1燃煤锅炉智能燃料燃烧技术（方向一）
（1）研究背景
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
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
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
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
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。
（4）重要论著及专利
序号
成果名称
完成人
年、卷、期、页或专利号
类型
类别
1
ExperimentalandDFTresearchonroleofsodiuminNOreductiononcharsurfaceunderH2O/Aratmosphere
YifengChen,ShengSu*,Chun-XiuZhang,Zhong-HuiWang,Yu-XianXie,HaoZhang,Meng-XiaQing,YiWang,SongHu,Zhong-XiaoZhang,JunXiang*
Fuel
2021,302:121105
论文
合作完成
2
InsightsintoevolutionmechanismofPAHsincoalthermalconversion:AcombinedexperimentalandDFTstudy
YifengChen,ShengSu*,Liang-PingZhang,LongJiang,Meng-XiaQing,Huan-YingChi,PengLing,Heng-DaHan,KaiXu,YiWang*,SongHu,JunXiang
Energy
2021,222:119970
3
EffectsofCO2andH2Oonoxy-fuelcombustioncharacteristicsandstructuralevolutionsofZhundongcoalpelletatfastheatingrate
ChiHuanying,SuSheng*,LiHanjian,XuKai*,LeongHuiyi,XuJun,JiangLong,WangYi,HuSong,XiangJun
独立完成
4
EffectsofParentCoalPropertiesonthePyrolyticCharChemicalStructure:InsightsfromMicro-RamanSpectroscopyBasedon32KindsofChineseCoals
DezhiChen,XinyuNing,WenTang,JunXu,KaiXu,LimoHe,HengdaHan,ShengSu,LongJiang,YiWang,SongHu,JunXiang
Processes
2021,2227-9717
5
RamanSpectroscopyasaVersatileToolforInvestigatingThermochemicalProcessingofCoal,Biomass,andWastes:RecentAdvancesandFuturePerspectives
XuJun,HeQichen,XiongZhe,YuYun,ZhangShu,HuXun,Jiang,Long;Su,Sheng;Hu,Song;Wang,Yi;Xiang,Jun
Energy&Fuels
2021,35:28702913
6
Developingmicro-Ramanspectroscopyforcharstructurecharacterizationinthescaleofmicro-andbulk:AcasestudyofZhundongcoalpyrolysis
JunXu,XingruiXiang,KaiXu,LimoHe,HengdaHan,ShengSu,YiWang,SongHu,JunXiang
2021,0016-2361
7
燃煤锅炉CO生成特性对锅炉效率及NOx生成的影响机制
吴运凯,苏胜*,王中辉,任强强,刘涛,于鹏峰,黄海舟,江龙,汪一,胡松,向军
燃烧科学与技术
2021,27(5):553-561
8
300MW贫煤锅炉低氮燃烧深度优化技术研究
江紫薇,苏胜*,任强强,吴运凯,尹子骏,江龙,胡松,汪一,向军
洁净煤技术
2021,27(5):173-179
9
基于拉曼成像的煤岩组分化学结构原位研究
章鑫,徐俊,许凯,何立模,韩亨达,江龙,汪一,苏胜,胡松,向军
工程热物理学报
2021,0253-231X
10
一种基于风粉和CO在线监测的锅炉燃烧优化方法和系统
苏胜,王中辉,向军,胡松,汪一,徐俊,任强强,吴运凯,江紫薇
中国专利局
ZL202011458482.7
发明专利
11
一种防高温腐蚀的锅炉风门开度控制方法及系统
苏胜,任强强,向军,胡松,汪一,江龙,吴运凯,王中辉
ZL202011091592.4
12
基于射频识别的入炉煤识别装置及煤质在线监测系统
胡松,李寒剑,徐俊,池寰瀛,李艾书,于鹏峰,苏攀,向星睿,赵志刚,江龙,汪一,苏胜,向军
CN202010799125.0
13
一种煤料分布检测方法及装置
胡松,李艾书,于鹏峰,苏攀,赵志刚,李寒剑,徐俊,朱萌,池寰瀛；向军,苏胜,汪一,江龙
CN202010354016.8
14
一种煤岩显微组分原位识别与快速定量的方法
向军,章鑫,徐俊,何其琛,冉庆强,钟毓秀,王鑫,江龙,汪一,苏胜,胡松
ZL202011275896.6
15
Methodfordetectingmoistureandvolatilemattercontentofrawcoalbyusingvalueofbaselinedrift
JunXiang,JunXu,ShengSu,SongHu,YiWang,JiaweiLiu,ZheXiong,JingZhou,HaoTang,MengxiaQing,WeiLiu
美国专利局
US10900904B2
美国发明专利
i）基于引射再循环的燃料电池中的液滴动力学
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、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1.28kW，但处理空气的潜热去除量约1.84kW。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
图9PEMFC-CHP系统
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。
4EanalysisandmultiobjectiveoptimizationofaPEMFC-basedCCHPsystemwithdehumidification
JunjieZhao,XiaomingHuang,XiaobingLuo
EnergyConversionandManagement
2021,248:114789
DropletDynamicsinaProtonExchangeMembraneFuelCellwithEjector-BasedRecirculation
YangLiu,XiaobingLuo
Energy&Fuel
2021,35:11533-11544
Investigationsofanovelprotonexchangemembranefuelcell-drivencombinedcoolingandpowersystemindatacenterapplications
ShanshanCai,XiaobingLuo
2021,250:114906
Performancedegradationofaprotonexchangemembranefuelcellwithdualejector-basedrecirculation
EnergyConversionandManagement:X
2021,12:100114
Coloredradiativecooling:Howtobalancecolordisplayandradiativecoolingperformance
XiWang,LiuYida,ZhaoWeixian,HuRun,LuoXiaobing
InternationalJournalofThermalSciences
2021,170:107172
Structureandelectronicbandgaptunabilityofm-planeGaNmultilayers
XueruCai,YimingMa,JinlongMa,DongweiXu,XiaobingLuo
PhysicalChemistryChemicalPhysics
2021,23(9):5431-5437
Thermally-enhancednanoencapsulatedphasechangematerialsforlatentfunctionallythermalfluid
LanWei,ShangBofeng,WuRuikang,YuXingjian,HuRun,LuoXiaobing
2021,159:106619
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NOx、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NOx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。
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
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14100Nm3/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NOx、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NOx、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
图172017年中国全生命周期火力发电厂的有机污染物排放量
图18协同控制技术脱除多污染物评价指标体系
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MnOx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。
OnepotsynthesizingdualmetalincorporatedCuCe-SAPO-34zeoliteforenhancingammoniaselectivecatalyticreduction
XiaomingZhou,ZhuoyuanChen,ZhiyongGuo,HaipingYang,JingaiShao,XiongZhang,ShihongZhang*
JournalofHazardousMaterials
2021,405:124177
VOCemissionsofcoal-firedpowerplantsinChinabasedonlifecycleassessmentmethod
YaPeng,QingYang*,LiangWang,ShuoWang,JuntingLi,XiongZhang,ShihongZhang,HaiboZhao,BoZhang,ChangqingWang,PietroBartocci,FrancescoFantozzi
2021,292:120325
燃煤烟气污控设备对挥发性有机物和常规污染物的协同控制特性
向家涛,黎俊廷,周晓鸣,廖新杰,廖玮,任少辉,张雄,张世红*
动力工程学报
2021,21:0434
300MW燃煤电厂生命周期排放气态有机污染物环境影响研究
岳朴杰,孟磊,王长清,谷小兵,彭娅*,杨晴
2021,21041402
FormationandemissioncharacteristicsofVOCsfromacoal-firedpowerplant
XuJingying,LyuYue,ZhuoJiankun,XuYishu,ZhouZijian,YaoQiang
ChineseJournalofChemicalEngineering
2021,35:256-264
MechanismofformaldehydeandbenzeneadsorptiononUIO-66incoordinationwithgaseousH2O2usingdensityfunctionaltheory
ZhuWenxin,ChangXiong,DingDing,ZhouChangsong,WuHao,ZhangZhen,YangHongmin,SunLushi,ZhouYaming
AppliedSurfaceScience
2021,567:150831
ExperimentalandtheoreticalstudiesonformaldehydecatalyticcombustionoverCu-Fespinel-typecatalyst
ProceedingsoftheCombustionInstitute
DingJunyan,YangYingju,LiuJing,LiuFeng,YuYingni
2021,38(4):6483-6491
PhotothermocatalyticRemovalofCOandFormaldehydewithExcellentWaterVaporStabilityoverDual-FunctionalCopperLoadingonTiO2SynthesizedviaFlameSprayPyrolysis
SolarRRL
YuanXing,ZhengChaohe,ZhaoHaibo
2021,5(9):2100490
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。
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（500m3/h—3000m3/h—30000m3/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30000m3/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
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。
Mechanismstudyofseleniumretentionbyironmineralsduringcoalcombustion.
YongdaHuang,HongyunHu,HongyuGong,HaoxuanXing,BingYuan,BiaoFu,AijunLi,HongYao
2021,38:4189-4197
Correlationsbetweenvapor-phaseNa/K/Asadsorptioncapacitiesofkaoliniteandtemperature-dependentderivationofitsAl-containinggroups
HaoxuanXing,HuanLiu,XiujuZhang,BenHuang,YongdaHuang,HongyunHu,HongYao
2021,38:5237-5247
一种用于气态重金属发生-吸附试验的实时测试系统
罗光前,邹仁杰,许洋,庞昱,朱海露,史梦婷,胡靖远,李显,姚洪
ZL201811117557.8
用于重金属吸附的异相凝并吸附剂及其制备方法和应用
赵永椿,崔向峥,周煜明,张军营
ZL201910579543.6
一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法
张成,许豪,姚洪,谭鹏,胡红云,方庆艳，陈刚
ZL201810400739.X
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
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。
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CuFe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CuOFe2O3/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27CuOFe2O3/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28Fe2O3/ATP与Fe2O3/Al2O3反应性能对比
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。
Li4SiO4-basedsorbentsfromexpandedperliteforhigh-temperatureCO2capture
ShiyiNi,NanaWang,XinGuo*,JunboLiu
ChemicalEngineeringJournal
2021,410:128357-128368
ReactionmechanismofmethaneconversionoverCa2Fe2O5oxygencarrierinchemicalloopinghydrogenproduction
YuchuanFeng,NanaWang,XinGuo*
2021,290:120094-120103
ReaxFFsimulationsofthesynergisticeffectmechanismsduringco-pyrolysisofcoalandpolyethylene/polystyrene
DikunHong,PingLi,TingSi,XinGuo*
2021,218:119553-119562
InsightintothecalciumcarboxylatereleasebehaviorduringZhundongcoalpyrolysisandcombustion
DikunHong,TingSi,XinGuo*
2021,38(3):4023-4032
会议论文
Continuoushigh-purityhydrogenproductionbysorptionenhancedsteamreformingofethanolovermodifiedlithiumsilicate
NanaWang,YuchuanFeng,XinGuo*
InternationalJournalofHydrogenEnergy
2021,46(16):10119-10130
RedoxPerformanceofCu-DopedFe2O3/Al2O3asOxygenCarriersforChemicalLoopingHydrogenProduction
ShuoxinZhang,YuchuanFeng,XinGuo*
2020,35(1):626-635
一种基于Python对ReaxFF力场计算结果数据处理的方法
郭欣,司婷,洪迪坤,黄凯
国家知识产权局
ZL201910944377.5
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
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（200~1000Da）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Pyrolyticlignin）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。
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
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。
EffectsofAAEMsonformationofheavycomponentsinbio-oilduringpyrolysisatvarioustemperaturesandheatingrates
XiongZhe,GuoJunhao,HanHengda,XuJun,JiangLong,SuSheng,HuSong,WangYi*,XiangJun
FuelProcessTechnology
2021,213:106690
Experimentalandnumericalmodellingofsolidandhollowbiomasspelletshigh-temperaturerapidoxy-steamcombustion:TheeffectofintegratedCO2/H2Oconcentration
MostafaMohamedE.,KhedrYasmeenM.,LingPeng,ChiHuanying,HuSong,WangYi*,SuSheng,ElsayedSaadA.,XiangJun*
2021,303:121249
Cokeformationanditsimpactsduringelectrochemicalupgradingofbio-oil
WangXuepeng,DengWei,LamChunHo,XiongYimin,XiongZhe,XuJun,JiangLong,SuSheng,HuSong,WangYi*,XiangJun
2021,306:121664
Temporalandspatialevolutionofbiocharchemicalstructureduringbiomasspelletpyrolysisfromtheinsightsofmicro-Ramanspectroscopy
ChenYuanjing,Syed-HassanSyedShatirA.,XiongZhe,LiQiaoling,HuXun,XuJun,RenQiangqiang,DengZengtong,WangXuepeng,SuSheng,HuSong,WangYi*,XiangJun
.2021,218:106839
一种利用生物质热解油制备石墨烯的装置
汪一,肖桂雨,熊哲,郭俊豪,向军,邓伟,胡松,苏胜
ZL201910460344.3
一种利用焦油制备石墨烯的方法
汪一,熊哲,向军,陈元静,董敏敏,许凯,胡松,苏胜
ZL201810989004.5
一种降低生物质热解油腐蚀性并回收有机酸的装置及方法
汪一,汪雪鹏,邓伟,熊依旻,邓增通,任强强,熊哲,向军,胡松,苏胜,江龙,徐俊
ZL202011009596.3
生物质热解油电解过程电极结焦量的在线预测方法及系统
汪一,汪雪鹏,邓伟,熊依旻,熊哲,李寒剑,向军,胡松,苏胜,江龙,徐俊
ZL202011526288.8
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（Tammplasmonpolaritons，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《JournalofAppliedPhysics》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
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《JournalofPhysicsD:AppliedPhysics》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《ReportsonProgressinPhysics》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
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《InternationalJournalofHeatandMassTransfer》和《AIMSEnergy》上。
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。
Hyperbolicplasmon–phonondispersionandtunablespontaneousemissionenhancementinGe2Sb2Te5-basedmultilayergrapheneandhBNsystem
KunZhou*,LuLu,BowenLi,QiangCheng*
JournalofAppliedPhysics
2021,130(9):093102
Magnetic-fieldcontrolofnear-fieldradiativeheattransferbyliquidcrystals-basedmagneto-opticalmetamaterials
LuLu,KunZhou,BoZhang,BowenLi,ZixueLuo,JinlinSong*,QiangCheng*
JournalofPhysicsD:AppliedPhysics
2021,54(42):425103
Many-bodynear-fieldradiativeheattransfer:methods,functionalitiesandapplications
JiulinSong,QiangCheng*,BoZhang,LuLu,XinpingZhou,ZixueLuo,RuHu*
ReportsonProgressinPhysics
2021,84:036501
Thermodynamicboundsofworkandefficiencyinnear-fieldthermoradiativesystems
BowenLi,QiangCheng*,JinlinSong,KunZhou,LuLu,ZixueLuo,XushengZhuo*
InternationalJournalofHeatandMassTransfer
2021,180:121807
一种多层堆叠的复合结构及电磁波宽波段吸收器
程强,周昆,宋金霖,卢璐,王小婷,李博文,姚巍
ZL201711183961.0
一种基于石墨烯电调谐的双窄谱
带近红外吸收器
罗自学,周昆,程强,卢璐,张世豪,张博
ZL201911125752.X
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）。
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。
1)BIPP系统的动态仿真
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6.0t/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
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
图40耦合光伏和污泥掺烧的燃煤电厂低碳化改造概念图
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。
ProspectivecontributionsofbiomasspyrolysistoChina's2050carbonreductionandrenewableenergygoals
YangQing,ZhouHewen,BartocciPietro,FantozziFrancesco,MasekOndrej,AgblevorFosterA.,WeiZhiyu,YangHaiping,ChenHanping,LuXi,ChenGuoqian,ZhengChuguang,NielsenChrisP.,McElroyMichaelB
NatureCommunications
2021,12(1):1-12
ESI高被引论文
EfficiencyofChina'scarbonmarket:AcasestudyofHubeipilotmarket
ChenYingqi,BaShusong,YangQing,YuanTian,ZhaoHaibo,ZhouMing,BartocciPietro,FantozziFrancesco
2021,222:119946
Lifecyclewaterconsumptionforoxyfuelcombustionpowergenerationwithcarboncaptureandstorage
ZhuYuli,ChenMengxi,YangQing,AlshwaikhMohammedJ.M.,ZhouHewen,LiJianlan,LiuZhaohui,ZhaoHaibo,ZhengChuguang,Bartocci
JournalofCleanerProduction
2021,281:124419
Researchonlow-carboncampusbasedonecologicalfootprintevaluationandmachinelearning:AcasestudyinChina
ZhengNiting,LiSheng,WangYunpeng,HuangYuwen,BartoccidPietro,FantozzidFrancesco,HuangJunling,XingLu,YangHaiping,ChenHanping,YangQing,LiJianlan
2021,323:129181
PengYa,YangQing,WangLiang,WangShuo,LiJunting,ZhangXiong,ZhangShihong,ZhaoHaibo,ZhangBo,WangChangqing,Bartocci,Pietro