乙二胺为交联剂，经过水热反应和冷冻干燥制备了一种可压缩、易回弹的磺化石墨烯气凝胶（SGA），并作为去除酚油中残留有机胺的吸附剂。通过强吸电子效应的磺酸基（—SO3H）将—NH2固相吸附。FT−IR和元素分析结果证实，磺化策略能够在石墨烯表面有效引入—SO3H，且其含量可调控；氮气吸脱附测试结果表明，SGA的平均孔径为12~14 nm，其较大的介孔结构有利于粗酚油的吸附贮存。饱和吸附试验结果表明，SGA对粗酚油的平均吸附量为100 g/g。吸附试验结果表明，当氧化石墨烯和对氨基苯磺酸重氮盐的质量比为1∶3时，在180 ℃下水热反应12 h制备的磺化石墨烯气凝胶（SGA2），对酚油中残留醇胺的吸附效果较好，酚组分质量分数由69.02%提升至76.41%（吸附醇胺后）。对SGA2进行20 min氧等离子体处理后，其在50 ℃时对醇胺吸附效果达到最高，酚组分质量分数进一步提升至79.89%。SGA2展现出较好的醇胺吸附性能，为高效碳基吸附剂的制备提供了理论支撑。

• 铜基催化剂载体组成（MZr4O2）对CO2加氢制甲醇活性影响

  黄振辉, 黄浩, 陈志远, 艾兆, 彭一帆, 纳薇, 高文桂

  二氧化碳加氢制甲醇，不仅能够实现碳排放的控制，还可以减少化石能源的消耗，是实现CO2资源化利用的有效途径之一。铜基催化剂在高温、高压下能够催化CO2加氢转化为甲醇，但传统铜基催化剂存在CO2活化能力弱、目标产物甲醇选择性低、氧化物负载的活性铜物种稳定性差等问题，因此高效、稳定的新型铜基催化剂开发是CO2加氢合成甲醇反应中的重要研究内容。基于此，制备了4种不同的锆基双金属氧化物为载体的铜基催化剂，分别为Cu/TiZr4O2、Cu/ZnZr4O2、Cu/GaZr4O2和Cu/CeZr4O2，并进行了CO2加氢合成甲醇试验。结果表明：以TiZr4O2氧化物为载体的Cu/TiZr4O2催化剂具有良好的催化活性。表征分析表明，H2还原后的Cu/TiZr4O2催化剂表面具有大量的不饱和Cu物种（Cu0），与丰富的氧空位和表面碱性位点相结合，促进了CO2和H2的吸附和活化。较小的Cu粒径、较大的Cu比表面积和分散度共同促进了H2的活化。优异的物理化学性质使得Cu/TiZr4O2催化剂表现出良好的催化活性。此外，反应机理结果表明甲酸盐物种是Cu/TiZr4O2催化剂催化CO2加氢合成甲醇的关键中间体。

• 煤直接液化溶剂典型稠环芳烃的加氢反应动力学

  马晨阳, 党涛群, 王兴宝

  稠环芳烃是煤直接液化溶剂的重要组分，研究其加氢的反应行为对提高煤直接液化溶剂的供氢性能具有重要意义。研究了不同反应条件下，煤液化溶剂组分中的萘和菲在NiMo/γ-Al2O3催化剂作用下的加氢反应产物分布。基于Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson竞争吸附理论，采用Arrhenius和van’t Hoff再参数化的形式进行回归分析，建立了萘和菲单组分加氢与共加氢2种不同反应体系的动力学模型。模型中所求参数包含指前因子、反应活化能以及描述反应物在催化剂上吸附行为的吸附熵与吸附焓，参数具有统计学与热力学一致性，能够较好地描述萘和菲共存体系下加氢反应的行为。通过对试验结果与模型参数对比分析，发现催化剂对反应物的吸附熵值与吸附焓值与反应物结构中包含的芳环数目呈正相关，化合物结构中芳环越多，其在催化剂上的吸附能力就越强。萘和菲加氢时遵循逐环加氢原则，其中菲加氢时端环加氢反应性大于中间环，反应过程中菲易生成四氢菲，进而生成不对称八氢菲。在萘和菲混合共加氢过程中，反应物在催化剂活性位点上的竞争吸附会改变其在催化剂上的吸附熵，从而影响加氢反应的速率，导致部分加氢产物的产率增加。

• 镁基固态储氢材料宏量制备关键装备研制

  宋飞飞, 郑越, 孙启明, 李昱, 李宗书, 赵阳, 王彦皓, 张倩倩

  氢能是一种绿色能源，被誉为人类的“终极能源”。氢能的关键在于储氢，在众多储氢方式中，镁基固态储氢具有储氢密度高、可逆性好、安全性高、环境友好等优点，是最具大规模推广应用前景的储氢材料之一。因其制备工艺苛刻，安全生产风险高，目前，国内外大部分研发机构采用高压气体吸附仪器制备镁基固态储氢材料，该设备批次产量为克级，无法满足工业化宏量制备的需求。工业化宏量制备装备研制技术指标要求高，需严格控制氢脆、氢腐蚀、氢气泄漏、氢气爆炸、镁粉着火、镁粉爆炸等安全风险，因此对镁基固态储氢材料反应原理进行分析，对设备部件结构及材料进行详细设计和论证，有效控制高温高压下氢气对设备结构件的氢脆和氢腐蚀作用。研制非标专用安全装置，设置惰性气体保护功能和冗余安全联锁控制措施等，有效控制反应放热量大、氢气泄漏、镁基粉末着火等安全风险。通过以上措施，保证了装备的安全可靠性，满足了宏量制备镁基固态储氢材料的反应要求，最终研制出首台套宏量制备镁基固态储氢材料的关键装备，并制备出储氢性能优异的镁基固态储氢材料，为后续大规模批量化制备奠定了基础。

• 蓄热式熔铝炉能耗分析与氮氧化物排放特性

  席礼阳, 梁斯宇, 黄璞, 徐顺塔, 秦超, 涂垚杰, 张世红, 刘豪

  熔铝炉是铝加工过程中能耗和污染排放最高的设备之一。已有的熔铝炉节能降耗方面的研究主要聚焦于燃烧方式、运行参数、炉衬保温性能、控制策略优化等方面；然而关于蓄热式熔铝炉的实际运行热效率数据和熔炼周期中烟气污染物排放浓度变化规律报道甚少。鉴于此，在某25 t蓄热式熔铝炉上开展了现场烟气成分和热平衡测试，并进行物料平衡和热平衡计算，分析了熔铝炉单个熔炼周期内质流分布、热流分布、吨铝天然气耗量，探讨了熔铝炉的热效率与各项热损失的占比，获得了不同升温阶段下烟气NO质量浓度的变化规律与排放特性，找出影响熔铝炉运行经济性的主要因素，进一步明确了节能减排的方向与途径。结果表明：该熔铝炉的热效率为62.48%，吨铝天然气耗量为72.1 m3/t，系统主要的热损失为炉体及管道热损失和散热风损失，分别占总输出热的14.24%和11.98%；灰渣带出物理热占总输出热的比重不大，但烧损及杂质会降低铝液的输出质量；可通过缩短熔炼时间、减少冷却风在非点火时间的通入量、减少炉门开启次数等措施降低熔铝炉的能耗。在铝熔炼点火熔炼周期内，炉膛温度处于800 ℃以上的时间占总熔炼时间的90%左右，NO排放质量浓度长时间处于600 mg/m3以上；当炉膛温度达到最高1 050℃时，NO排放质量分数也相应升至最高，排放峰值高达1 197.0 mg/m3，严重超出已有排放标准；可通过优化燃烧器结构、优化运行参数和应用新型无焰燃烧技术等措施降低NO排放质量浓度。

• 堆积尺寸与颗粒大小对玉米秸秆自加热特性影响的试验研究

  韩磊, 闫泓池, 周福, 陈鑫科, 彭志福, 马仑, 马启磊, 方庆艳

  秸秆生物质是燃煤电厂重要的低碳替代燃料之一，在储存过程中存在自加热现象，可引发自燃甚至火灾事故。除水分之外，堆积尺寸与颗粒大小对其自加热特性也有重要影响。设计搭建了3 L泡沫罐和120 L泡沫箱作为生物质自加热试验装置，以粒径为2 mm的粉末状和长度10~15 cm的原始杆状玉米秸秆样品为试验对象，开展了自加热特性试验，并与3 L杜瓦罐的试验进行了对比分析。结果表明：容积更大的120 L泡沫箱加装保温棉装置温度下降幅度最小，保温性能最好。生物质堆积尺寸对自加热特性有明显影响，堆积尺寸越大，其源于微生物活动引发的自加热效应越显著；无论是粉状还是杆状玉米秸秆样品，从温度上升速率、峰值温度，以及下降平稳温度方面而言，容积更大的120 L泡沫箱加装保温棉装置试验中的自加热效应都更加显著，更有利于监测分析玉米秸秆的自加热现象。生物质颗粒大小对自加热特性也有明显影响，颗粒增大，自加热效应减弱。相比于玉米秸秆的粉状样品，杆状样品由于更小的表面积和更大的孔隙率，自加热峰值温度较低，但其在检测期内的温度下降趋势更平缓，稳定温度更高。

• 燃煤机组深度调峰脱硝性能提升技术分析

  李月娥, 吴彦丽, 郑立星, 闫高程, 张勇

  燃煤机组深度调峰时长期处于低负荷运行工况，导致烟气温度偏离脱硝装置正常工作区间，出现NOx超标排放问题。对燃煤机组的宽负荷脱硝技术进行了梳理，从催化剂侧、喷氨侧、燃烧侧、烟气侧以及给水侧对SCR（Selective Catalytic Reduction，SCR）低负荷下的脱硝改造方案分析，结果表明：高性能宽温脱硝催化剂替代和智能精细化喷氨是实现SCR优化运行的趋势。从烟气循环、喷枪位置以及宽温助燃剂对SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）进行改造，3种改造方案均有利于提高机组低负荷时的脱硝效率。SCR+SNCR联合脱硝改造在循环流化床锅炉应用后能满足机组在30%～100%负荷下的脱硝要求，煤粉炉采用该技术能提高脱硝效率，降低投资成本。臭氧联合SNCR与SCR脱硝可以进一步提高脱硝效率，增强脱硝系统对负荷的适应性。

• 燃煤流化床锅炉耦合含碳废弃物燃烧技术研究进展

  刘向民, 张津铭, 张涛, 袁天霖, 李惠彦辰, 杨琨, 王长安, 车得福

  在我国“双碳”目标的背景下，如何高效利用含碳废弃物受到了广泛关注。介绍了流化床锅炉掺烧含碳废弃物的现状及研究进展，着重关注了流化床锅炉掺烧含碳废弃物的燃烧控制、污染物排放特性以及积灰结渣腐蚀规律，探讨了各过程反应机理，分析总结了相关研究现状并展望了未来发展方向。首先，在掺烧燃烧控制方面，增大农林生物质的掺烧比例一般可以提高燃烧性能，而增大污泥的掺烧比例则对燃烧稳定性有不利影响。最佳燃烧工况参数需要考虑燃煤与含碳废弃物2种燃料特征并针对燃料特性进行合理配风。其次，在污染物排放控制方面，流化床锅炉掺烧相对其他方式较为清洁，但满足超低排放标准需要采取更先进的技术，针对SO2有超细石灰石脱硫技术，针对NOx有多种低氮燃烧技术。最后，在积灰结渣腐蚀方面，掺烧含碳废弃物需要重点关注碱金属和S、Cl元素导致的积灰结渣腐蚀问题，可以通过燃料预处理或添加添加剂以及控制炉膛温度减缓积灰结渣腐蚀速度，材料方面可以通过替换耐腐蚀材料或布置耐蚀涂层的方式。对于流化床锅炉掺烧含碳废弃物，如何在清洁高效处理含碳废弃物的同时最大限度实现其资源化利用，需针对具体问题进一步深入研究。

• 高岭石表面水化特性及颗粒自聚合结构研究

  尚颖泽, 李振, 王进, 常静, 王宏, 郭变变, 赵凯

  黏土矿物表面的水化现象调控是提高我国煤炭资源开发利用效率和煤泥水循环利用效率的关键，其界面水化特性直接决定微细粒矿物的分散、凝聚与固液分离效果。高岭石作为选煤体系中含量最高、影响最显著的黏土矿物，其表面各向异性使得高岭石颗粒表面在不同方向上的物理和化学性质差异明显，是提升煤泥水治理水平亟须解决的核心科学问题。以选煤过程中的主要黏土矿物——高岭石为研究对象，基于EDLVO理论，采用原子力显微镜胶体力测量−力曲线拟合法，系统探究了溶液条件对高岭石Al基面、Si基面及端面水化特性的影响规律。结果显示高岭石表面水化力常数与矿物表面化学组成无关，且不受溶液pH影响，而衰减长度存在明显差异，呈现出Al基面>Si基面>端面的规律。在本研究体系下，发现水化力和DLVO力具有叠加性，并基于高岭石表面的水化特性，构建了高岭石自聚合结构的微观力学计算模型。结合高岭石3种表面水化力常数以及衰减长度值，计算出了不同溶液条件下高岭石颗粒发生团聚时的相互作用能，通过分析高岭石不同缔合结构的相互作用能，预测其在pH=5时达到最佳固液分离条件，该预测得到了宏观沉降试验的验证，证实了微观力学模型的可靠性。从微观角度揭示了高岭石表面水化作用机理，明确了溶液条件对颗粒相互作用的调控机制，为煤泥水中微细粒黏土矿物高效固液分离、选煤工艺优化及煤泥水资源化利用提供了重要理论依据与技术支撑。

• 煤炭地下气化系统的催化剂注入工艺

  袁淑霞, 江琪彬, 王嘉杰, 吴松, 焦弯弯

  煤炭地下气化技术实现了煤炭的清洁开采，有效补充了我国天然气供应。在煤炭地下气化反应中添加催化剂，可提高气化效率、碳转化率及煤气品质。但由于气化过程发生在地下，催化剂的高效注入和井下输送是需要解决的关键技术问题。采用Ansys Fluent软件，模拟催化剂通过注入井注入的气固/液固两相流动过程，研究介质类型、催化剂颗粒直径、入口颗粒浓度、入口速度和管道流动截面积对注入效果的影响，从而探索合适的催化剂注入工艺。模拟结果表明：在输送介质与颗粒特性方面，催化剂粒径和入口浓度越小，介质对颗粒的携带能力越强，同时纯水比氧气对催化剂颗粒的携带能力更强。管道结构与工况方面，在相同流动及颗粒条件下，增大管道截面可提高注入效率；降低入口速度可减少颗粒在管道转折点处的离心力，进而提高催化剂流出效率。工艺阈值方面，为保证催化剂的成功注入，氧气为介质时催化剂颗粒的直径不应超过0.43 µm，纯水为介质时催化剂颗粒的直径不应超过1.30 µm。该结果明确了催化剂注入的关键工艺参数，为煤炭地下催化气化工艺的应用提供了理论依据和技术参考。