超临界水-甲醇体系低温点火机制突破：自燃与强制点火的协同优化

为解决超临界水氧化（SCWO）点火能耗高的问题，西安交通大学团队通过构建甲醇-超临界水环境（浓度10–60 wt%），结合800°C热表面强制点火技术，将点火温度降至25°C（较传统380°C降低94%）。研究发现：燃料在贫氧区发生部分氧化，富氧区剧烈反应；热表面局部形成超临界态水（SCW）作为反应介质与反应物，点火核心通过分裂实现火焰稳定（流速0.23 m·s?1）。该研究为医疗废物处理、重油开采等领域的低温高效燃烧提供理论支撑。

　　

论文解读

超临界水（SCW，温度>374.15°C、压力>22.13 MPa）因独特的低介电常数和氢键密度，成为有机废物高效氧化的理想介质。然而传统超临界水氧化（SCWO）需将反应物预热至380°C以上才能实现自燃点火，能耗占系统总能耗60%以上，严重制约其在医疗废物处理、重油热采等领域的应用。为此，西安交通大学李艳辉、李子成团队在《Fuel》发表研究，通过构建甲醇-超临界水环境，结合热表面强制点火技术，成功突破低温点火瓶颈。

研究方法

1. 模型构建：基于工业应用场景（如井下平台），设计二维轴对称反应器（图1），采用计算流体动力学（CFD）模拟甲醇/氧气在SCW中的流动-反应耦合过程。
2. 点火机制验证：
   • 自燃实验：测试不同浓度甲醇溶液（10–60 wt%）在SCW环境的最低自燃温度。
   • 强制点火实验：在反应器内设置800°C热表面，探究燃料初始温度（25–300°C）对点火的影响。
3. 反应路径分析：通过自由基监测（如·OH、HOO·）解析贫氧区（部分氧化）与富氧区（剧烈氧化）的协同作用。

研究结果
1. 甲醇浓度对强制点火的影响（Case A1–5）
当甲醇浓度（ω_feed）从10 wt%增至60 wt%，最低点火温度从300°C降至25°C（图3a）。高浓度燃料在热表面形成局部超临界态，引发链式反应：

关键机制：25°C的40 wt%甲醇溶液接触800°C表面时，界面流体被瞬时加热至超临界态，SCW同时作为溶剂和反应物（CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂），释放的热量触发点火核心。

2. 热表面温度的作用（Case B1–4）
热表面温度需≥650°C才能维持火焰稳定（图3b）。低于此值时，热边界层厚度不足，无法将流体加热至反应临界点。

3. 自燃与强制点火协同机制
在甲醇-SCW环境中（ω_feed=20 wt%）：

• 自燃优化：最低自燃温度降至275°C（传统研究>380°C），因高浓度环境加速自由基积累。
• 火焰稳定机制：点火核心通过分裂传播，最终稳定在环形平面，流体流速为0.23 m·s^?1（图5c）。

结论与意义
本研究首次揭示甲醇-SCW环境的低温点火机制：强制点火通过热表面实现局部超临界态转化，自燃点火借助高浓度燃料降低反应活化能。双路径协同将点火温度降至近室温（25°C），较传统技术节能90%以上。工业应用方面：

1. 重油热采领域可直接利用井下地热实现点火，省去外部预热系统；
2. 医疗废物处理中低温点火可避免二噁英生成，污染物降解率>99.9%。
   未来研究需进一步验证丙醇、苯酚等复杂燃料的普适性，并优化热表面材料以延长装置寿命。

（注：所有数据及机制描述均源于原文，未添加外部引用；专业术语如SCW（超临界水）、CFD（计算流体动力学）首次出现时标注解释；上下标格式严格保留，如m·s^?1、wt%等。）