（1）研究背景

2020年9月，习近平主席在联合国大会郑重承诺，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和（“双碳”目标）。2020年我国燃煤发电量占比60.8%，我国燃煤发电中长期内仍将保持主力地位，燃煤高效、低碳、清洁发电是实现“双碳”目标的关键支撑，是落实“四个面向”国家战略布局的必由之路。碳中和与新能源大规模消纳背景下，电网系统中风能、太阳能等缺乏调节能力的电源比重逐渐增高，灵活性资源紧缺，增加灵活性资源提升智能电网调节能力，是亟需攻克的重大难题；相当一段时间内煤电是唯一具备大规模经济化深度调峰能力的灵活性资源，大幅提升燃煤火力发电灵活性是新能源混合电网的迫切需求，面向灵活发电的燃煤高效、清洁、安全利用面临新挑战。

智能技术与燃煤电厂深度融合的锅炉智能燃烧技术是提升燃煤发电灵活性的核心。智慧电厂智能燃烧技术已列为国家十四五科技计划、科技创新2030、2035中长期科技发展规划的重要课题。燃煤锅炉入炉煤质、煤流长期缺乏有效在线监测，锅炉高效燃烧、低氮排放、抗腐蚀之间的矛盾突出，严重制约了锅炉燃烧运行安全性、灵活性、经济性，亟待填补基于智能燃料的智能燃烧技术空白。

因此，锅炉智能燃料燃烧技术不是简单的数字化或信息化建设，也不是虚拟现实、无线定位、生物识别等智慧概念的堆叠，也不能一味追求生产、管理信息数据的智能化展示，其核心是燃烧发电技术与信息智能化深度融合，需要关键的智能燃烧发电技术应用，以及智能发电和智慧管理的协调。锅炉是燃煤电站心脏，锅炉智能燃料燃烧技术的开发是智慧电厂建设的关键技术。

（2）主要研究内容

i）发明基于激光拉曼法煤质在线检测的锅炉智能燃料燃烧技术

通过基础理论研究，获得煤拉曼光谱的有效解析方法，揭示了激光拉曼光谱特征参数与煤质的有效关联关系，建立了拉曼-煤质-燃烧特性关联数据库，实现了激光拉曼光谱对煤质的快速有效识别与检测；另一方面，开发了基于煤质快速检测的拉曼光谱系统，针对煤质特性及煤质在线检测特殊需求，开发了基于激光拉曼光谱煤质在线检测自动取样制样装置，自动检测平台及数据自动处理系统，快速获取高质量拉曼光谱，实现了激光拉曼光谱快速检测煤质的全流程自动化。该技术可实现煤中挥发分，水分，灰分以及燃料比等参数的检测，还可实现混配煤以及杂质掺混的100%识别。

 

图1 基于激光拉曼法煤质在线检测技术

通过以上研究，提出了煤质-锅炉效率η、煤质-NO、煤质-腐蚀速率k定量关联模型，构建了基于煤质多元非线性影响评估的锅炉智能燃烧理论方法；首创激光拉曼法煤质在线检测技术，研制了基于煤质在线检测的锅炉智能燃料装备，将常规煤质成分检测时间从小时级提升到秒级。

ii) 发明基于非接触式煤流自动识别与示踪的锅炉智能燃料燃烧技术

非接触式煤流自动识别与示踪基于射频识别技术（RFID）实现电厂输煤系统煤质示踪功能。RFID是通过无线电波进行数据传递的自动识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，其通过射频信号自动识别目标对象并获取相关的数据，识别工作无需人工干预、读取速率快、使用寿命长、环境适应性好、可同时识别多个物品等特点，在煤炭种类识别以及跟踪管理中使用RFID技术，能加强电厂锅炉的燃烧控制，对于电厂锅炉燃烧效率的提高具有非常重要的意义。

基于以上方法，研制了易跟随、耐磨损、易读写、高辨识的射频标签，研发了大容量、自校正、可纠错的程控投标机，开发了射频主机等关键部件，实现了稳定、准确、连续程控投标及煤流可靠监测与识别。发明了覆盖上煤-输煤-储煤-给煤的无线射频识别组件多点分布式布置策略，解决了燃煤电站输煤系统煤流多点低成本的实时在线监测难题。最终研制了完全自主知识产权的基于煤流在线监测的智能燃料与智能燃烧全套装备，解决了煤种、煤质、煤量时空在线动态监测难题标签识别率90%以上，煤种识别率100%，实现了基于煤流在线监测的燃料智能混配与智能燃烧。

 

图2 非接触式煤流自动识别与示踪技术

iii) 发明了基于CO/O₂双参量协同的锅炉智能燃烧技术与装备

发现CO浓度是反映锅炉综合燃烧性能的重要指标，锅炉燃烧主要热损失及NO生成均与CO浓度呈显著的非线性关系。构建了锅炉效率及NO与CO浓度之间定量关联模型；发现锅炉水冷壁腐蚀速率与炉膛H₂S/CO生成浓度呈正相关，构建了锅炉水冷壁腐蚀速率k与CO之间关联模型，提出了切断锅炉高温腐蚀/结焦的“温度、扩散、壁面条件”三要素综合防治方法；建立了以安全性指标为约束条件的锅炉高效燃烧与低氮排放综合评价指数W；提出基于CO/O₂双参量协同的智能燃烧模型，发明了炉膛以及烟道CO浓度网格式多点高精度在线监测技术，研制了基于CO/O₂双参量协同的锅炉智能燃烧装备，更新了锅炉基于单一氧量反馈的传统燃烧控制方法。

 

图3 基于CO/O₂双参量协同的锅炉智能燃烧技术

（3）主要创新点和贡献

煤电清洁、高效、灵活、低碳、智能化高质量发展是实现“双碳”目标关键支撑，相当一段时间内煤电是唯一具备大规模经济化深度调峰能力灵活性资源。锅炉智能燃烧技术与装备是提升燃煤发电灵活性的核心，是国家能源领域的重大需求。燃煤锅炉入炉煤质、煤流长期缺乏有效在线监测，锅炉高效、低氮、抗腐蚀燃烧矛盾突出，严重制约了锅炉燃烧运行安全性、灵活性、经济性，亟待填补基于智能燃料的智能燃烧技术空白。经过科技研发与攻关，完成如下创新成果：

i）提出了煤质-锅炉效率η、煤质-NO、煤质-腐蚀速率k的定量关联模型，构建了基于煤质多元非线性影响评估的锅炉智能燃烧理论方法；首创了激光拉曼法煤质在线检测技术，研制了基于煤质在线检测的锅炉燃料智能监控与智能燃烧装备，将常规煤质成分检测时间从小时级提升到秒级，实现了基于煤质“实时”检测的锅炉智能燃烧。

ii）发明了非接触式煤流自动识别与示踪技术，研发了多煤仓多煤种煤位的分层动态辨识技术，研制了基于煤流在线监测的锅炉智能燃料与智能燃烧装备。标签识别率90%，煤种识别率100%，解决煤种、煤质、煤量在时间和空间维度上的在线动态监测难题，实现了基于煤流在线监测的燃料智能混配与智能燃烧。

iii）提出了CO-η、CO-H₂S、CO-NO的定量关联模型，构建了基于CO/O₂双参量协同的锅炉智能燃烧理论与方法；发明了炉膛、烟道及制粉系统CO浓度网格式多点高精度在线监测技术，研制基于CO/O₂双参量协同的锅炉智能燃烧装备，创建了基于煤质-煤流-CO在线监测的锅炉智能燃料燃烧系统。锅炉深度调峰达25%额定负荷，锅炉效率提高0.3~1.2%，实现了锅炉经济、灵活、安全燃烧。

形成完全自主知识产权的锅炉智能燃料燃烧核心技术与装备，并实现了大规模工程应用，产生了重大的经济社会效益。项目授权发明专利50余项，授权国际发明专利4项，授权软件著作权50余项，发表国内外学术论文100余篇。经中国电机工程学会等组织的由院士等组成的专家组鉴定认为：技术居国际领先水平。项目产生了多项实质性创新成果，显著促进行业科技进步，具有国际竞争优势。

（4）重要论著及专利

 

2 燃料电池冷热电联供系统研究及应用（方向一）

（1）研究背景

全球能源行业正经历着以低碳化、无碳化、低污染为方向的第三次能源变革，随着全球能源需求不断增加，未来的能源结构将持续变化，进一步形成以石油、天然气、煤炭、可再生能源为主的多元化能源结构。氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源，将成为第三次能源变革的重要媒介。氢具有清洁无污染、储运方便、利用率高、可通过燃料电池将化学能直接转换为电能的特点，同时，氢的来源广泛，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取。随着燃料电池技术的不断完善，以燃料电池为核心的新兴产业将使氢能的清洁利用得到最大发挥。与传统动力设备相比，燃料电池具有环保、高效、高稳定性、低噪音等优点。此外，在运行过程中45%-60%的氢能没有被利用，以热量的形式散失。利用燃料电池产生的余热，可以有效地节约能源，实现能源的梯级利用。作为分布式供能系统，冷热电联供（CCHP）系统可以有效利用燃料电池排放的低品位余热用于供热或者制冷，实现能源的梯级利用，其综合能源利用效率可达到70%以上。概括起来，基于燃料电池的冷热电联供系统具备以下优点：1) 燃料电池作为系统的唯一供能单元，发电过程对环境无污染，其余热用于供热和制冷，充分利用了一次能源，提高了系统的整体效率；2) 将基于燃料电池的冷热电联供系统应用于建筑物可以避免电网的限制，确保建筑供能的稳定性，提高了能源安全；3) 可以减少建筑对电网的电力消耗，减轻电网负荷，对缓解电力高峰、改善能源结构和平衡能源消费具有积极作用。

（2）主要研究内容

i）基于引射再循环的燃料电池中的液滴动力学

对基于引射器的质子交换膜燃料电池阴极流道内的液滴动力学进行数值研究，研究了工作电流密度和入口边界孔径对液滴行为的影响。此外，还研究了液滴与流道接触面数对液滴动力学的影响。结论如下：燃料电池中引射器的使用明显缩短了从液滴从出现到排出出口边界的时间。当燃料电池在1.0 A∙cm^-2电流密度下运行时，基于引射器的再循环子系统可将流道中的液态水去除速度提高37.5%；尽管较大的孔径缩短了液滴的排出周期，但液滴上微孔的固定作用会导致液态水在GDL上形成较大的液滴，并增加流道堵塞的风险；从燃料电池中反应气体传输的角度来看，亲水性壁面更有利于液态水从GDL表面移除。然而，由于排水周期较短，当PEMFC在高电流密度下运行时，疏水性壁面更适合液态水从流道中排出。

 

图4 引射器的质子交换膜及引射器

ii) 基于固体氧化物燃料电池冷热电联供系统

大功率 SOFC-CHP 系统需要多堆燃料电池 (MFC) 来解决热应力和系统稳定性问题，因为 MFC 系统可以实现比单堆燃料电池系统更好的最大功率输出和平均效率。提出了与甲烷重整器相结合的 SOFC 多堆 CHP 系统的能源管理策略。对比研究了链式和自适应能源管理策略下压力和温度对整个多堆 CHP 系统电效率和热功率的影响。相比于传统链式能量管理策略，应用自适应策略的多堆SOFC-CHP系统电效率至少能够提升11%以上，最大净输出电功率可以达到近60%。

 

图5 自适应策略的多堆SOFC-CHP系统

采用多堆架构可以解决大规模单堆SOFC的热应力和系统稳定性问题。设计了多堆 SOFC 电池混合系统，并提出了多堆系统的双自适应控制策略。将每个SOFC-Battery进行模块化，研究了多堆SOFC 电池混合系统的动态特性和温度对发电模块的影响。所提出的自适应控制方法和自适应能量管理策略可以在满足快速响应的情况下，有效解决多堆SBH-CHP系统的燃料不足和过温问题。

 

图6 多堆 SOFC 电池混合系统

固体氧化物燃料电池由于工作温度较高，尾气能量较大，根据能量梯级利用原则，设计基于SOFC的冷热电联供系统。将SOFC电堆、单效溴化锂吸收式制冷机组以及换热器附属子部件相结合，构建CCHP系统模型。分析进气温度、进气压强、电流密度以及制冷器入口参数对于CCHP系统输出性能的影响。采用电跟随与热跟随策略控制CCHP系统在夏/冬两季运行，并在系统效率、㶲效率、年平均成本与年平均温室气体减排量等四个方面对系统进行评价。发现增大电流密度与进气温度均能提高系统发电量，但增大电流密度会降低系统效率与㶲效率，使得运行成本上升。

 

图7 基于SOFC的冷热电联供系统的实验对比

iii) 基于质子交换膜燃料电池冷热电联供系统

在PEMFC运行过程中45%-60%的氢能没有被利用，以热量的形式散失。利用PEMFC产生的余热，可以有效地节约能源，实现能源的梯级利用。作为分布式供能系统，冷热电联供（CCHP）系统可以有效利用燃料电池排放的低品位余热用于供热或者制冷，实现能源的梯级利用，其综合能源利用效率可达到70%以上。建立了一种基于质子交换膜燃料电池的热湿独立控制的冷热电联供系统，可同时满足数据中心的制冷、制热、电力和除湿需求。对提出的热湿独立的CCHP系统的热力性能研究，研究了电流密度、冷冻水质量流量、冷却水质量流量和热水分配比等不同运行参数对系统性能的影响。发现增加除湿系统使系统的冷功率降低1.28 kW，但处理空气的潜热去除量约1.84 kW。此外，改变分配到吸附式制冷机和除湿系统的热水比例会影响CCHP系统的性能。

 

图8 质子交换膜燃料电池冷热电联供系统

研究了运行参数对系统效率、经济性能和环境性能的影响。并以4E指标（能源效率、火用效率、年度成本和年度温室气体减排量）作为优化目标，对PEMFC的运行参数（电流密度、氢气压力和氧气压力）和制冷系统（热水分配比、冷却水质量流量和冷冻水的质量流量）进行多目标优化，通过帕累托表面分析了最优解的分布情况。得到最终最优点的运行参数，发现在年成本增加10%下，系统的能量效率、火用效率、年温室气体排放量、电力、制冷功率、热力和除湿率分别提高5.5%、0.77%、21.27%、12.87%、 5.37%、45.73% 和 1.53%。(Energy Conversion and Management. 2021, 248: 114789.)。对基于PEMFC的热湿独立的CCHP系统的动态特性进行研究。采用冷功率主导的策略来控制系统的运行，并通过PID控制器来控制重整气中的CO浓度、系统的冷却功率以及数据中心的温度和相对湿度。结果表明，系统初始400s内制冷功率存在较大超调，2h后趋于稳定，可以很好地满足数据中心的制冷需求。同时，重整气中的CO浓度可以稳定控制在4ppm以下，数据中心的温度和相对湿度控制在25℃，55%-63%。考虑了三种不同除湿方式的CCHP系统，即单独使用 PEMFC 提供热源、太阳能辅助PEMFC提供热源以及使用干燥剂代替除湿轮。分析了不同除湿方案下系统的动态响应和经济特性，指出各种除湿方案的优劣势。发现用干燥剂代替除湿轮，降低了系统的功率波动和温度波动。而且，它可以减少约78%的PEMFC电堆装机容量，从而降低电堆成本和氢气成本。当使用PTSC辅助PEMFC电堆提供热源时，电堆产生的电能在白天减少110kW，每天可节省约62kg氢气。以年均成本作为经济指标计算，只要氢气价格高于$0.16 kg-1，采用PTSC辅助PEMFC电堆提供热源更为经济。生态小区的发展可以提高建筑的能源效率，减少温室气体排放。基于燃料电池的热电联产系统旨在为华北地区的生态社区提供电力和热力，并通过电力主导策略和热主导策略的 PI 控制研究设计的 PEMFC-CHP 系统的适应性。

 

图9  PEMFC-CHP 系统

（3）主要创新点和贡献

i）构建并提出了SOFC-CHP多堆系统与多堆混合系统的结构与能量管理策略，实现了SOFC中高功率的稳定运行，同时提升了中高功率SOFC系统的整体净发电效率。优化了SOFC多堆系统的运行稳定性与寿命，基于自适应能量管理策略，建立多堆SOFC与电池混合系统的能量分配系统，在满足了SOFC快速启动的情况下有效解决多堆SBH-CHP系统的燃料不足和过温问题。

ii）提出了一种基于 SOFC-CCHP 系统的热电联产方案来高效利用 SOFC 的高温余热。对系统4E评价指标（输出功率、系统效率、年温室气体排放量）的影响减少，火用效率和年度成本）进行了研究。实现了高动态响应性能、输出功率和4E分析指标。

iii）构建了以燃料电池为核心的冷-热-电联供系统一体化模型，揭示了系统间的参数影响规律，探析了燃料电池多联供系统多参数匹配机理，优化了燃料电池多联供系统的集成设计；通过对“源-网-荷”全局分布式网络分析，以系统热力性能、经济性和环保性能等为目标，建立了基于4E标准的多目标优化决策与动态调控模型；基于用户终端冷、热、电负荷需求的波动，构建了终端冷、热、电负荷需求波动条件下的多联供系统最佳协同模型，提出了系统变负荷运行的多联供系统运行方法，获得了系统最优能量管控方案，实现了低品位余热的利用和全直流“源-网-荷”的高效稳定运行，保障了系统全局冷-热-电能的高效产出、弹性分配和稳定消纳。

（4）重要论著及专利

 

3 有机污染物与其他污染物协同控制技术研究（方向二）

（1）研究背景

煤炭是我国应用最广泛的化石燃料，在发电领域仍占主导地位，2018年用于发电的煤炭消耗高达20亿吨。燃煤发电过程会产生多种大气污染物，其中常规污染物NO_x、SO₂和粉尘等，通过一系列先进控制技术，已能实现超净排放。与常规污染物相比，燃煤发电产生的有机污染物浓度较低，但种类多，烟气量大，导致我国燃煤发电行业会排放大量有机污染物。有机污染物多数都具有高毒性和致癌性，并且与NO_x在紫外线的作用下发生链式反应不断生成近地臭氧。因此，亟需研发燃煤有机污染物高效治理技术。

目前，催化氧化和吸附等有机污染物治理技术主要针对工业源有机污染物研发，而工业源有机污染物废气量级小，有机污染物浓度高，废气组分单一，无法将工业源有机废气的治理技术直接应用于燃煤烟气有机污染物的治理。经过十多年的努力，我国燃煤电厂均已配套了常规污染物超净治理设备(APCDs)，针对燃煤电厂烟气特征和污控技术特性，研发有机污染物与常规污染物协同治理技术，形成配套工艺，必将有力促进我国燃煤发电技术的进步。

（2）主要研究内容

i）基于NH₃-SCR的有机污染物与NOx协同催化降解研究

基于过渡金属氧化物、Ti负载过渡金属氧化物、分子筛催化剂，系统研究了不同类型SCR催化剂对NO和甲苯的协同催化降解特性。如图10，图11，图12所示，常规过渡金属氧化物催化剂、Ti负载过渡金属氧化物催化剂均具有优秀的单独催化氧化甲苯和催化还原NO的能力；但在进行甲苯与NO的协同脱除时，催化剂的SCR活性显著降低，甲苯的催化氧化活性无明显变化。这表明甲苯与SCR反应物在催化剂表面存在竞争吸附，阻断NH₃、NO在催化剂表面的吸附活化，从而降低SCR活性。而对于Cu-SAPO-34催化剂，无论是否存在甲苯，均表现出优秀的SCR脱硝活性，但其对甲苯的催化氧化性能较差。由于分子筛骨架稳定，同时Cu以离子形式存在于骨架阳离子位点，导致Cu-SAPO-34无法产生能够催化氧化甲苯的活性晶格氧；另一方面，SAPO-34分子筛骨架窗口尺寸仅为~0.38nm，远小于甲苯分子动力学直径（~0.6nm），因而作为脱硝活性位点而赋存于SAPO-34骨架内部的Cu离子被分子筛骨架保护，免于甲苯的中毒。

 

图10 不同类型SCR催化剂单独脱硝性能

 

图11 不同类型SCR催化剂单独脱甲苯性能

 

图12 不同类型SCR催化剂协同脱硝脱甲苯性能

通过以上研究发现Cu-SAPO-34在宽温度区间内具有优秀的SCR特性，同时对甲苯造成的SCR失活具有很好的抗性。基于此构建了以Cu-SAPO-34为载体、MnO_x为表面活性组分的双功能催化剂，进而实现对NO和甲苯的高效协同脱除。其详细机理如图13(a)所示，MnO_x具有丰富的氧空位和晶格氧赋存于分子筛表面，Cu离子具有优秀的SCR活性而存在于分子筛骨架；基于分子筛骨架的筛分作用，甲苯仅能与分子筛外表面的MnO_x接触并被氧化，而NH₃、NO等小分子可以进入分子筛骨架内部，在Cu离子位点通过SCR反应形成N₂和H₂O。此催化剂对NO和甲苯的协同脱除性能如图13(b)所示，所有催化剂在NO和甲苯的协同脱除反应条件下，都具有优秀的脱硝性能。当MnO_x的负载量从10%提高到40%，催化剂对甲苯的催化氧化性能增强，甲苯脱除效率达到80%时对应的温度从320℃降低到280℃，同时高温区内催化剂的脱硝性能降低。这是因为MnO_x具有优秀的氧化还原能力，一方面可以促进甲苯的催化氧化，另一方面会导致高温区NH₃的过氧化，从而降低NH₃选择性还原NO的性能，增强副反应从而导致NO转化率降低并产生N₂O等副产物。因此综合来看，负载20%Mn的Cu-SAPO-34催化剂对NO和甲苯的协同催化降解性能最优，其在300℃-400℃内，可实现60%的甲苯转化率，80%以上的NO转化率。部分研究成果已发表在Journal of Hazardous Materials期刊。

 

图13 (a) 协同脱除反应机理

 

图13(b) 负载不同量MnOx的Cu-SAPO-34催化剂对NO和甲苯的协同脱除性能

ii) 基于100Nm³/h燃煤烟气多污染物协同治理中试平台试验研究

在机理探究的基础上，基于现有燃煤电厂烟气超净排放工艺，提出了耦合改性NH₃-SCR催化剂与炭基吸附剂喷射吸附的有机物控制技术，建立了一种燃煤烟气有机污染物与常规污染物协同脱除工艺路线，并在100Nm³/h燃煤烟气多污染物协同治理中试平台（图14所示）上进行了验证。

 

图14 100Nm3/h燃煤烟气多污染物协同治理中试平台系统图

中试试验采用神华煤作为燃料，以炉膛温度稳定在800℃作为燃烧工况，在选择性催化还原设备（SCR）脱除烟气中NO_x、静电除尘器（ESP）处理粉尘、湿法脱硫系统（WFGD）、湿式电除尘器（WESP）等污控设备前后设置测点，以研究污染物的排放特性和脱除特性。

各测点的常规污染物和15种VOCs浓度分布见图15。结果表明，APCDs对常规污染物NO_x、SO₂、粉尘的脱除效率分别为97.19%、95.63%和98.54%，而对15种VOCs的整体脱除效率为92.58%，初步显示了APCDs对VOCs和常规污染物之间具有较好的协同控制特性。该研究成果已发表在《动力工程学报》，并通过第三方机构检测，检测报告见图16。

 

图15 各测点的常规污染物和15种VOCs浓度分布

 

图16 第三方检测报告

iii) 有机污染物与其他污染物协同控制技术的评价方法及指标体系研究

本研究基于生命周期方法，编制了不同规模、不同炉型、不同煤种、不同地区的典型燃煤电厂多污染物脱除与净化设备成本、运行能耗、物耗、排放相关联数据库，并核算了全国尺度下燃煤电厂生命周期有机污染物排放数据，结果如图17所示，2017年全国火电有机污染物总排放量高达2.63×10⁴ t，主要排放区域集中在华北和沿海，其中江苏、山东、内蒙、广东位居前四。 

图17 2017年中国全生命周期火力发电厂的有机污染物排放量

基于上述数据库，结合课题所开发的集高效吸附/氧化/烟气净化技术于一体的多污染物协同治理工艺，从资源、环境、经济三个维度建立了污染物协同脱除技术的一级指标、二级指标，如图18。最终将资源、环境、经济指标货币化计算得到多污染物协同控制技术的综合成本效益。从社会、环境、经济角度综合来看，600MW燃煤电厂因APCDs的安装，每年带来的综合成本效益达到1.9亿元/年以上，APCDs的安装有助于提高环境质量、降低环境污染、提高人民的健康水平。相关研究成果已发表在Fuel和《洁净煤技术》。 

图18 协同控制技术脱除多污染物评价指标体系

（3）主要创新点和贡献

本研究基于燃煤烟气超净排放技术，耦合了脱硝区内有机污染物与NOx协同催化降解技术以及分级多孔碳协同吸附多污染物技术，开发了集高效吸附/氧化/烟气净化技术于一体的燃煤烟气多污染物协同治理工艺。在此基础上，完成建立了多维度、多尺度的有机污染物协同控制技术综合评价方法和指标体系。

i）系统研究不同类型SCR催化剂对NO和甲苯的协同催化降解特性，提出甲苯与NH₃在酸位点的竞争吸附是导致SCR被抑制的关键原因；基于Cu-SAPO-34分子筛的孔道选择性，通过表面装载MnO_x构建双功能活性位点分离式催化剂，实现SCR与甲苯催化氧化反应相互独立、高效协同进行，并为中试示范和工业应用提供了理论基础。

ii）基于燃煤烟气超净排放工艺耦合VOCs高效催化氧化技术与炭基吸附剂喷射技术，提出一种燃煤烟气有机污染物与常规污染物协同脱除工艺路线；建成100Nm³/h燃煤烟气多污染物协同治理中试平台，在中试规模上验证了集高效吸附/氧化/烟气净化技术于一体的燃煤烟气多污染物协同治理工艺的有效性、可行性。

iii）通过从技术尺度、生命周期尺度、空间尺度，建立了燃煤电厂污染物脱除与净化设备成本、运行能耗、物耗相关联数据库，并核算全国范围内有机污染物排放数据。基于上述数据库，研究从资源、环境、经济三个维度建立了污染物协同脱除技术的一级指标、二级指标，耦合不同技术之间的指标进行协同度计算，建立了燃煤电厂生命周期有机污染物协同脱除评价指标体系。

 

（4）重要论著及专利

 

4 燃煤过程中砷、硒、铅等重金属的控制技术（方向二）

（1）研究背景

燃煤排放的砷、硒、铅等重金属总量较大、毒性强，受到广泛关注。我国燃煤电厂SO₂、NOx、颗粒物超低排放控制已处于世界领先水平，但缺乏砷、硒、铅的控制标准和支撑技术。国外现有策略以控制煤种为主，难于满足我国需求。国内动力煤中重金属含量分布差异显著，且90%以上电厂以煤粉炉为主，炉内高温易导致砷、硒、铅以难于捕集的气态和细颗粒态释放，对重金属的排放控制带来了巨大的挑战，迫切需要针对典型和高重金属煤种开展研发，为重金属的控制提供技术支撑。

我国煤中重金属含量高、硫和氯含量差异大，导致烟气工况复杂，重金属形态在燃烧过程中迥异导致化学反应调控区间普适性不强，且在细颗粒中富集后其质量浓度分布与燃煤产生的烟尘浓度分布不一致，导致电厂超低除尘技术和装置无法有效协同控制重金属。此外，挥发性强的硒化合物逃逸除尘设备后，部分迁移至脱硫液中造成二次污染，部分甚至以气态形式直接排入大气。这些问题都对我国燃煤电厂重金属的排放控制带来了巨大的挑战，迫切需要针对典型和高重金属煤种开展技术研发。本研究基于“转化与固定”思路，将炉内与尾部调控技术相结合，促进重金属形态由细颗粒态和气态向粗颗粒态、高毒性向低毒性转变，实现燃煤电厂重金属高效控制。通过抑制气态重金属的生成、强化现有装置对重金属的协同捕集、控制易逃逸的细颗粒态重金属、提高产物中重金属的稳定性，针对煤中重金属含量及燃烧过程迁移差别形成相应关键技术，促进我国燃煤电厂重金属的排放控制。

（2）主要研究内容

i) 基于配煤掺烧的炉内重金属控制关键技术

煤中活性矿物组分可用于控制炉内重金属排放。通过文献调研和实验室分析，掌握了中国典型动力煤种的砷、硒、铅含量和灰分组成数据。基于重金属矿物吸附实验结果和量子化学计算等手段，揭示了煤中活性矿物吸附砷、硒、铅的机理，确定了利用重金属控制的煤种筛选原则：砷控制掺烧Ca、Fe等含量较高煤种，硒控制掺烧Ca含量较高煤种，铅控制掺烧Si、Al含量高、Cl含量低煤种。基于47个煤种燃烧实验，建立了煤高温燃烧产物中As、Se、Pb的分布模型，可用于预测燃煤过程As、Se、Pb在气固相的分布。根据以上研究结果，构建了混煤矿物组分调配控制重金属的配煤掺烧模型，以该模型为核心，采用基于JAVA语言及B/S架构，耦合现有混煤燃烧策略中的煤质特性、结渣特性、SO₂/NOx等排放特性，开发了耦合重金属控制的多目标混煤燃烧优化软件包和系统（图19）。

 

图19 耦合重金属控制的混煤策略与控制系统

ii)基于烟气净化装置的重金属强化脱除关键技术

研究了烟气通过脱硝、除尘、脱硫等装置过程中重金属的复杂迁移转化行为。基于电厂除尘器底灰中重金属热稳定性分析，烟气降温（从高温烟气至除尘器）过程中气态重金属向颗粒态迁移的主要途径如下：砷以中高温下飞灰的化学吸附为主，生成Ca₃(AsO₄)₂等热稳定性化合物，硒以物理吸附/凝结为主，铅以中高温下飞灰的化学吸附为主，生成PbO·Al₂O₃·2SiO₂等热稳定性化合物。针对脱硫塔内高湿烟气条件下重金属的复杂转化行为，建立了基于塔内烟气重金属（硒）气-液-固迁移行为及脱除机制模型，耦合传质吸收、异相凝结、颗粒捕集机制，定量计算了塔内各空间区域重金属的迁移转化行为和形态分布，揭示出传质速率与烟气温度影响塔内重金属脱除行为的两个关键因素（图20）。       

 

图20 脱硫塔内硒迁移模型（a）模型架构图;（b）塔内硒气-液-固三相迁移行为

为了强化烟气流经ESP过程细颗粒态重金属脱除率，开展了基于物理场湍流聚并的聚并器开发设计与应用。通过数值模拟方法，建立了基于湍流、吸附、碰撞、回流等过程的流动复合强化颗粒态重金属脱除机制，包括：①强化烟气气固扰动吸附气态重金属及②增强颗粒碰撞频率促进细颗粒长大强化脱除颗粒态重金属。搭建了复合聚并器装备，考察烟气参数和聚并器结构参数对细颗粒物聚并效果影响，发现叶片间距适中时（140-180mm），聚并率最大；叶片角度较大时，前排叶片后方一定距离处存在较大速度梯度，易形成回流旋涡。据此进行了涉及碎涡段和稳流段的聚并后稳流设计，解决了影响静电除尘器脱除效果的问题。在不同燃煤烟气量（500 m³/h—3000 m³/h—30000 m³/h）条件开展中试试验，发现加装聚并器后，PM₁中重金属富集浓度普遍增大，绝对质量浓度降低，ESP出口颗粒态砷、硒、铅浓度下降40%。

针对燃煤烟气中硒挥发性强、现有污染物净化装置难以捕捉问题，开发了利于硒强化脱除的脱硫塔内构件优化技术。利用自主搭建的小型模拟湿法烟气脱硫装置，深入探究了双托盘（液膜破碎机制）、除雾器（水雾拦截机制）、增效环（降低液滴短路机制）、二次冷凝管（促进凝结机制）等多种内构件对气态硒强化脱除机理，确定喷淋参数和浆液温度对重金属迁移行为的影响。基于数值模拟计算和实验室测试结果，改进了常规除雾器和托盘结构，开发了多孔板引流板耦合式除雾器和隔板托盘两种新型内构件（图21），形成了托盘与除雾器优化原则。开展了30000m³/h以上脱硫塔内构件强化脱除燃煤烟气重金属技术中试试验，结果表明，脱硫塔经改造后（双托盘塔）可实现对典型重金属煤种和高重金属煤种燃煤烟气中砷、硒、铅的高效脱除。

图21 多孔板引流板耦合式除雾器

iii)尾部烟气重金属联合脱除技术

针对尾部烟道中重金属易富集于细颗粒的特点，提出尾部烟气重金属联合脱除技术，耦合物理和化学方法促进细颗粒物团聚长大，提升除尘装备对细颗粒物态重金属的脱除效率（图22a）。构建异相凝并协同吸附颗粒物与颗粒态重金属元素数学模型。通过蒙特卡洛方法对模型进行求解，结果显示异相凝并能够促进细颗粒物长大为大粒径颗粒（图22b）。异相凝并对颗粒物上重金属元素有相似的作用，使得富集于小颗粒段的有害痕量元素元素随着颗粒物的长大而转移至大颗粒区间。对不同凝并参数下凝并效果进行计算并比较，结果表明凝并剂流量的增加能够促进吸附效果，在凝并吸附剂流量达到8ml/m³时吸附效果最佳，在0.4s左右能够吸附烟气中绝大多数颗粒态重金属；由于升温加快了凝并吸附剂在烟气中的蒸发，对凝并效果起抑制作用。

图22 异相凝并强化重金属脱除机理

开发了廉价实用的多功能重金属气溶胶异相凝并吸附剂，考察了吸附剂种类、浓度、温度、表面活性剂、磷酸等因素对颗粒凝并的影响，发现电中和作用不是引起颗粒凝并的主要因素，异相凝并吸附剂中燃煤细颗粒主要通过高分子链的吸附架桥作用发生凝并。分析并优化凝并吸附剂对重金属气溶胶的凝并促进效率，获得了优选的异相凝并吸附剂配方及最佳操作参数。构建了用于30000 m³/h实际燃煤电厂旁路烟气中重金属控制的凝并吸附剂工艺控制系统，开发了异相凝并吸附剂系统和装置成套工艺设备，发现在喷入异相凝并剂后，ESP入口及脱硫出口烟气中各重金属浓度均有降低；开展了异相凝并耦合湍流聚并强除尘器重金属脱除中试试验验证，相比单独异相凝喷入技术，除尘器出口细颗粒物浓度和颗粒态重金属进一步下降（图23），为重金属深度脱除提供有力保障。 

图23 异相凝并耦合湍流聚并强化脱除颗粒态重金属中试验证结果

iv)重金属控制技术应用示范

针对开发的混煤掺烧重金属控制技术，在山西某电厂350MW机组开展了燃煤电厂配煤掺烧重金属控制技术示范，以配煤掺烧模型为核心，在示范电厂构建了“耦合重金属控制的配煤掺烧全流程动态优化控制系统”，通过耦合重金属控制边界条件，实现掺烧高重金属煤种下，实现重金属排放控制和电厂安全、经济、清洁运行。针对形成的尾部烟气重金属联合脱除技术，开发了异相凝并喷射工艺和成套喷射装备，在新疆某电厂350MW机组开展了耦合矿物调配与异相凝并技术168小时工程示范，在掺烧高砷煤种情况下，经异相凝并后细颗粒态重金属减排率均高于99%，具有良好的重金属脱除效果（图24）。开发基于“铁氧微晶”的脱硫废水重金属脱除的技术，在山西某350MW电厂开展了480t/d示范，运行铁氧微晶技术后废水中重金属脱除率均达到95%以上，相比传统三联箱工艺，“铁氧微晶”系统产生污泥量减少83.5%，污泥中砷、硒、铅浸出浓度1.0、85.1、4.2μg/L，远低于危险废物标准100μg/L要求，满足一般工业固废标准。

 

图24 新疆某350MW电厂耦合矿物调配与异相凝并技术工程示范。（a）示范现场及异相凝并喷射装备;（b）异相凝并技术实施前后重金属排放浓度对比结果

（3）主要创新点和贡献

本研究针对我国燃煤电厂气态/超细颗粒态重金属难于捕集及脱硫废水重金属浓度高的现状，开发了炉内重金属吸附与形态调控、抗重金属中毒脱硝催化剂、脱硫过程重金属强化脱除、除尘过程重金属联合脱除等技术，形成针对典型、高浓度重金属的集成控制技术与成套装备，并在多台300MW以上燃煤电厂进行了工程示范。

i） 指出了煤高温燃烧下灰熔融及矿物反应对重金属迁移作用机制，明确了烟气降温过程中气态重金属向颗粒态化学转化和物理迁移途径与温区，建立了煤燃烧产物中As、Se、Pb的分布预测模型，可用于预测炉内高温与尾部烟气重金属在气固液相的分布，填补领域空白。

ii) 形成了与超低排放技术互补、模块化、可移植与选择的技术体系：促进向低毒性、稳定态转化的砷、硒、铅炉内高效控制技术；多物理场强化和尾部异相化学凝并的砷、硒、铅与细颗粒物联合脱除技术；强化WFGD内气-液/固-液传质耦合深度晶格固定的重金属烟气吸收脱除及固定技术。

iii) 建立了实验室小试-现场中试全规格燃煤重金属脱除试验台，为开发基于炉内重金属吸附控制和尾部协同强化脱除的技术提供平台支撑，实现重金属强化脱除技术的逐级放大、联合开发。

 

（4）重要论著及专利

 

5 化学链制氢技术（方向三）

（1）研究背景

氢能作为一种高效的清洁能源，发展潜力巨大，越来越受到世界各国的重视。目前，氢能的开发利用技术研究主要集中在三个方面：氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的研究。其中，高纯氢气的规模制备是氢能应用的基础。化学链制氢技术是将化学链燃烧和蒸汽铁法制氢结合起来，原理如图25所示。通过循环利用固态载氧体（通常为金属氧化物），在燃料反应器中为燃料（气体，生物质及煤等）转化提供氧；在蒸汽反应器中被还原的氧载体与水反应制取氢气同时被部分氧化；部分氧化的载氧体进入空气反应器中与空气发生完全氧化，完成循环过程。该技术可以达到较高的能量转化效率，同时可以低能耗分离捕集CO₂，是一种具有广阔前景的制氢技术，国内外已有许多研究人员对化学链制氢进行了大量实验摸索。

目前的研究主要是从宏观应用角度出发，通过实验现象的观测和数据积累，进行经验和半经验的拟合。但是对有效克服和应对惰性载体及元素改性引起载氧体性能变化原因的本质认识和方法上尚有不足。对于改性原子掺入是进入晶体内部产生电子空缺，影响载氧体氧离子的迁移能力进而改善其性能，还是仅仅分布在晶体表面，提供反应活性位及活化掺杂元素附近的氧离子仍然只是猜测；对于惰性载体对载氧体氧离子活性是否会产生影响以及对载氧体颗粒成核、团聚、烧结影响机制的认识也不够清晰。

 

图25 化学链制氢原理示意图

（2）主要研究内容

i）化学链制氢中甲烷在Ca₂Fe₂O₅载氧体上转化的反应机理

铁酸钙（Ca₂Fe₂O₅）载氧体由于储量丰富，成本低，环境友好等优点，被视为化学链制氢（CLH）技术中很有前景的载氧体材料。尽管已开展了广泛的研究，但是仍然缺乏对载氧体和燃料在原子水平上反应机理的详细认识。与CO燃料相比，Ca₂Fe₂O₅载氧体的CH₄反应性明显较差，这大大限制了其在CLH技术中的实际应用。

针对这一问题，我们利用密度泛函理论（DFT）计算，探讨了化学链制氢中甲烷在Ca₂Fe₂O₅载氧体上转化的反应机理。研究了基本反应步骤，包括CH₄活化、CO和CO₂生成、H₂和H₂O生成以及氧气扩散，提出了反应过程。对反应途径进行分析，以确定整个反应中的主要反应和限速步骤。

研究结果表明（图26），Ca₂Fe₂O₅载氧体表面很难生成H₂，H原子倾向于与表面氧反应生成H₂O分子。容易生成CO，生成的CO分子很容易被表面氧氧化形成CO₂分子。Ca₂Fe₂O₅载氧体的表面氧可以表现出良好的反应性。氧气扩散需要克服高能量屏障，这是一个固有的高温过程。对于整个甲烷在Ca₂Fe₂O₅载氧体上的转化反应，CH₄活化过程是主要的速率决定步骤。为了提高Ca₂Fe₂O₅载氧体的CH₄活性，有必要寻找能降低CH₄活化能垒、增强氧扩散能力的改性促进剂。

 

图26 Ca₂Fe₂O₅载氧体上甲烷转化相关反应的势垒比较

ii)铜掺杂Fe₂O₃/Al₂O₃作为化学链制氢载氧体的性能研究

氧化铜对铁基载氧体的还原性有良好的促进作用，复合Cu−Fe载氧体结合了两种金属氧化物的优点，具有更高的机械强度和稳定性。而铁基氧载体的制氢潜力与制氢过程中氧化铁的含量成正比。加入第二种活性组分会在一定程度上降低氧载体的制氢潜力。因此，有必要找到一个最佳的添加比例来达到预期的效果。

为了尽可能降低载氧体的制造成本并保持其相完整性，我们采用了在载氧体中添加低浓度的同价非贵金属掺杂剂的策略来提高性能。并结合密度泛函理论（DFT）计算，建立了微观结构与宏观氧化还原性能之间的关系，并揭示铜掺杂提高Fe₂O₃反应性的机理。

采用溶胶凝胶法制备了CuO掺杂量分别为1%、3%、5%和8%的CuO−Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体。结合H₂-TPR分析、固定床实验和DFT理论计算，发现掺杂提高了铁基氧载体的活性，并加深了Fe₂O₃的还原。Cu的掺杂降低了表面氧逸出所需的能量，从而促进了Fe₂O₃表面氧空位的形成。其中， 1% CuO掺杂的载氧体是最适合用于CLH的材料，其H₂产率最高，并且在多次氧化还原循环中维持在高且稳定的水平。

 

图27  CuO−Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体制氢特性及铜掺杂微观结构图

iii)天然载体负载铁基载氧体的化学链制氢反应性能研究

Fe₂O₃是一种用于化学链制氢的优秀活性金属氧化物，但没有惰性或添加剂的纯铁氧化物在氧化还原反应中由于烧结而很快失活。然而，目前大多数研究中采用的载体都是合成材料，主要通过将其前体与铁前体混合来制备的。这种合成材料的最大缺点之一是原料成本高，这将限制化学链制氢的大规模应用。

凹凸棒土（ATP）是一种天然的链状分层水合镁铝硅酸盐粘土矿物。它具有高吸附能力、良好的耐化学性和耐高温性、较高的比表面积等优点，已经被用作CO加氢成低级醇、低温NH₃选择性催化还原、光催化降解亚甲基蓝等催化剂的载体。然而，尚无报道研究过ATP在化学链制氢中的应用。而且，ATP作为载体时，在化学链过程中是如何表现和影响铁等活性金属的反应行为，还没有被完全了解。

我们提出利用凹凸棒土支撑的Fe₂O₃来制备新型的载氧体材料，以提高铁基载氧体的反应性和稳定性，并在化学链过程中保持多次循环时的热平衡。以Fe₂O₃负载Al₂O₃作为对比例，研究了支撑物对铁基OCs性能的影响以及CLH过程中的基本机制。采用浸渍燃烧法制备Fe₂O₃负载量为40%、50%、60%和80%的Fe₂O₃/ATP载氧体样品。其中，在850℃的反应温度下，Fe₂O₃负载量为60%的载氧体呈现出最高的反应活性与稳定性，且产氢性能最佳。此外，基于物质结构的还原特性和反应机制，利用XPS从金属-氧键性质的元素结合能方面进行了解释。结果表明，与传统的Fe₂O₃/Al₂O₃氧载体相比，Fe₂O₃/ATP表面存在更多的缺陷氧化物或羟基，这促进了还原反应的进行并使其表现出优异的产氢特性。通过Fe₂O₃/ATP载氧体的综合表现，证实了ATP在化学循环制氢中具有很好的应用前景。

 

图28 Fe₂O₃/ATP与Fe₂O₃/Al₂O₃反应性能对比

（3）主要创新点和贡献

i）通过DFT理论计算，对化学链制氢中甲烷在Ca₂Fe₂O₅载氧体上转化制氢的反应机理进行了探究，发现Ca₂Fe₂O₅载氧体对CH₄反应性差的主要原因是表面很难生成H₂，H原子更倾向于与表面O反应生成H₂O分子。对基本反应步骤的分析，发现反应容易生成CO，并进一步被表面氧氧化为CO₂分子，而载氧体的表面氧可以表现良好的反应性。发现氧气在载氧体表面扩散需要克服高能量屏障，这是一个固有的高温过程。明确CH₄活化过程是主要的速率决定步骤。这一工作揭示了Ca₂Fe₂O₅载氧体参与甲烷化学链制氢的反应机理，为改性Ca₂Fe₂O₅载氧体在实际应用提供理论指导依据。

ii）通过实验和理论计算两方面研究了铜掺杂Fe₂O₃/Al₂O₃载氧体对化学链制氢性能的影响。发现复合的Cu-Fe载氧体具有更高的机械强度和稳定性，1% CuO掺杂的载氧体是最适合用于CLH的材料，其H₂产率最高，多次循环活性衰减较少。揭示了Cu掺杂提高反应活性的机理，Cu降低了表面氧逸出所需要的能量，促进Fe₂O₃表面氧空位的形成，并加深Fe₂O₃的还原。这项工作仅通过简单的制备方法就改进了载氧体的化学链制氢性能，所需原材料价格低廉，无毒无害，有助于化学链制氢的大规模工业应用。

iii）首次制备了凹凸棒土支撑Fe₂O₃的新型载氧体材料，提高了铁基载氧体的反应性和稳定性，并在化学链过程中保持多次循环时的热平衡。Fe₂O₃负载量为60%时的载氧体呈现出最高的反应活性与稳定性，且产氢性能最佳。通过对物质结果的还原特性和反应机制进行分析，发现Fe₂O₃/ATP表面存在更多的缺陷氧化物或羟基，这促进了还原反应的进行并使其表现出优异的产氢特性。这一工作证明了ATP在化学循环制氢中具有很好的应用前景。

（4）重要论著及专利

6 生物油精制过程结焦机理及调控方法（方向三）

（1）研究背景

以“炭、气、油”热解多联产技术为基础的生物质分布式能源化、资源化利用方式以其高转化率、高经济性得到国内外广泛重视，且契合我国农林废弃物数量大、密度低、分散度高及相关配套处理设施欠缺等特征属性。然而，不同于气、炭已拥有成熟的利用方法，生物油至今仍未有成熟的可工业化应用或处理技术，成为阻碍该技术路线深度推广的瓶颈。导致生物油难应用、难处理的根本原因是其特有的物理化学特性。生物油成分复杂、含水量高、含氧量高、热值低、酸值高、粘度大、受热易结焦，难以直接应用于高效燃烧设备，必须进行精炼提质以提高其燃料性质或制备高附加值化学品。尽管国内外研究人员借鉴石油炼制技术，针对生物油展开了广泛的研究探索，但由于生物油的特殊物化性质，带来诸多挑战，相关潜在技术路线尚未能走出实验室。特别值得注意的是，相关潜在技术多属于热化学范畴，需对生物油进行热处理，由此会引起油中有机物发生聚合反应生成焦炭，大幅降低生物油的碳转化效率的同时，造成诸如积碳堵塞喷嘴或反应器腔室、覆盖催化剂活性位或填充催化剂孔道致使催化剂迅速失活等问题，严重制约反应连续稳定运行。因此，生物油受热结焦是其各类潜在处理技术的关键共性难题，亟待解决。

（2）主要研究内容

i）生物油重质组分高效解析，及生物质热解制备生物油过程中影响重质组分生成演化关键因素及作用机制

生物油的化学组成决定了对其后续利用方法的选择。除含有酸、醛、酮、酚、呋喃、糖等小分子组分，生物油中还存在显著含量的大分子重质聚合物组分（可占生物油质量的15~30%、C含量的20~50%）。该重质组分由于其高分子量（> 200 Da）及其聚合态本质，必然存在不同于其他小分子物质的特殊性质，如位阻效应、静电效应、模板聚合效应等高分子效应，并已有研究证明了重质组分的含量与生物油黏度、老化特性、热稳定性等诸多性质密切相关。可推测，重质成分的含量及结构必然对生物油后续转化产生重要影响。但是，受限于重质组分结构复杂、高沸点、低热稳定性等，常规分析困难，对其化学结构的精确认识仍不充足。同时，针对生物油重质组分生成机理的系统性研究不足，导致难以从生物质热解源头调控生物油组分分布，从而无法匹配后续精制技术对生物油成分的要求。

针对上述难题，我们构建了“萃取分离耦合多层次互补检测”的全组分分析体系。特别针对超高分辨质谱检测数据量庞大，解析困难的挑战，自主开发迭代算法，耦合聚类分析，创建了基于分子极性、碳数、杂原子数、不饱和度等边界耦合的解析方法，成功解析出1000余种高分子量（200~1000 Da）物质结构，突破了生物油重质组分解析瓶颈。基于生物质及其特征组分（有机三组分与无机组分：碱金属/碱土金属AAEMs）热解过程组分间交互作用与气固相交互作用解耦，直接证明了组分间交互作用是生物油重质成分形成的决定性因素，突破了重质组分主要源自木质素热解（目前常被定义为热解木质素Pyrolytic lignin）的传统认知。发现气固交互作用显著抑制大分子糖类聚合物的形成，降低油中重质组分产量。揭示生物质热解过程中AAEMs催化裂解-抑制聚合双重作用机制，对比了不同碱/碱土金属的催化强度，明确了反应温度与升温速率对AAEMs催化作用的影响。辅以密度泛函理论计算，阐明了热解过程中，生物质特征组均/异相交互作用对生物油重质组分形成演化的作用机制，建立了生物质原料特性-热解反应条件-生物油重质组分的构效关系模型（图29），提出了基于生物质原料特征的生物油重质组分定向调控方法。

 

图29 生物质原料特性-热解反应条件-生物油重质组分的关系模型

ii) 生物油受热过程重质组分演化路径，及生物油受热演化与结焦机理

生物油热转化利用过程均需要对生物油加热，深入理解生物油受热演化特性是实现其高效利用的基础。生物油含有诸多反应活性强的组分，在受热时，这些组分除单独反应，不同组分间还会发生交互反应，形成复杂反应网络。因此，交互反应对生物油受热演化的影响十分关键。如何通过改变交互反应进而产生全局影响的机制不明确，亟需系统深入研究。另一方面，生物油受热（可低至90℃）极易结焦，导致热利用过程堵塞喷嘴/管道、积碳致使催化剂失活等问题，严重阻碍生物油通过常规热利用方法高效利用。但同时，生物油的化学成分中包含碳材料制备工艺中常用碳源，如能对结焦过程进行有效调控，生物油则可作为制备碳材料的碳源。解决上述问题的关键是深入认识生物油的受热演化特性，明晰聚合反应路径及结焦机理，指导通过优化工艺条件、改性生物油成分等途径，进行结焦过程调控，从而实现生物油高值化、资源化利用。

为阐明生物油受热演化与结焦机理，我们以解析生物油特征组分间交互作用为突破口，通过对比分析不同反应条件下生物油、模化物（酸、醛、酮、呋喃、糖类、酚醛低聚物等）及其分离出的聚合物重质组分等，同体系受热反应产物产量及结构信息，耦合自由基浓度、类别演化特征，全面分析生物油受热过程演化反应路径，解析组分间交互作用对反应过程的影响。通过解耦生物油受热过程液相、气相反应，明确了挥发分-半焦交互反应促进小分子裂解与重质大分子缩聚的双重作用机制，阐明了温度、升温速率通过改变一、二次反应，产生不同的挥发分-半焦交互反应强度，并决定产物分布及特性的总体演化路径。发现生物油受热过程形成挥发性（气相）与非挥发性自由基（焦表面），明晰两类自由基在焦/积碳形成演化中的关键作用：生物油中轻质组分热裂解生成挥发性活性自由基碎片，该部分自由基起到“桥梁”作用，促进芳香族重质组分与其他小分子物质间通过交联反应聚合成“半焦”；进而，半焦表面部分共价键断裂形成不挥发自由基，导致结构失稳，进而原位缩聚形成具有更稳定结构的积碳。解析了多种特征组分（如糠醛、羧酸、糖、富芳香重质组分等）对生物油全组分热转化的影响作用，阐明了组分间交互反应对生物油热转化影响机制及结焦机理，系统认识了生物油成分特征－自由基浓度－受热结焦间的关系，建立了基于生物油成分特征的结焦行为预测模型（图30）。提出了通过生物油特征组分调制与反应条件适配的结焦调控新思路。

图30 基于生物油成分特征的结焦行为预测模型

iii) 生物油特征组分聚合反应调变理论，结焦定向调控的生物油精制提质方法创新

关于生物油精制提质的相关研究与技术开发，绝大多数仍聚焦于传统热化学路线（如催化裂解，加氢脱氧，酯化和水蒸气重整等）。针对上述技术路线，大量相关研究发现，结焦不仅带来诸如堵塞管线、反应器等运行问题，还极易导致催化剂积碳失活，改变反应选择性，从而大幅降低对生物油转化效率。因此，通过抑制结焦实现转化效率的提升，仍然是优化各类生物油热转化技术的核心思路。我们系统性探究了生物油多转化路径中的结焦过程，解析了生物油热解阶段对催化阶段的影响机制，基于对生物油组分交互作用下的受热演化及结焦机理的深刻理解，建立结焦过程定向调控理论，指导反应体系优化，大幅降低结焦及其负面影响。例如，提出了低温预裂解（Fe/bio-char催化剂）和中温重整（改性Ni基催化剂）的两段式重整制备富氢气体和碳纳米管共产物的新方法。通过强化热裂解阶段重质组分定向转化与重整段聚合反应调变，促进催化剂上积碳呈纳米管状生成，从而大幅降低由于无定形碳对活性位的覆盖效应。较一段式非改性Ni催化剂体系，实现碳纳米管产量增加2倍，氢产量同步提高30%。

生物油受热聚合倾向是其在热化学反应中的本征特性，聚合结焦难以避免。因此，我们另辟蹊径尝试非热化学方法，基于电化学反应中热力学非自发反应可由电能驱动得以发生的原理，率先引入电催化体系用于生物油全组分精制提质。解析了生物油及其特征组分电催化加氢反应路径，阐明了组分间竞争反应机理，提出了抑制析氢、直接还原等副反应的传质传荷协同强化方法，完成了原理样机开发。实现常温（根本上避免受热结焦）、常压下，生物油全组分加氢率≥80%，有机酸转化率≥90%，芳香组分饱和化率≥80%，重质组分转化率≥50%的优良指标，并首次提出了耦合可再生能源供电的、以生物油电催化提质为核心的生物质热解分布式能源站概念蓝图。

图31 动态适应生物油组分特性的转化技术匹配指导性策略

图32 生物质热解分布式能源站概念蓝图

(3)主要创新点和贡献

生物质热解形成气液固三态产物，其中液态产物生物油包含多种反应活性强的组分(酸、醛、酮、酚、糖和大分子聚合物等)，在进一步受热时复杂的反应网络影响生物油演化及最终产物生成。同时，生物油受热极易结焦，导致热转化过程喷嘴/管道堵塞、催化剂积碳失活等问题，严重阻碍生物油通过如加氢脱氧、催化裂解、酯化、重整制氢等热化学方法利用转化。亟需突破生物油成分表征、受热反应中间产物辨识、复杂组分均相/异相交互反应机制解析等难题，系统全面认识生物油受热演化特性，揭示焦炭生成机理，明确结焦调控机制，促进新型生物油精制提质技术的发展。由此，我们构建了生物油全组分多维度表征体系，解析了生物质热解制备生物油过程中重质组分生成演化机制（创新点1）；基于生物油组分间交互作用解析，明确了生物油受热演化与结焦机理（创新点2）。进而，建立了特征组分聚合反应调变理论，创新提出了结焦主动调控的生物油精制提质新方法，构建了动态适应生物油组分特性的转化技术匹配策略，并开发了相应的生物油精制技术与装备（创新点3），如图33所示：

 

图33 主要学术创新点

创新点1：突破生物油重质组分解析瓶颈，明确了生物质热解制备生物油过程中影响重质组分生成演化关键因素及作用机制，建立了生物质原料特性-热解反应条件-生物油重质组分的构效关系模型。

创新点2：揭示了生物油受热过程重质组分演化路径，解析了特征组分交互作用机制，阐明了生物油受热演化与结焦机理，建立了基于生物油成分特征的结焦行为预测模型。

创新点3：建立了生物油特征组分聚合反应调变理论，提出了结焦定向调控的生物油精制提质方法，创新了生物油温和条件电催化体系，完成了原理样机开发，构建了动态适应生物油组分特性的转化技术匹配策略。

（4）重要论著及专利

 

7 微纳结构的异常电磁响应对其辐射特性及近场辐射传输影响研究（方向四）

（1）研究背景

热辐射，作为三种热传输的基本方式之一，普遍存在于自然界，热辐射的本质是电磁波的传输或者光子的传输。随着微纳米技术的不断革新，信息产业、能源产业等领域都面临一系列微纳技术带来的热科学问题，比如，如何在微型热光伏系统中利用选择性热辐射实现更高效的光电转化、如何对微型电子器件进行快速散热等等。在微纳米尺度下，研究者们逐渐发现：一方面，当亚波长微纳结构的特征尺寸小于辐射特征波长时，材料可以与电磁波相互耦合产生一些新奇的物理机制，利用这些异常机制，人们可以实现具有良好的波长选择性和方向选择性的热源，也可以在通过亚波长的空隙结构上实现光的异常增透。微纳结构的光谱辐射特性调控研究是一个结合了材料、物理以及微纳加工的综合学科领域，其在辐射制冷、太阳能海水淡化以及气体检测等领域有着广泛的应用。另一方面，当非热平衡系统中的物体间距小于物体温度所对应的热特征波长时，物体间的辐射传输主要依靠倏逝波的传递，即近场辐射换热，会远大于黑体辐射换热极限。利用近场辐射换热，可以将热量通过光子隧穿的方式传到光伏电池从而转化成电能，实现近场热光伏系统。但目前，在微纳结构的光谱辐射特性调控方向和近场辐射传热及其应用方面，还有很多问题有待开展进一步深入研究。

（2）主要研究内容

i）微纳结构的光谱辐射特性理论设计及调控机理研究

首先，基于金纳米粒子激发的局域表面等离子体共振，提出了可以在可见光波段实现宽谱带吸收的基于单层二硫化钼的复合结构。其次，基于塔姆等离子体极化激元模式（Tamm plasmon polaritons，TPPs）结合单层二硫化钨，提出了可以在可见光波段实现窄谱带完美吸收的基于单层二硫化钨的TPPs结构。同时，根据TPPs结构激发TPPs模式时在金属与电介质布拉格反射镜之间间隔层中的强场约束，通过调整基于单层二硫化钨的TPPs结构的共振波长与单层二硫化钨的激子峰匹配来实现耦合增强的单层二硫化钨激子跃迁局域吸收。另外，基于TPPs模式和耦合模式理论提出了基于石墨烯的塔姆等离子体结构。然而，激发TPPs模式需要复杂的多层结构设计以及激发导模共振需要特殊的图案设计，这将极大地增加制造成本且会对石墨烯造成损害而影响石墨烯的性能。因此，基于法布里-珀罗（Fabry-Pérot，FP）共振提出了一种更易于加工的基于石墨烯的FP结构。

之后，利用石墨烯的化学势可以通过施加栅极电压的方式进行主动调谐，基于FP共振和耦合模式理论提出了基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，如图34(a)。利用其在横磁波偏振下可以同时激发FP共振和导模共振实现了双峰窄谱带吸收，利用其在横电波偏振下可以激发FP共振实现了单峰窄谱带吸收。进一步的研究表明，通过调控吸收器中石墨烯的化学势可以在不改变FP共振和导模共振波长的前提下实现吸收器峰值吸收率的主动调谐。此外，基于一维光子晶体的缺陷模式，通过在一维光子晶体中加入单个或多个相变材料Ge₃Sb₂Te₆（GST）缺陷层，可以在中红外波段实现单通道或多通道的光谱透射调谐，并将其用在了非色散红外光谱检测技术中光学过滤器的设计上。最后，利用相变材料和石墨烯对六方氮化硼（hBN）的双曲声子极化激元进行主动调谐并实现了hBN可调谐的多通道自发发射率增强，如图34(b)。对于固定厚度的多层石墨烯/hBN在非晶态GST基底上的色散分布，随着非晶态GST基底上石墨烯/hBN层数的增加，hBN与石墨烯之间的耦合极化激元分支变强，对应的自发发射率增强区域也明显变宽。该工作发表在《Journal of Applied Physics》上。

 

图34 (a)基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器;(b)复合石墨烯/hBN/GST体系

ii) 微纳结构的近场辐射传热理论及实验研究

研究了石墨烯-二氧化硅单磁光多层超材料间近场辐射传热的调控，从理论上探讨了外部垂直磁场对多层磁光超材料中表面波和双曲模式的影响，并对影响传热的相关因素进行了具体分析，实现了以较低的磁场对近场辐射传热的高效调节。以及由锑化铟和石墨烯两种磁光材料交替组成的多层超材料间近场辐射换热的主动控制。采用外加垂直磁场的方法，可以实现非高频电主轴的主动控制。我们进一步从理论上论证了在外加磁场作用下，两种多层双曲超材料(由磁光材料和介电材料的交变层组成)之间的动态可调近场辐射传热。

之后，从理论上研究了有石墨烯覆盖和无石墨烯覆盖的GST填充碳化硅纳米孔结构之间的近场辐射传热及其热调控效应。通过控制GST的相态，可以对净热流和热调控系数进行动态调制。研究了热调控器的间距距离、体积填充系数和石墨烯覆盖对热调控效果的影响。进一步通过分析色散关系和穿透系数，研究了热调控背后的机理。如图35（a）所示，进一步对锑化铟粒子填充液晶构造的磁光超材料的磁响应进行探索，试图揭开双磁响应材料之间近场辐射换热的物理机制，从而构造材料上易于获得，结构上易于加工的近场辐射调控配置。此外，由于纳米颗粒倾向于在基底材料中聚集，因此提出了不同团聚状态的粒子参与的近场辐射传热，例如单链，面心立方簇和随机分布。最后分析了体积填充系数对近场辐射传热的影响。成果发表在《Journal of Physics D: Applied Physics》上。

 

图35 (a)两半无限液晶基磁光超材料的示意图;(b)近场辐射热流测量的实验装置示意图

然后通过一篇综述，我们简要介绍了多体近场辐射传热的基本物理原理，阐述了处理多体近场辐射传热的各种理论方法，并重点介绍了在多体系统中实现的独特功能及其应用。从基础物理、实验验证和潜在应用等方面对多体近场辐射传热面临的主要挑战和机遇进行了概述和讨论。成果发表在《Reports on Progress in Physics》上。最后，在近场辐射传热实验研究方面，如图35（b）所示，我们探索了石墨烯/hBN异质结和石墨烯/hBN/石墨烯三层结构之间的近场辐射传热。与光栅和纳米线结构相比，这两种配置更便于制造，且成本相对较低。为了大幅提高传热性能，采用平板-平板结构代替微米尺寸的平板和微球（或点）-平板结构。

iii) 近场辐射熵在热电能量转换系统中的应用

热光伏电池和热辐射电池是通过能由辐射产生电子空穴对并通过p-n节半导体直接将辐射能转换为电能的装置；电致发光和负电致发光是两种通过施加偏压的p-n结达到制冷效应的热电能量转换装置。这些热电能量转换装置具有结构稳定、运行没有噪音、能量密度大等优势，使得其在军事、航空航天、热电联产等方面有很大的应用前景。近场效应在极大地提高这些辐射热电能量转换装置功率的同时，其对转换效率的影响也同样受到关注，能量转换系统可以达到的最大转换效率取决于系统熵产的最小化。

 

图36 (a)近场热辐射电池系统结构和能流示意图；(b)不同真空间距下最大功率和效率极限

我们通过计算考虑近场效应的辐射热流和熵流来评估近场辐射热电能量转换系统的性能。基于理想热光伏电池不产生熵的假设，得到热光伏系统的效率极限。结果表明，钨-锑化镓热光伏系统的效率极限较高。此外，我们研究了双曲超材料对系统性能的影响。然后，通过将吸收器和热辐射电池之间的真空间距减小到辐射特征波长量级，我们发现近场耦合可以大大地增强热辐射电池的功率，如图36所示。然而，由于近场效应会同时增强热流和熵流，因此转换效率并没有提高。此外，我们还证明了双曲超材料和洛伦兹吸收器可以通过利用额外的表面模式和更高的熵含量来进一步提高近场热辐射系统的性能。最后，研究发现近场效应能增强负电致发光系统的性能，但其并不总是对电致发光系统有利。此外，随着温差的增加或冷却目标温度的降低，电致发光和负电致发光系统的制冷功率密度和制冷系数极限都明显下降。成果发表在《International Journal of Heat and Mass Transfer》和《AIMS Energy》上。

（3）主要创新点和贡献

在课题组多年关于微纳结构下光谱辐射特性调控及近场辐射传输的基础上，利用相变材料和石墨烯对hBN的双曲声子极化激元进行主动调谐并实现了hBN可调谐的多通道自发发射率增强；然后，进一步对锑化铟粒子填充液晶构造的磁光超材料的磁响应进行探索，试图揭开双磁响应材料之间近场辐射换热的物理机制，从而构造材料上易于获得，结构上易于加工的近场辐射调控配置。最后，利用近场辐射熵对能量转换系统的性能进行评价。

i）基于相变材料GST和石墨烯可主动调谐的特性，提出利用GST和石墨烯对hBN的双曲声子极化激元实现主动调谐并获得可调谐的多通道自发发射率增强。hBN/GST系统的杂化双曲声子极化激元和自发发射率可以随着GST从非晶态GST相变到晶态GST而实现主动调谐。为了实现进一步的调谐，通过增加石墨烯和GST可以实现hBN主动的色散和自发发射率调谐。对于固定厚度的多层石墨烯/hBN在非晶态GST基底上的杂化色散分布，随着石墨烯/hBN层数的增加，hBN与石墨烯之间的耦合极化激元分支逐渐变强，对应的自发发射率增强区域也明变宽。这些特性为实现天然或人工双曲线材料的声子色散和自发发射率增强的主动可调谐提供了一条可行的途径。

ii）从理论上研究了两种由锑化铟纳米粒子以单链链形式分散在液晶中的磁光超材料之间近场辐射传热的磁场调控。我们发现，相对较弱的磁场可以控制液晶的夫瑞德利克兹相变引起的热流。随着磁场的增大，锑化铟的磁光响应导致了更明显的热调控。本征双曲模式和磁化诱导双曲模式，以及粒子的偶极共振在近场辐射传热中起了主导作用。此外，还讨论了不同颗粒聚集形式和占空比对传热的影响。我们的研究可以为近场辐射传热的调制提供一种实用可行的替代方案。

iii）通过使用辐射热流和熵流来计算理想近场热光伏电池和热辐射电池、电致发光和负电致发光制冷系统的热力学性能。研究发现，近场条件下通过光子隧穿可以显著提高系统的最大功率而不会影响效率。此外，热源温度的降低将极大地削弱系统的性能，而双曲超材料和洛伦兹吸收器可以显著改善系统的性能。这项工作有助于进一步了解近场辐射熵，并证明了其在评估近场辐射热电能量转换系统的热力学性能方面的巨大潜力。研究结果为近场热电能量转换系统的性能改进树立了一个目标，同时将为近场辐射热电能量转换系统的设计和应用提供了新思路、新方案。

（4）重要论著及专利

8  负碳技术（方向四）

（1）研究背景

为了实现《巴黎协定》中商定的将全球气温升高限制在2℃或最新的1.5℃。负排放技术 (NET) 的广泛应用被认为是必不可少的。选项包括依赖光合作用的两个主要 NET：(1) 具有碳捕获和储存 (BECCS) 的生物能源和生物炭的生产和封存。对于长期全球温度目标，BECCS 是 IPCC 第五次评估报告7制定的情景中考虑的唯一重要NET. 但是，此选项发展缓慢，需要数年时间才能成熟。本研究提出了一种基于生物质热解的即用型生物炭技术，随后在土壤中封存生物炭，并使用相关的生物燃料作为能源和化学原料，提供了一种可以应用到广泛应用的近期技术，使BECCS 部署变得更加可行。它具有高温室气体减排强度、经济效益（包括避免昂贵的 CCS 设施）、环境效益（对空气质量和土壤质量）以及广泛的可运营规模。

同时，对于传统燃煤电厂的减排研究也在进行。目前可再生能源高比例渗透的灵活需求依赖于燃煤机组（CFUs），短期内大规模淘汰CFUs在中国是不现实的。由于城市扩张，目前约有 458 座中国燃煤电厂(CFPP) 位于城市。受限于空间，城市 CFU 难以配备碳捕获和储存系统。这对城市 CFPP 的低碳转型和碳中和过程提出了相当大的挑战。因此我们提出了一种在有限空间内减少燃煤电厂碳排放的现成方法：屋顶光伏辅助发电结合污泥混烧燃煤发电系统（PVSC）。

（2）主要研究内容

i）生物质中间热解多联产技术的研究

生物质热解是一种成熟的热化学技术，可将生物质转化为三种主要产品流：生物炭、热解气体和生物油。生物炭通常与肥料混合，然后返回土壤，既可以作为碳储存的介质，也可以作为土壤的有益改良剂。裂解气和生物油作为燃料，裂解气可用于发电，也可用作家庭取暖和烹饪等应用的能源，而生物油也可用作燃料。

生物质热解主要分为三种类型：快速、中速和慢速。本研究重点关注中最先进的生物质中间热解多联产(BIPP)系统，以作为BECCS的短期替代方案。术语“多联产”是指一个集成技术系统的多个输出，这种BIPP系统在技术，经济以及潜在的环境绩效方面具有许多优势。从技术上讲，与主要产品是生物油的快速热解相比，中间热解在600℃的最佳工作温度下以30分钟的停留时间进行操作，从而能够进行完整的二次反应并且能够因此产生相对更多的生物炭（产量增加 33-37%）。与初级产品为生物炭的慢速热解相比，中间热解多联产通过生产热解气和生物油为发电提供了可观的热量和潜力；它还生产具有较高稳定性的生物炭（土壤中的稳定碳百分比在100年内按重量计为 60-80%）。此外，该系统具有良好的原料灵活性，这意味着它非常适合中国各种可用的生物质资源，提供了部署各种热解产品的潜力。此外，BIPP系统的应用具有潜在的积极环境影响，特别是在降低大气中的碳含量和土壤管理方面，后者通过使用生物炭作为土壤改良剂来实现。总而言之，BIPP系统可以在短期内提供三重效益，不仅在应对气候变化方面，而且作为对环境有利的能源来源和改善土壤质量的来源。尽管在中国进行了大量的实验研究和早期的商业应用，但目前还没有对BIPP系统在温室气体减排背景下的潜力进行全面评估，在中国也没有开发和部署BIPP技术的具体政策，这些信息对于更全面地讨论我国气候变化缓解方案至关重要。

1) BIPP系统的动态仿真

BIPP 系统的能量和质量平衡取决于许多因素，包括生物质原料类型、加热速率和反应时间，以及峰值热解温度。基于中国8种主要农作物残留物类型（占农作物残留物的90%以上）的组成参数，建立模型并使用Aspen Plus模拟器进行计算。本分析探讨的材料流包括冷却水和用于加热热解反应器的生物质燃料。生物质热解反应器所需的热量由部分生物质原料燃烧产生的高温烟气提供，随着热解温度的升高而增加，如图37(a)所示. 该图表明，由于纤维素和半纤维素的分解，燃料需求在 250-450 °C 的热解温度范围内以更快的速度上升。450℃以上，油耗增长缓慢，主要与温度升高和木质素分解缓慢有关。

 

图37 在 250至650 °C的温度范围内，每小时输入1吨生物质时 BIPP 系统的性能。(a)物料流：用于产生高温烟气的燃料输入、用于冷却生物炭的冷却水输入以及生物炭输出；(b)电力流量：裂解气燃烧发电系统发电量、全系统用电量、净发电量；(c)电力效率：BIPP 系统中发电的总/净效率，定义为总发电/净发电除以来自裂解气的能量输入。

图37(b)中的结果表明随着热解温度的升高，功率消耗呈上升趋势，这与燃烧单元中燃料消耗的趋势一致。然而，当热解温度高于 350 °C 时，在整个范围内的增加似乎不是线性的。另一方面，随着热解气体的产率，系统的潜在发电量随着热解温度的增加而增加。总体而言，BIPP 的净功率输出随着温度的升高而增加。总电效率和净电效率在 350 至 650 °C 之间保持稳定（见图37(c)），但净电效率在 250 至 350 °C 之间有较大提高，这主要与集成 BIPP 所需辅助电源的变化有关系统。

2) BIPP 的经济可行性。

多联产系统的规模（生物质原料容量）和运行温度是影响项目收入的两个最重要因素，这主要来自与生物炭联产具有商业价值的裂解气和生物油。图38说明了关键因素对BIPP净现值 (NPV) 的影响。结果表明，反应温度和生物质原料容量显着共同决定了系统的收益。出于本分析的目的，反应温度范围根据经济效益趋势分为三个区域：低（250-420°C）、中（420-550°C）和高（550-650°C） . 对于中低温区，BIPP系统的NPV始终为负，但低温区对生物质输入的变化最为敏感。对于低温区和中温区，NPV 都随着生物质原料投入的增加而降低。另一方面，在高温区，NPV增加，在超过 6.0 t/h 的生物质吞吐量中实现了持续的正 NPV。

 

图38 净现值的双因素敏感性分析

3) 示范 BIPP 系统的生命周期温室气体排放

根据上述技术经济分析结果，选择并采用在 525 至 650 °C 之间的热解温度下运行的示范 BIPP 系统来评估相关的生命周期温室气体净排放量。生命周期温室气体净排放量定义了与作物种植（例如土壤碳损失、肥料利用）、运输和材料投入生产过程相关的生命周期温室气体排放量，从形式封存的碳中减去固定碳的总和土壤中的生物炭和减少生物炭土壤效应产生的温室气体排放（在“方法”中解释）。生物质原料、生物油和裂解气燃烧产生的CO₂排放被视为净零，假设 CO₂释放的生物量在生物质生长周期中被捕获。计算了每个子系统的生命周期温室气体排放量，包括农业生产、运输、工厂建设和运营和维护，以及在以前的研究中大多被忽视的水处理。结果（图39(b)）显示，平均而言，对系统温室气体排放的最大贡献与工厂建设有关（42%），其次是运维（25%）、水处理（13%，主要与 CH ₄的生产有关）来自废水）、农业加工（14%）和运输（6%）。农业过程的详细分类如图图39(c)所示。该图显示，化肥的间接排放（尤其是 N 和 K 基肥料）和土壤有机碳 (SOC) 变化和化肥使用的直接温室气体排放量 (t CO ₂ -eq) 是最重要的因素，每年分别排放 649 t CO ₂ -eq 和 457 t CO ₂ -eq。

 

图39 具有生物炭封存的示范 BIPP 系统的温室气体排放（不包括化石燃料补偿）。(a)左图显示了生命周期温室气体排放、通过将生物炭隔离到土壤中的碳固定（受生物炭稳定性的影响）以及通过生物炭土壤效应减少的排放，而右图表示净寿命-整个系统的循环温室气体排放；(b)中5个子系统在 600°C 时的温室气体排放份额，其中净生命周期温室气体排放量最低；(c)农业生产不同组成部分的温室气体排放

ii)耦合光伏和污泥掺烧的燃煤电厂低碳化改造

中国的CO₂排放主要来自于电力部门，其2017年的CO₂排放高达3.44Gt，仅燃煤发电的排放量就占中国CO₂排放总量的37%，电力部门的脱碳是目前中国实现双碳目标的关键。而我国电网中水电、燃机等灵活可调电源占比少，在大规模储能技术成熟之前，目前风电、光伏等可再生能源高比例接入的灵活性需求主要依靠火电机组。为实现我国3060两大目标，在CCS技术成熟和大规模应用之前，简便易行的火电低碳化转型是当下的关键，而借助燃煤电厂现有的烟气管道、输配线路等基础设施，对燃煤电厂采用光伏辅助发电和污泥掺烧发电的改造方式，不仅可降低建设成本，同时也利于煤电进行减碳和固废处理。但是，由于不同电厂的剩余工作年限、所处位置的太阳能辐射量存在较大差异，且电厂退役政策的变化也会对系统效益产生影响。因此，本研究利用最新的太阳能资源和燃煤电厂的数据，考虑了燃煤机组退役政策差异，并结合燃煤电厂退役时间轴，建立了评价光伏改造方案可行性的效益评价指标体系，并确定了最优改造路径，不仅对现有研究进行了补充,也为我国电力低碳化发展提供省份和国家层面上的政策支持和数据依据。

首先构建了光伏发电系统（PVS）和污泥掺烧发电系统（SCS）的技术改造方案，（1）对光伏发电系统，以燃煤电站建筑(火电机组外层建筑、办公楼、维修间、材料库)顶部区域为平台搭载安装太阳能发电装置，并根据燃煤机组、太阳能辐射强度和有效屋顶面积等数据，估算了2020年全国现役燃煤电厂转型到全部退役期间的累积经济效益和环境效益，通过将燃煤电厂的剩余年限划分为五个梯度，构建慢速退役政策和快速退役政策两种情景，评估两种情景下的煤电转型累积的光伏发电潜力。（2）对污泥掺烧发电系统，将含水量为80%的机械脱水污泥运输到电厂，利用锅炉排放的烟气将其干燥至含水量达40%的状态，再将污泥作为燃料和煤炭掺烧进行发电，并根据燃煤机组特性、污泥掺烧的相关技术标准，估算了各类型机组的污泥处理容量，并逐机组核算了全国范围内的污泥处理容量的潜力和产生的经济和环境效益，结合机组的寿命、不同类型机组改造的投资回收期以及平准化处理成本，确定了最优改造目标和各省污泥掺烧发电的潜力。这为我国燃煤电厂的低碳化改造指明了最优路径。耦合光伏和污泥掺烧的燃煤电厂低碳化改造的系统概念图如图40所示。

 

图40 耦合光伏和污泥掺烧的燃煤电厂低碳化改造概念图

所有燃煤机组均按照30年的使用寿命计算。污泥的掺烧比例被确定为4%。光伏电池板在考虑逐年衰减率的情况下与燃煤机组同步退役。对全国燃煤电厂进行两种形式的方案改造的初始投资成本预计达2677亿RMB，光伏、污泥掺烧系统分别占3%和97%。电厂退役之后的处理方案不确定，所以不计算整个系统残值，因此考虑时间价值后，利用年金现值系数表计算得到初始投资成本摊销到整个运营年限上的平均值为233亿RMB，考虑每年维护运营成本之后的年平均成本为548亿RMB。整个系统每年产生电力达83.79TWh，电力平价上网可获得301.38亿RMB的收益，PVS和SCS分别贡献了3.19%和96.81%。如果将光伏发电量、污泥发电量、污泥干燥所需热量换算为煤炭消耗量，则每年可节约46.92Mt煤炭，这相当于2018年火电耗煤的2.25%。每年的CO₂减排量达114.96Mt，由于排放的避免带来的环境效益为60.36亿RMB。全国范围内，光伏装机容量将达2276MW。在整个服役期间，PVS提供的累计光伏电力将达47.20TW·h，累计节约15.20Mt煤炭，PVS共产生244.16亿RMB的效益，其中电力收益贡献量高达67.84%，其次是节约投资成本和人员安置成本，分别占比30.75%和1.41%。全国范围内现役燃煤机组统一安装SCS后，每年可处理316.82Mt污水污泥（含水量80%）。在不考虑补贴的情况下，当年污泥发电产生的收益可覆盖13%的SCS改造的投资成本。

各省PVS在整个服役周期的经济效益和环境效益的差异如图41(a)所示。经济效益包括了光伏电力收益以及节约的投资成本和运营成本，被避免的污染物排放是衡量环境效益的指标。各省经济效益和环境效益的变化趋势基本一致，山东省总效益最高，经济效益为26.14亿RMB，环境效益为11.91亿RMB，其次是内蒙古（31.06亿RMB），江苏（27.65亿RMB），广东（21.31亿RMB）；广东省的环境和经济效益差异大是由上网电价高造成的。PVS在山东和内蒙古带来最高的减排量，分别达228.16kt和204.94kt，其次是江苏（165.98kt），山西（138.41kt），河南（130.22kt）。图41(b)直观地展示了各省燃煤机组每年的湿污泥处理容量。山东省占据首位，每年可处理的湿污泥达35.66Mt，其次是内蒙古（27.92Mt）和江苏（26.25Mt）。广东，山西，河北，河南，新疆，安徽，每个省的污泥年处理量都超过15Mt，总体来看污泥处理量的省级变化和机组数量基本保持一致。图41(c)展示了各省单台机组均摊得到的光伏发电量，并分区域的统计了每年的光伏发电量。从单台机组角度看，光伏年均发电量位于前三的省份分别是上海（1333.46MW·h）、福建（1247.24MW·h）和安徽（1221.99MW·h），这是由各省可用屋顶面积差异造成的，上海的平均可用屋顶面积最大。污泥掺烧系统的经济和环境效益与单台机组的污泥处理容量联系紧密，不同省份单台机组的效益差异往往由机组容量的结构差异造成，因此比较了不同省份五种类型机组的污泥处理容量的大小，如图41(d)所示。单台机组的装机容量越大，可处理的污泥量就越多。然而，从全国范围来看，第四类型的机组(X4)（装机容量500-800MW）的单台平均污泥处理容量更高，更适合用来作为改造对象，且排名前三的省份分别为山东（265.52kt），上海（264.49kt），河北（257.04kt）。从各省污泥处理潜力角度判断，X3（装机容量300-500MW）,X4,X5（装机容量≥800MW）类型的机组是主要贡献者。

基于上述研究结果，提出以下政策建议：我国现行政策要求煤电的SO₂的排放标准为35mg/m3，承诺2030年前达到CO₂的排放峰值、2060年之前实现碳中和，同时非化石能源占一次能源的20%。而通过全国范围内燃煤电厂的低碳化改造，污泥掺烧系统和光伏辅助燃煤电站系统的推行和规模化的运用有助于减少化石能源的使用，缓解减排压力，且利于火电行业与新能源逐渐整合。由于火电厂位置分散且隶属于不同的企业，若进行该系统的推广，多头领导不利于形成统一的步调。因此，建议由政府引导，鼓励区域内火电企业协商联合的安装管理方案，形成规模效应以降低成本。对光伏发电潜力大和污泥处理潜力较低的省份优先进行电厂改造。此外，应重点关注改造后经济、环境效益预期较高的省份。成果发表在Environmental Science and Ecotechnology上。

（3）主要创新点和贡献

i）本研究对生物质炭生产的BIPP技术进行了综合评估（包括技术、经济和环境分析），并将单个工厂的运营研究扩展到全国范围以寻求可大规模部署路径，实现温室气体减排目标的途径。如此模型所示，通过在技术、经济和环境之间进行权衡，BIPP 工厂加上产生的生物炭的土壤应用以及产生的热解气体和生物油的使用可能有助于负碳排放和减少空气污染物排放，同时同时产生利润，这是一个双赢的局面。建议为实现经济可行性和环境可持续性，BIPP反应器应在550至650°C的最佳温度下运行，这可以提供对工业和整个社会都有益的产品。此外，为确保行业有序发展，应启动和实施生物质原料生产支持制度。这种支持结构应包括农村地区的综合收集-运输-预处理设施，通过纳入能源作物和森林残留物增加原料资源的生物多样性，最后开发材料储存设施以保证生物质原料在所有季节的可用性。

此外，对国家的BIPP部署战略有着重要的参考价值，国内部署BIPP应首先关注生物质资源丰富且迫切需要遏制温室气体排放和大气污染物排放的地区，例如山东，河北和河南省。这些区域可能是展示所提议概念的摇篮。同时，考虑到河南等地区由于原料价格相对昂贵，经济条件较差，建议对此类高成本地区的BIPP系统进行补贴。二是鼓励生物质资源丰富、经济条件较好的省份应用BIPP技术，将BIPP系统的裂解气发电输送到空气污染严重但生物质原料供应不足的地区，如山西、贵州、和内蒙古。

本研究还分析和证明了用于 BIPP 生产生物炭和热解气体以及在中间时间段部署 BECCS 的作物残留物的分配。与未来仅依赖 BECCS 相比，立即实施大型 BIPP 设施并未来部署 BECCS 不仅可以在短期内降低能源的温室气体排放强度，而且还可以导致温室气体排放量的累积减少与等待 BECCS 广泛可行相比，到 2050 年。此外，该战略的部署可以有效地促进到 2100 年的长期净负温室气体排放，因为到 2050 年它将导致生物 NETs 的年负排放量增加。

ii）利用最新的太阳能资源和燃煤电厂的数据，考虑了燃煤机组退役政策差异，并结合燃煤电厂退役时间轴，建立了评价光伏改造方案可行性的效益评价指标体系，并确定了最优改造路径，不仅对现有研究进行了补充,也为我国电力低碳化发展提供省份和国家层面上的政策支持和数据依据。另一方面，考虑到我国污水污泥产量快速增长的国情和污泥掺烧发电从能源、经济和环境角度被证明具有良好效益的实际情况，以现有光伏辅助燃煤电站的技术方案和燃煤电厂利用烟气干燥污泥并实现掺烧发电的技术路线为基础，提出一种简单易行的燃煤电厂低碳化改造方案，期望能够同时实现短期内火电的低碳和城市固废的有效处理。本文首先构建了光伏发电系统（PVS）和污泥掺烧发电系统（SCS）的技术改造方案，（1）对光伏发电系统，估算了2020年全国现役燃煤电厂转型到全部退役期间的累积经济效益和环境效益，通过将燃煤电厂的剩余年限划分为五个梯度，构建慢速退役政策和快速退役政策两种情景，评估两种情景下的煤电转型累积的光伏发电潜力。（2）对污泥掺烧发电系统，根据燃煤机组特性、污泥掺烧的相关技术标准，估算了各类型机组的污泥处理容量，并逐机组核算了全国范围内的污泥处理容量的潜力和产生的经济和环境效益，结合机组的寿命、不同类型机组改造的投资回收期以及平准化处理成本，确定了最优改造目标和各省污泥掺烧发电的潜力。这为我国燃煤电厂的低碳化改造指明了最优路径。

（4）重要论著及专利