煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第10期

• 烧结烟气的循环流化床焚烧处理方法

  沈宇帆, 韩诚良, 柯希玮, 张扬, 张杨鑫, 张海, 吕俊复,

  烧结烟气是钢铁生产的烧结工序产生的废气，含NOx、SO2、二噁英、挥发性有机物等污染物成分。用烧结烟气替代燃煤循环流化床锅炉空气以焚烧处理，既能有效资源化利用废气中CO和余氧，又能借助循环流化床中脱硫脱硝设备与高温环境，将烧结烟气中SOx和NOx等污染物与燃煤产生的污染物一并去除，有望成为高效的烧结烟气一体化污染物处理技术。然而，目前燃煤循环流化床燃烧背景下烧结烟气中二噁英、挥发性有机物等污染物脱除的研究尚不足。针对该问题，先通过化学反应动力学模拟，研究烧结烟气作为助燃剂燃烧过程，发现燃烧过程中产生的氢等自由基在二噁英分解过程中发挥重要作用，燃烧反应温度提高能显著促进二噁英及挥发性有机物的脱除，而燃尽烟气的余氧量降低对二噁英的脱除也有较显著促进作用。通过计算颗粒流体动力学的方法，模拟以烧结烟气为助燃剂的燃煤循环流化床锅炉运行情况，发现燃烧过程流态化情况好，烧结烟气中低浓度CO基本燃尽，旋风分离器出口CO质量浓度约100 mg/m3，燃烧温度达到去除污染物的要求，验证了将烧结烟气作为燃煤循环流化床锅炉中助燃剂的可行性。在唐山某钢铁企业开展了烧结烟气的循环流化床焚烧方法工程验证，测试发现低低温省煤器出口处烟气二噁英脱除率超过99.5%，低至0.005 7 ng TEQ/m3，CO质量浓度低至108 mg/m3，此外烟气中NOx和SO2质量浓度低至38、24 mg/m3，满足超低排放要求。工程验证证实循环流化床烧结烟气一体化焚烧处理技术有效。

• 200 kW煤纯化–燃烧和宽负荷NOx排放特性

  韩绍博, 任强强, 杨少波, 崔瑞芳, 胡玉洁,

  为了适应当今我国的能源结构和降低煤炭发电等利用过程中产生的污染物排放问题，提出了煤炭纯化–燃烧的新型煤炭反应方式，将整个煤炭的燃烧途径分为纯化和柔和燃烧2个步骤，其中纯化包括中温活化过程(对煤进行性能活化)和高温还原过程(在高温下进行煤中杂质的去除)，从而实现煤的纯化和在后续反应中的N元素的定向转化和NOx排放的降低。并在搭建好的200 kW纯化–燃烧试验台上，对宽负荷下系统的纯化–燃烧特性和N元素的转化机理进行了研究。结果表明，系统能够在53%～89%的负荷内实现稳定运行，纯化单元和柔和燃烧单元温度分布均匀，系统的温度随负荷的升高而增加，纯化单元的高温区位于高温还原单元底部，最高可达1378 ℃，而柔和燃烧单元的高温区则出现在距顶端3700 mm处。在纯化单元出口的煤气中， CO、H2和CH4的体积分数在89%负荷时最高可达23.28%、4.97%、1.52%，随着负荷的增加，燃料中C、H、N元素的转化率均有上升，且高温还原单元出口的元素转化率明显大于中温活化单元出口，达到了88.63%、96.83%和93.91%。大部分的N元素均生成了N2，53%负荷下仅有1.27%的N转化生成了NO，NOx排放最低可以达到47.38 mg/m3，此时燃烧效率可达99.01%。对氮的迁移路径转化的研究表明，系统在柔和燃烧单元沿程并没有检测到HCN的存在；而NH3则广泛存在于三级三次风喷口前；NOx首先以N2O和NO2的形式分布在柔和燃烧单元沿程，在四级三次风喷入后转化为NO。

• 氨/煤气流床半气化燃烧及氮转化特性实验研究

  崔保崇, 王肖肖, 舒逸翔, 林辉, 谭厚章, 王学斌,

  氨气(NH3)作为零碳富氢燃料，在燃煤锅炉中掺烧NH3是从燃烧源减少碳排放的有效途径，但会带来NOx排放升高和煤粉燃尽变差等问题。为实现燃煤锅炉掺烧NH3的低NOx排放，在自行搭建的气流床半气化燃烧实验台上探究了气化炉掺烧20%的NH3(G-20%NH3)和燃烧室掺烧20%的NH3(C-20%NH3)中燃料氮的转化和NOx排放特性。研究发现，气化炉内掺烧NH3会降低炉膛温度，但对煤粉的气化反应影响较小，与纯煤工况相比，煤氮的转化率仅降低了3.64%，挥发分和固定碳转化率分别仅降低了0.70%和2.54%。在气化炉掺烧NH3中，NH3在气化炉中的转化率可达69.55%。气化炉内总燃料氮向N2的转化率为68.88%，其中NH3-N向N2的转化率为67.73%。同时，气化炉掺烧NH3促进了煤-N和NH3-N向HCN的转化，转化率为0.36%。气化炉中煤粉的热解促进了NH3的热解，相较于纯煤，气化炉掺烧NH3使气化炉出口H2体积分数升高了69.23%。掺烧NH3降低了燃烧室燃烧初期的温度分布。相较于纯煤，气化炉和燃烧室掺烧NH3使燃烧室的温度峰值分别降低了46 ℃和62 ℃。但是，掺烧NH3推迟了气化半焦的燃烧，增加了燃尽区的温度。气化炉和燃烧室掺烧NH3中燃尽区平均温度比纯煤工况分别升高了135.8 ℃和72.8 ℃，促进了煤粉的燃尽。其中燃烧室掺烧NH3的促进效果更为显著，相较于纯煤，C-20%NH3中飞灰含碳降低了1.8%。但气化炉掺烧NH3更有利于降低NOx排放，相较于C-20%NH3，G-20%NH3的NO排放降低了23.51%。

• 污泥与煤流化床混燃特性

  高远, 王卫群, 黄治军, 段元强, 段伦博,

  污泥与煤混燃能够有效改善燃料的着火和燃烧特性，实现污泥的无害化与资源化利用。市政污水在消毒和脱水过程中引入的氯元素会增加市政污泥中氯的质量分数，进而对锅炉换热面和环保设备产生不利影响。利用热重–傅里叶红外分析仪和鼓泡流化床反应器，考察了不同操作条件对燃料着火、氯元素析出、灰粒径和元素分布的影响规律。结果表明，污泥中的挥发分较高，在其微商热重曲线中有3个失重峰，且最大失重峰出现在挥发分析出和燃烧阶段。随着污泥掺烧比例增加，燃料的着火温度和燃尽温度降低；烟气中CO、NO和SO2的体积分数随着污泥掺烧比例的增加而增加，污泥中较高的挥发分促进了CO的生成，同时减弱了密相区的还原性气氛，不利于NO的还原；燃烧过程中，无论是热重还是流化床实验均表明燃料中85%以上的氯元素都以HCl形式析出，且灰对HCl的自捕集作用较弱，燃料中绝大多数氯元素最终都以气态HCl形式进行排放；飞灰的平均粒径随着污泥掺烧比例的增加而减小；随着污泥掺烧比例的增加，飞灰中钾、磷和铁的质量分数显著上升，尤其是磷元素的增幅最为明显。

• 高碱煤纯烧的灰化学问题及高效燃烧研究进展

  李林宣, 任强强, 杨少波, 周丽,

  煤炭在我国的能源消费结构中占有至关主要的地位，新疆地区拥有丰富的煤炭资源储量，是我国重要的能源接续区和战略储备区。新疆地区的煤炭资源，特别是准东煤中碱金属和碱土金属(Alkali metals and Alkaline Earth Metals, AAEMs)含量普遍较高，属于典型高碱煤，可供长期使用。随着新疆地区煤炭资源的大规模开采和利用，高碱煤在燃烧过程中发生的结渣、沾污和腐蚀等问题严重限制了其大规模和高效利用。实现100%纯烧高碱煤是高碱煤利用的重要目标，但解决纯烧过程中涉及的灰问题是首要问题。基于现代多元、分时、动态分方法，利用CiteSpace软件获取近20 a来高碱煤研究领域的4401条文献，对文献结果进行文献聚类分析、关键词凸显分析和时间序列分析，对不同时期的研究热度峰值区间进行了系统分析。指出了该领域未来研究需要关注AAEMs的存在形式与迁移特性、低温共熔物形成机制、燃烧高效利用调控措施等方面。以典型高碱煤为基础，总结了其基本理化特性，重点剖析煤灰碱性组分对煤灰熔融温度的影响和AAEMs的存在形式。在此基础上，调研AAEMs和低温共熔物2个核心方面研究进展，探究AAEMs迁移特性与低温共熔物的生成机制，对煤炭清洁高效利用低碳具有重要意义。然后，将高碱煤燃烧高效利用调控措施归纳为降低AAEMs含量、增加酸性组分和反应器运行与结构优化三大类别，分析了利用措施对缓解高碱煤结渣沾污的原理与效果，并指出对应方法的问题和不足。此外，提出煤粉纯化–燃烧高效利用技术或许是解决高碱煤燃烧高效利用难题的有效手段。最后，双碳背景下对火电提出了灵活性改造需求，火电机组需要提高变负荷调节能力，以保证稳定的功率输出。指出了实现高碱煤燃烧高效利用调控建议和未来研究方向，需要结合地方多样化资源优势并系统地制定整体方案，在全流程精准控制结渣、沾污和腐蚀等难题，实现清洁高效低碳利用。

• 基于数据驱动的锅炉水冷壁壁温分布实时预测模型

  闫靖文, 刘欣, 王光礼, 张文振, 李明, 金东昊, 李驰, 李新颖, 王赫阳,

  水冷壁等高温受热面超温及由此导致的爆管事故是影响燃煤发电机组安全运行的痛点问题之一。管壁超温一般发生在锅炉受热面局部区域，为预测并缓解超温问题，就必须实时监测受热面壁温的详细分布，并做出针对性调整。由于测量手段受限且CFD数值模拟方法耗时较长，目前仍缺少一种能实时、准确地反映锅炉运行过程中壁温详细分布的技术手段。为此采用将耦合传热模型与人工神经网络相结合的方法。以某350 MW超临界对冲燃烧锅炉为研究对象，首先以壁温耦合传热预测模型为基础，通过改变耦合模型的46个锅炉关键运行参数，生成220个典型工况，并通过快速扩充方法以极低时间成本衍生出4 400个扩充工况。然后，基于典型工况与扩充工况组成的综合数据库，以锅炉的46项运行参数及壁面坐标为输入，以对应位置的壁温为输出，构建深度学习模型。模型MSE误差仅为0.005 3，准确率AUC5为0.988，且计算时长在0.1 s以内。结果表明，提出的基于数据驱动的水冷壁壁温分布预测模型通过泛化有限工况的数值模拟结果，实现了锅炉全工况下水冷壁管壁温度详细分布的实时预测，且针对模型在低负荷工况时难以准确预测传热恶化的问题，提出快速扩充数据库的方法，以极低时间成本明显提高模型对传热恶化问题的预测准确率。

• 基于时空注意力图卷积网络的锅炉NOx预测方法

  周永清, 郝大伟, 樊昱晨, 温昕彤, 韦昌, 刘欣, 张文振, 王赫阳,

  在可再生能源大规模并网背景下，火电机组的调峰运行大幅增加了锅炉NOx排放控制的难度。锅炉NOx排放的实时预测，对于指导火电机组调峰工况下的高效、清洁运行具有重要意义。CFD计算方法涉及多个物理场的耦合迭代计算，计算量巨大，难以实时地建立锅炉运行参数与NOx排放质量浓度之间复杂的非线性映射关系。随着大数据分析和人工智能技术的快速发展，数据驱动建模为锅炉NOx的实时预测与控制提供了新方法。锅炉调峰运行状态下的运行数据具有明显的时序特征，同时亦存在着复杂的空间关联特征。然而，目前所普遍采用的深度神经网络等方法无法有效地识别运行数据的时–空关联特征，因此限制了其准确预测NOx排放的能力。针对上述问题，提出一种基于时空注意力图卷积网络(AST-GCN)的锅炉NOx预测模型。该模型不仅可以在空间维度挖掘运行参数间的关联特征，还能捕捉历史运行数据与NOx排放质量浓度的动态映射关系。此外，模型中所嵌入的注意力机制能够进一步提高对运行数据中时空相关特征的动态提取能力，并增加了模型的可解释性，从而可用于指导锅炉在调峰运行下对关键运行参数的优化调整。基于某600 MW锅炉实际运行数据的预测结果表明，相较于传统神经网络模型，AST-GCN模型由于可有效提取锅炉运行参数间的空间关联与时序动态特性，显著提升了模型的预测精度和泛化性能。

• 炭化预处理对空心棕榈果壳成型颗粒气化反应特性的影响

  余浩文, 陈倩, 杨明明, 郭松灵, 丁路, 王辅臣,

  水热炭化和干法烘焙等低温炭化预处理方式可有效改善生物质的燃料特性，实现生物质的高效利用。选取空心棕榈果壳(Empty Fruit Bunch，EFB)为实验原料，在180～220 ℃的温度范围对其进行水热炭化和干法烘焙预处理，研究了炭化预处理方式对生物质理化特性的影响。结果表明：水热炭化和干法烘焙均能提高生物质碳质量分数和热值，降低H/C原子摩尔比和O/C原子摩尔比，且在相同的反应温度下，水热炭化的提质作用更为明显。利用大颗粒热重在800～950 ℃下开展了炭化产物成型颗粒CO2气化反应特性研究，实验结果表明：在60 min内，EFB原料颗粒在800 ℃时碳转化率仅30%，在850～950 ℃时碳转化率可达100%，且颗粒的气化反应速率峰值由800 ℃时的0.007%/min提升至950 ℃时的0.042%/min。当气化温度为950 ℃时，水热炭颗粒的气化反应性R0.5(50%碳转化率对应的反应性)由EFB原料颗粒的0.034 min–1降低至180 ℃水热炭颗粒的0.023 min–1，水热温度由180 ℃提升至220 ℃时，R0.5进一步降低至0.011 min–1；200 ℃烘焙炭颗粒的R0.5最高，为0.039 min–1。通过对950 ℃不同气化阶段颗粒气化半焦的表面形貌与比表面积分析证明，EFB原料与烘焙炭颗粒气化过程中灰渣熔融形成的球团黏附于其表面，在碳转化率由50%提升至80%的过程中，颗粒孔隙出现堵塞，比表面积分别降低了502.40 m2/g和452.44 m2/g；碳转化率由80%提升至98%的过程中，灰渣球团逐渐融合并包覆气化半焦表面，导致颗粒的比表面积均降低至1 m2/g左右，R0.98(98%碳转化率对应的反应性)分别降低至0.017 min–1和0.018 min–1；水热炭颗粒在碳转化率由80%提升至98%的过程中比表面积增大了126.98 m2/g，这是由于水热炭化对碱及碱土金属(AAEMs)的脱除缓解了成型颗粒气化过程中的结渣现象，导致颗粒气化反应性无明显变化。研究炭化预处理方式对生物炭成型颗粒理化特性的影响及半焦结构与气化反应性演变的关联机制对生物炭成型颗粒气化技术的开发应用提供重要理论意义。

• 钛铁矿载氧体对碱金属钾的高温吸收特性

  张雨琪, 朱纯, 徐禛, 朱清, 袁强, 李林, 孙镇坤, 段伦博,

  载氧体辅助燃烧(Oxygen Carrier Aided Combustion, OCAC)技术的协同固碱潜力得到越来越多学者的关注。以天然钛铁矿提钛后的尾矿及单一组分模化物Fe2TiO5和TiO2作为吸收剂，以KCl和CH3COOK作为模拟碱源，在静态吸收实验装置上研究了钛铁矿尾矿对碱金属钾的高温吸收特性，系统探究了时间、粒径、温度、质量比、气固组分等多种因素对吸收效果的影响规律，结合X射线衍射仪、电感耦合等离子体发射光谱仪、扫描电子显微镜和X射线能谱仪等表征手段，揭示了K在钛铁矿表面富集和体相迁移的微观机理。结果表明，钛铁矿尾矿在高温下具有较好的K吸收能力，吸收速率随时间增长表现出先快后慢的变化趋势。在一定条件下，减小颗粒尺寸、提高反应温度和气相中的K浓度，可进一步提升钛铁矿尾矿的固碱性能。在与实际工业烟气相似的温度和碱金属浓度条件下，钛铁矿尾矿对K的捕集率可达40%以上。钛铁矿尾矿的主相具有富Fe层和富Ti层交替排列的独特片层结构，且相较单一组分模化物具有更复杂的形态和更优异的固碱能力。其过程为：K首先在钛铁矿表面沉积并逐渐形成富集层，随后通过固相扩散向内渗入，并沿富Ti层深度迁移至颗粒内部；同时，富Ti层中的Fe逐渐向颗粒外层迁移，并对K在钛铁矿中的吸收产生双重影响。此外，Cl可通过与钛铁矿表面的Fe反应生成易挥发的FeCl2而进一步促进钛铁矿对K的吸收，钛铁矿尾矿中铁钙铝榴石等脉石相对K亦具有十分显著的协同吸收作用。研究结果进一步证实了OCAC技术的协同固碱潜力，同时为低品位钛铁矿的资源化利用提供新思路。

• 液氮低温预处理下生物质热解产物特性

  许涛, 陈凌云, 郑修仁, 伍永平, 解盘石, 陈杰,

  生物质作为一种可再生能源，具有来源广、多功能、碳中和等特点。生物质的高值资源化利用有利于降低对高碳化石能源的依赖程度，保障国家能源安全，减少环境污染，符合中国“双碳”国家战略需要。热解作为生物质热化学转化的基础，是实现生物质能高值利用的最佳技术之一，但是存在生物油产率低与品质差的核心问题。针对以上问题，创新性将低温冷冻技术应用于生物质热解领域，提出“低温冷冻+快速热解”的生物质制油新方法，拟提高热解生物油产率和品质。以2种农作物秸秆为实验研究对象，采用液氮快速冷冻预处理方法，研究了低温预处理下生物质热解产物分布与组成的演变机理。实验表明，与常规热解相比，液氮低温预处理后生物质热解生物油产率升幅可达14.16%～23.73%，且低温预处理温度与生物油产率呈正相关关系，在–90 ℃低温预处理下生物油产率达最大值(22.3%～26.3%)，超出铝甑法生物油产率8.50%～22.71%。液氮低温预处理对生物油成分分布有明显的转化作用，生物油组成中苯系物(BTEX)与酚类物质有明显上升，最大涨幅分别为43.61%和12.45%。液氮低温预处理抑制了生物质热解气中CO2和CO的释放，成分占比降幅了7.2%～29.7%；促进CH4和H2的生成，成分占比提高了0.2%～14.7%。此外，低温预处理使固体产物元素组成中C元素质量分数增加，同时O元素质量分数下降，这有利于提高生物炭的可燃性，并降低其自燃风险。

• 生物质锅炉中温受热面碱蒸气冷凝与飞灰黏附多重结渣模拟

  邱桐禹, 宿海宁, 孙裕庭, 朱轶铭, 王学斌, 杨天华,

  生物质作为CO2零排放的清洁可再生能源，在部分替代化石燃料用于燃烧发电的领域具有良好的应用价值。但生物质燃料普遍含有大量碱金属成分，在燃烧过程中易于以气相形式析出凝结在受热面形成有黏性的初始沉积层，强化壁面对烟气中飞灰颗粒的捕获，导致锅炉受热面结渣情况进一步恶化。针对以上问题，利用Factsage软件计算生物质锅炉中温过热器初始沉积层黏附特性，结合临界速度模型，建立综合考虑KCl冷凝–飞灰捕捉的受热面结渣综合模型；利用ANSYS FLUENT软件编写用户自定义函数(UDF)，对生物质锅炉中温过热器受热面沾污行为进行模拟研究，并与现场采样结果对比验证模型准确性。结果表明，中温过热器区域的沉积速率与取样结果相吻合；壁面温度升高对飞灰碰撞效率影响较小，但抑制KCl冷凝导致总沉积量降低；烟气入口速度变化影响KCl冷凝和飞灰碰撞效率，大颗粒(50、80 μm)碰撞效率随烟气速度增大而增大，而10 μm小颗粒更易被粘性壁面捕获，导致沉积效率更高；相同烟气入口速度下，粒径50 μm和80 μm飞灰为主要沉积；总体上，碱蒸气冷凝在中温过热器区域结渣过程贡献显著，KCl直接冷凝在壁面的沉积质量占总沉积质量的5.41%，黏性沉积表面捕获飞灰颗粒沉积质量占19.24%。模型适用于生物质锅炉以中温过热器为代表的中温受热面(约700 ℃)积灰沾污预测。

• 啤酒糟流化床气化中颗粒粒径对气固流动和产气影响的CPFD模拟

  国洪帅, 姜华伟, 杨海瑞, 王翠苹, 李延辉,

  我国酿酒工业每年产生大量废弃啤酒糟，其具有挥发分含量高、硫含量低的特点，特别适合作为气化原料，而流化床气化炉以优异的气固混合和温度均匀性而著称，通过流化床气化实现啤酒糟的资源化和能源化利用具有重要意义。为探究啤酒糟流化床气化过程中颗粒粒径对气固流动行为和产气的影响，基于计算颗粒流体动力学(CPFD)方法，对以空气和水蒸气为气化剂的啤酒糟鼓泡流化床气化过程进行了数值模拟，研究了床料粒径和啤酒糟粒径的影响。通过CPFD数值模拟，获得了鼓泡流化床气化炉内颗粒体积分数分布、酒糟和床料的颗粒分布等流动特征，以及产气中主要气体组分的摩尔分数。借助鼓泡流化床气化实验装置，研究了床料粒径和啤酒糟粒径对产气中各气体组分体积分数的影响规律，并对数值模拟结果进行了验证。结果表明，床料粒径的增加不利于气化炉内的充分流态化和颗粒混合，使气化炉内温度沿高度的分布不均匀，并且不利于碳颗粒和水蒸气的充分混合以及气固反应和气相反应的均匀吸放热，造成H2摩尔分数显著降低；啤酒糟粒径的适当增大有助于延长其在气化炉内的停留时间，从而提高固态碳与水蒸气、二氧化碳之间的反应转化率，生成更多的H2和CO，但过大的啤酒糟粒径会造成啤酒糟和床料的混合较差，使啤酒糟比表面积减小，不利于热解和气化反应，导致H2、CO、CH4和NH3等可燃组分的摩尔分数均降低。

• 退役晶硅光伏组件解离与资源化研究进展

  王敏, 胡中发, 白冰, 陈佩, 王贵山, 张乾生, 薛渊, 张一, 王学斌,

  近年来，全球光伏产业蓬勃发展，光伏装机量快速攀升。光伏发电碳排放较传统化石能源发电仅为10%。然而，太阳能光伏板的使用寿命仅为20～25 a，随着首批光伏组件达到其寿命极限，世界各地将陆续迎来光伏组件的“退役潮”。实现退役光伏组件无害化绿色处置并回收利用光伏组件中的二次能源是光伏产业可持续发展的关键环节。目前主流的晶硅光伏组件主要由光伏玻璃、EVA(乙烯–醋酸乙烯共聚物)胶膜、晶硅电池片和含氟背板组成。完整的光伏玻璃和晶硅电池片具有较高的经济价值，因此如何选择性去除EVA胶膜和含氟背板是退役光伏组件回收再利用的重要步骤。基于此，首先简要介绍了晶硅光伏组件各部分的结构和用途，并根据各部分的物理化学特性，从光伏组件回收完整性的角度详细分析了包括热法处置、物理分离和化学解离在内的各类工艺的优缺点。已有研究表明，退役晶硅光伏组件回收难点集中在以下3个方面：高效低污染、低能耗地去除EVA胶膜、背板中含氟物质的无害化处置以及晶硅电池片上热解残碳的脱除。针对上述难点，展望了未来退役光伏组件回收技术的发展趋势，并对我国退役光伏组件回收技术研究与设计提出了合理建议。

• 直接空气捕集CO2典型工艺与关键装置开发进展

  余斌鹏, 谈磊, 王鼎, 王利民, 向小凤, 王志超, 晋中华, 杨伯伦, 吴志强,

  常规的碳捕集与封存技术和碳捕集、利用与封存技术多针对固定源排放CO2，直接空气捕集CO2(Direct Air Capture, DAC)技术作为一种新兴的负碳排放技术可对分布源排放的CO2进行捕集，进一步降低全球大气CO2体积分数。介绍了DAC典型液体吸收工艺、固体吸附工艺的发展过程及相关示范项目建设情况，分析了新兴DAC工艺的技术特点，探讨了现有DAC工艺关键装置方案和未来发展趋势。DAC液体吸收工艺具有吸收剂原料成本较低、选择性较高的特点，可实现大规模连续化捕集，但再生过程中能耗较高。DAC固体吸附工艺具有模块化、投资成本较低的特点，且再生过程能耗相对较低，但需要定期对吸附材料更换和吸附设备维护，适用于较小规模的DAC应用场景。对2种典型DAC工艺吸收/吸附材料进行了概述。DAC电振荡吸附工艺中CO2在固体电极中发生化学反应被捕集，并通过外加电场改变固体电极极性实现CO2脱附，该工艺具有比基于热量或压力的分离过程更高的效率。空气中CO2选择透过DAC分离膜从而实现了高效碳捕集。DAC变湿吸附工艺通过湿度的改变实现CO2的吸脱附，突破了常规变温/变压吸附的高能耗限制等问题。DAC生物吸收工艺通过藻类生物的光合作用将CO2吸收固定。基于双功能催化剂的DAC工艺可以在一个综合过程中实现CO2的捕集与催化，节省了CO2捕集后的运输与存储成本。DAC液体吸收工艺的关键装置为空气接触器、颗粒反应器、煅烧炉和熟化器，其中空气接触器开发的核心在于提高气液接触效率，减少喷淋过程中的水分损失和减轻设备腐蚀，颗粒反应器和熟化器开发的关键在于提高固液两相物料的接触效率以及反应后的固液分离效率。DAC固体吸附工艺由引风模块、吸附/再生模块、供能再生模块和CO2压缩模块组成的模块化装置组成，其中优化吸附模块的核心在于提高气固传质速率、调谐CO2捕集效率、降低压降；并基于不同应用场景工艺需求选择合适的再生系统或利用清洁能源，优化DAC工艺过程和开发高性能的DAC核心装置至关重要。

• 超临界CO2发泡混凝土的制备及固碳性能研究

  他旭鹏, 张源, 万志军, 曹钊, 李建伟, 李绪萍, 陈景序, 张靖,

  实现绿色低碳是推动煤炭产业高质量发展的必然选择。为了实现这一目标，提出一种采用超临界CO2相变发泡技术制备泡沫混凝土的方法，制备了一种兼具高孔隙结构和固碳能力的硅酸盐水泥基超临界CO2发泡混凝土。研究了超临界CO2对材料干密度、孔隙结构和固碳能力的影响规律及作用机制。结果表明：超临界CO2相变发泡混凝土制备过程是考虑硅酸盐水泥特性及其与CO2矿化反应特性的温压动态协调过程。利用超临界CO2相变发泡技术制备硅酸盐水泥基泡沫混凝土机理可分为CO2–水泥浆液共存、CO2–水泥浆液共溶、超临界CO2–水泥浆液共溶、卸压发泡4个阶段。提高实验压力可以增大超临界CO2–混凝土体系中的CO2质量分数，降低超临界CO2发泡混凝土的干密度，超临界CO2发泡混凝土干密度为787.14～993.52 kg/m3，变化范围为8.28%～19.20%。超临界CO2发泡混凝土孔隙率的发展受CO2在超临界CO2–混凝土体系中的扩散—溶解—反应行为影响，其孔隙率为47.87%～89.79%，增大实验压力，优化保压时间是制备高孔隙率超临界CO2发泡混凝土的发展方向。超临界CO2发泡混凝土泡孔总体呈均匀、规则、独立的圆孔，其孔径大致相同，约为0.2 mm。增大实验压力可以促进CO2矿化反应程度，有效优化泡孔结构及分布密度。每吨超临界CO2发泡混凝土骨架固碳率为6.32%～10.36%，泡孔储碳量为0.98～2.27 kg，具有明显的固碳潜力，但其制备工艺及参数仍需进一步改善。超临界CO2发泡混凝土有望发展为一种近零碳矿用功能性材料，对实现煤电一体化基地源头减碳意义重大。

• 扩散作用控制下CO2矿化封存实验及模拟研究

  王晓, 文凯星, 石祥超, 吴彬, 吴晓亮, 于兴川, VLADIMIR Alvarado,

  玄武岩地层由于富含钙、镁、铁等二价金属元素，能够通过高效的矿化反应将注入的CO2转化为碳酸盐岩，实现CO2安全有效的永久封存。但围绕CO2矿化封存机制的研究尚不完善，多数研究忽略了扩散作用对CO2矿化机制的影响。通过试管填充及烧杯平铺实验，开展了不同矿物、不同粒径及不同反应时间下的CO2–水–岩反应，并对反应后岩样开展多维度分析，包括拉曼光谱、无机碳含量以及SEM-EDS等，从而阐明了扩散作用在CO2矿化封存中的重要性以及扩散作用控制下CO2矿化产物的时空演变规律。同时，通过TOUGHREACT建立了扩散作用控制的试管填充实验的数值模拟模型，并通过与物理实验结果拟合，确保数值模拟模型的准确性。在此基础上，开展了更多影响因素的作用规律研究，并为物理实验现象提供机理解释。结合物理实验及数值模拟结果表明：① 在不存在扩散作用的烧杯平铺实验中，反应14 d后无矿化产物，28 d后仅有微量菱镁矿生成。② 相反，在扩散作用控制下的试管填充实验中，橄榄石填充管中的主要的沉淀物是菱镁矿，天然玄武岩填充管中的沉淀物以方解石、菱铁矿为主，菱镁矿为辅。在相同矿物粒径、相同反应时间下，天然玄武岩中CO2矿化速率远小于橄榄石，这是由于橄榄石与玄武岩其他组成矿物相比溶解速度最快。③ 在橄榄石或玄武岩填充管中，碳酸盐沉淀物沿填充管均呈非均匀分布。通过数值模拟解释了造成这一现象的根本原因，即在扩散作用控制下，填充床中H+、DIC (Dissolved Inorganic Carbon)以及二价金属阳离子存在浓度梯度，且浓度梯度方向不同。④ 矿物比表面积对CO2–水–岩反应有显著影响，不仅影响矿化效率而且影响矿化产物空间分布，并最终影响反应后多孔介质孔隙度分布。⑤ 与压力相比，温度对CO2矿化的影响更大；当温度从65 ℃升高到85 ℃时，方解石、菱铁矿及碳酸盐沉淀总量明显增加，但从85 ℃升高100 ℃，仅菱镁矿沉淀量增加明显。压力对方解石沉淀的形成影响较小，而对菱镁矿及菱铁矿的形成几乎没有影响。

• 新型燃煤电厂发电–脱碳–供热一体化的耦合系统

  徐熙然, 汪若凡, 李珏, 陈海军, 吴影,

  伴随着能源需求的提高，所伴随而来的环境问题也日益加剧，燃烧产生的CO2便是温室气体的直接来源，其中燃煤电厂是主要碳排放源，且在生产过程中产生大量的余热。燃煤电厂脱碳系统和热电联产系统对热源温度要求相近，针对这一特性，可以在控制燃煤电厂的碳排放量的同时，对其过程中产生的余热进行回收利用，提高系统的供热能力。基于燃煤电厂发电系统、固体胺吸收剂脱碳系统以及一次/二次供热系统，创新性地提出了一种发电–脱碳–供热一体化的耦合系统。引入背压式供热汽轮机和背压式脱碳汽轮机取代低压汽轮机，以背压式供热汽轮机和背压式脱碳汽轮机的排汽分别给供热过程和脱碳过程提供热源，在保证脱碳能力的前提下显著降低了耦合系统的发电能力损失。为再进一步提高耦合系统的热力性能，采用吸收式换热技术高效回收脱碳系统释放的低温余热，提高耦合系统的供热能力。计算结果显示，新型发电–脱碳–供热一体化的耦合系统回收了90%以上脱碳系统释放的低温余热，系统的供热能力由785.06 MW提升至1288.94 MW，供热能力升高65%，节能效果显著。

• 微米级蜂窝状软木多孔炭的制备及吸附四环素的性能

  张己召, 王启航, 李承禹, 何丹味, 母军,

  以工业废弃软木颗粒为原料，KHC2O4为活化剂，采用一步法慢速热解、活化得到具有蜂窝状结构的分级多孔活性炭KHBC，并将其应用于吸附水体中的盐酸四环素 (TC)。通过拟合孔隙结构参数与四环素吸附量分析活性炭孔隙与吸附性能的关系，通过静态吸附实验探究初始pH、温度、初始质量浓度、离子强度等因素对吸附性能的影响，利用SEM、FT-IR等技术对KHBC吸附前后的物理化学结构进行表征，建立活化工艺–软木活性炭孔隙结构–吸附性能间的相关关系。结果表明，活化温度和KHC2O4添加比例的提高对比表面积和总孔体积有积极影响，并促进2～5 nm介孔的形成。比表面积和总孔体积与吸附TC容量间呈较强的线性关系，R2分别为0.985 2、0.958，2～5 nm介孔容积与TC吸附容量的R2为0.838 8。当活化温度为900 ℃、活化剂添加比例为5∶1时，得到的KHBC5-900比表面积高达2 447 m2/g，2～5 nm的介孔明显增多，对水体中TC的吸附效果最好，其呈现微孔–介孔的孔径结构，在45 ℃时吸附量高达1 113.45 mg/g，25 ℃时吸附量高达961.54 mg/g，5 min即可达吸附总量的85%，1 h可达吸附平衡，是未活化BC-900吸附量 (21.25 mg/g) 的46倍。且吸附能力几乎不受环境pH和离子强度的影响。KHBC5-900对TC的吸附符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型，吸附过程是自发和吸热的，吸附机理表明，孔隙填充是主要的吸附机制，同时存在π-π相互作用和氢键相互作用。

• 非热等离子体强化Cu催化CO2加氢制甲醇机理探索

  陈玉民, 董永恒, 史承静, 孙龙坤, 朱丙鑫, 李冰, 刘洋, 周怀春,

  CO2耦合绿氢制甲醇可同时实现CO2规模转化利用和绿氢储存，甲醇可作为绿色低碳燃料或工业平台产品大规模应用，对推动碳捕集、利用与封存(CCUS)技术进一步发展具有重要意义。非热等离子体(NTP)能在温和条件下活化CO2进行加氢反应，耦合催化剂后可实现甲醇等特定产物定向调控，但其反应机理亟待明确。基于此，结合介质阻挡放电(DBD)实验与连续脉冲等离子体反应动力学模拟，对NTP强化Cu/γ-Al2O3催化CO2加氢制甲醇反应机理和过程耦合规律进行研究。实验证明，NTP与10% Cu/γ-Al2O3耦合可在80 ℃、0.1 MPa下实现18.74% CO2转化率和36.28% CH3OH选择性。放电参数在线监测和原位发射光谱(OES)测量结果表明，耦合Cu/γ-Al2O3后局部放电增强，使得平均电子能量和密度增加促进CO、H生成并参与表面反应而消耗，导致光谱强度减弱。进一步由敏感性和ROP分析发现，NTP中H、CO等活性物质通过CO2(S)+H→COOH(S)、CO+H(S)→HCO(S)、CO(S)+H→HCO(S)、CH3O(S)+H→CH3OH(S)等E-R反应替代对应高能垒L-H反应促进甲醇高效生成。分析反应路径得出，甲酸盐(HCOO*)路径是Cu/γ-Al2O3表面甲醇生成主要路径，其中反应CH3O(S)+H(S)→CH3OH(S)+Cu(S)是最大限速步，RWGS+CO氢化路径中通过CO2(S)→COOH(S)→CO(S)路线生成CO(S)并快速脱附为降低CH3OH选择性重要因素。不确定性分析表明，虽然提高CO2吸附速率可有效提高其转化率，但当H(S)不足时反而会增加CO选择性，最优CO2和H2吸附速率比为γ(H2)/γ(CO2)=7～8；提高CO(S)吸附稳定性并增强H2电子碰撞解离以促进H生成，可提高CO(S)→HCO(S)、CH3O(S)→CH3OH(S)等速率，协同实现27.4%、51%的CO2转化率和CH3OH选择性。

• 深井高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理及预测

  王猛, 朱斯陶, 李士栋, 李冬冬, 姜福兴, 张修峰, 陈洋, 孟祥阁,

  煤矿深部开采除了面临“三高一扰动”之外，还面临井下腐蚀性大气和高应力、强扰动等因素共同形成的高应力腐蚀环境，井下大气腐蚀环境等级能达到CX(极高腐蚀)级。以山东巨野煤田深部矿井为工程背景，首先分析了深井开采高应力腐蚀特征及影响因素，对锚杆杆体材料开展实验和理论研究，揭示了高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理，推导了杆体强度劣化理论模型。① 通过对杆体材料开展SEM、腐蚀SSRT和加速腐蚀实验发现：腐蚀会造成杆体材料的断后伸长率和断裂时间的衰减，相较于惰性条件分别减少了8.22%和8.34%；随腐蚀率增加，材料破坏形式由韧性破坏向脆性破坏转变，区域腐蚀类型逐渐由点蚀发展为均匀腐蚀。② 结合实验结果、电化学理论与非均匀腐蚀模型，引入Pruckenr温度影响因子，推导出杆体材料强度劣化时变模型。深入探究该模型中服役环境温度T、杆体截面半径R和杆体材料常温腐蚀速率Vh,298K对杆体服役寿命的影响发现，R与服役寿命呈线性正相关；T和Vh,298K与服役寿命的关系表现为服役寿命衰减程度随影响因素水平升高而减小。③ 结合实验结果与锚杆防冲吸能原理，对巷道锚杆支护极限抗冲能力进行计算分析。结果表明，随锚杆腐蚀率增加，锚杆吸能减少，可抵抗最大震级降低，巷道动力失稳灾害发生风险增加。

• 非均厚“弓形”巨厚关键层动静载作用机制

  朱卫兵, 宁杉, 曹安业, 许家林, 窦林名,

  巨厚关键层破裂运动是诱发矿山动力灾害的重要因素，探究其厚度变化对采动应力分布及破裂动载的影响，对明确巨厚关键层采场动、静载来源及冲击矿压孕育机制具有重要意义，是冲击矿压风险预测及灾害防控的理论基础。以陕西彬长矿区某矿非均厚“弓形”巨厚关键层为研究对象，综合理论分析与数值仿真计算，剖析了巨厚关键层“弓形”形态下伏煤岩体采动应力异常集中的力学原理，探明了“弓形”形态对巨厚关键层破裂特征的影响规律，揭示了“弓形”形态下伏区域动静载叠加致灾机制，据此提出了“弓形”巨厚关键层破裂致灾风险预测方法。结果表明，“弓形”巨厚关键层底部凸起导致下伏煤岩体垂直应力异常集中，相较于均匀厚度巨厚关键层，该区域煤岩体垂直应力额外增加22.1 MPa，增幅比例高达56%，此为下伏煤岩体高静载形成的根本原因。同时，伴随着开采范围的扩大以及非均厚“弓形”巨厚关键层运动，造成其底部内凹拐角区出现显著的高应力集中现象，导致该区域岩石发生破裂及弹性能快速释放，此为强动载形成主要原因。在上述非均厚“弓形”巨厚关键层动静载叠加作用下，煤柱大巷区域极易出现冲击矿压。基于此，准确识别并定位了非均厚“弓形”巨厚关键层影响下采动覆岩动载形成来源及发生区位，结合巨厚关键层分布式光纤原位监测结果，以光纤断裂高度为监测指标，验证了巨厚关键层破裂及动载荷形成之间的内在联系。

• 瓦斯氛围下煤–水界面润湿特性及其影响机制

  岳基伟, 王辰, 石必明, 王兆丰, 徐金林, 韩奇峻, 孙永鑫, 梁跃辉,

  煤层注水被广泛用于煤层瓦斯治理，其治理瓦斯的效果关键在于水分对含瓦斯煤体的润湿效果，然而高瓦斯煤层中瓦斯严重干扰着水分对煤体的润湿。为弄清瓦斯氛围下水分对煤体的润湿特性，采用自研的瓦斯氛围下煤–水接触角测试装备及自开发的瓦斯氛围下水的表面张力测试软件，研究了瓦斯氛围下煤–水界面润湿参数，阐释了瓦斯氛围下煤–水界面的润湿特性，并揭示了其影响机制。研究结果表明：瓦斯氛围下随着瓦斯压力的增加，水的表面张力、煤的表面能及黏附功逐渐减小，煤–水接触角及煤–水界面能逐渐增加，水对煤的润湿效果变差；基于煤的工业分析、元素分析及微光谱图分析，建立了无烟煤的分子结构模型，分子式为C99H54N2O3S，煤分子模型的桥碳比为0.61，其与13C-NMR谱图的桥碳比一致；瓦斯氛围下煤水微观润湿体系中，煤水交界面以下，水分子的相对浓度随着瓦斯压力的增大而减小；煤水交界面以上，瓦斯压力越大，水分子相对浓度峰值越大；瓦斯氛围下煤水微观润湿体系中，随着瓦斯压力的增加，水分子的吸附程度减弱，煤中瓦斯被置换的程度减小，甲烷分子的扩散系数减小，水分子分散程度增加，聚集程度减弱，水分子的扩散系数增加。

• 贫氧作用下煤氧化放热关键基团演变特征及其热效应

  张园勃, 张玉涛, 邓军, 李亚清, 史学强, 任小芳,

  为了探究贫氧作用下煤自燃放热关键基团演变特征及其热效应，利用差示扫描量热实验和原位红外实验测试了不同氧气体积分数下煤热反应过程及其微观基团变化规律。结果表明：煤自燃放热过程可分为蒸发吸热、氧化放热、分解蓄热、燃烧放热和燃尽5个阶段，而基团可分为芳香烃化合物、脂肪烃化合物、羟基和碳氧基团4类。随着反应温度的升高，煤中—C=C—逐渐下降，脂肪烃和碳氧基团先增后降，羟基基团则呈两段式下降趋势。随着氧气体积分数的降低，煤反应热流曲线和特征温度向高温区移动，反应强度、放热量和放热特征参数降低。氧气并未改变煤自燃放热进程和基团的变化规律，但会显著影响其关键温度节点。更进一步的，采用灰色关联和量子化学方法确定了关键基团演变特征及其反应热效应。结果表明，任意氧气体积分数下煤自燃放热最关键基团的变化趋势均为—OH-1→—COO—→Ar—CH→Ar—CH，但其关键基团归属则依次为羟基→碳氧基团→脂肪烃化合物→芳香烃化合物。贫氧状态下煤自燃放热过程关键基团及其归属种类并未发生改变。煤自燃过程中H2O和CO的生成属于自发放热反应，而C2H4和C2H2生成反应为非自发吸热反应，且C2H4和C2H2作为自燃标志性气体的灵敏度强于前两者。C2H2生成反应是煤放热过程中出现显著吸热峰的关键原因之一，而芳香烃燃烧产生CO和CO2则是煤燃烧剧烈放热的主要原因之一。