可再生甲醇与煤共燃技术的综述：生产过程、基本特性及工程应用

《International Journal of Hydrogen Energy》：Review of renewable methanol-coal co-firing: Production, fundamental characteristics and engineering applications

　　

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  可再生甲醇可提高煤锅炉在低负荷条件下的燃烧稳定性。
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  甲醇与煤共燃可减少氮氧化物（NOx）排放，并实现灵活的调峰效应。
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  燃烧性能取决于混合比例和反应耦合情况。
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  绿色甲醇的生产路径有助于推动煤炭电力系统的低碳转型。

引言

在双重碳减排目标的背景下，以及可再生能源的大规模整合背景下，燃煤电厂正迅速从传统的基荷发电角色转向以调峰、频率调节、备用容量和整体系统支持为核心的功能[1,2]。随着风能和太阳能等间歇性能源的渗透率不断提高，燃煤电厂的运行条件已经偏离了设计规范。在超低负荷运行情况下，锅炉面临着一系列挑战，包括火焰稳定性下降、点火延迟延长、炉内温度偏差加剧、飞灰中未燃碳含量增加以及控制氮氧化物排放更加困难[[3], [4], [5]]。近年来，针对低负荷稳定燃烧、分级燃烧、燃烧器改造、预热和热解辅助燃烧以及与辅助燃料的共燃等方面进行了大量研究，以满足燃煤电厂深度调峰的需求[[6], [7], [8], [9]]。引入高反应活性的辅助燃料是延长燃煤电厂在低负荷条件下稳定运行范围的最有效技术途径之一。

在各种低碳燃料中，甲醇是一种优秀的液态氢载体。它具有储存和运输方便、燃烧活性高、无灰分和硫含量、以及低碳排放潜力等优点，近年来受到了广泛关注[[10], [11], [12]]。通过绿色氢气和二氧化碳合成生产的可再生甲醇能够实现氢气的低成本液态储存和运输，规避了高压氢气储存及液态氢储存和运输相关的设备和安全限制。现有研究表明，甲醇具有较低的点火温度和高挥发性，在高温条件下能迅速参与反应生成关键中间自由基（如H、OH、CH₂OH、CH₃O和HCO）[13,14]，从而在燃烧初期表现出较强的反应性。在煤粉锅炉中，甲醇作为液态氢的储存介质，其分子中的氢成分可以直接参与燃烧链反应。它的放热反应与自由基池的增强作用共同促进了煤的点燃并稳定了火焰。相较于氢气和氨等新兴燃料，甲醇与现有燃煤电厂的工程兼容性更好，且改造成本相对较低[15,16]。

甲醇的低碳价值不仅源自其最终用途的燃烧过程，还与其上游生产路径密切相关[[17], [18], [19], [20]]。随着生物质转化、二氧化碳氢化和生化转化技术的快速发展，可再生甲醇被视为连接可再生能源利用、碳循环和终端燃料替代的关键中间能源载体[[21], [22], [23]]。“电力制甲醇”本质上是一个结合了绿色电力、碳捕获和水电解的化学合成过程，利用可再生能源产生的电力将水和捕获的二氧化碳转化为易于储存和运输的液态甲醇[24,25]。碳源、氢气供应和反应器的集成耦合正在加速“电力制甲醇”从概念到工程应用的转变，为将低碳液态燃料引入燃煤电厂提供了新的实际基础。

然而，目前关于甲醇/煤共燃的研究仍处于早期探索阶段。现有研究主要集中在单独的甲醇燃烧、内燃机应用、醇类燃料的排放特性或小尺度燃烧机制上[[26], [27], [28]]，而针对燃煤锅炉深度调峰、低负荷稳定燃烧、协同控制氮氧化物以及现有电厂低碳改造的系统性研究仍然有限[29,30]。特别是从热能工程的角度来看，包括甲醇注入策略、燃烧器适应性机制、炉温场重建、温度偏差演变、非传统污染物控制以及全生命周期经济效益等关键问题，尚未在统一的框架内得到全面回顾或深入理解[31,32]。

本研究致力于热能工程的实际应用，对可再生甲醇/煤共燃进行了系统评估，涵盖了燃料特性、燃烧行为、污染物排放、可再生生产路径和工程应用前景。图1展示了可再生甲醇与煤共燃的技术路径。特别强调了其提高燃煤锅炉运行灵活性和实现低碳改造的能力，以及相关的科学问题。旨在为后续的基础研究、工程设计及示范应用提供有价值的参考。

章节摘录

甲醇的物理和化学性质

甲醇（CH₃OH）是一种典型的含氧液体燃料，具有简单的分子结构、高挥发性和强化学活性，以及相对清洁的燃烧特性[33]。表1比较了甲醇与烟煤、甲烷和氨的基本性质及工程影响[[34], [35], [36], [37]]。甲醇在常温下呈液态，具有更好的储存和运输便利性，以及更精确的计量控制

可再生甲醇合成技术路径

根据行业研究机构整理的全球绿色甲醇项目数据，预计到2026年绿色甲醇的产量将达到约1000万吨[48]。如图4(a)所示，全球绿色甲醇项目正在迅速扩张，到2030年总产能预计将超过3100万吨，其中包括约1300万吨生物甲醇和1800万吨电子甲醇。这一增长得益于全球减排目标的加强

燃烧动力学机制

甲醇与煤的共燃并非两种独立燃料的简单叠加，而是一个多阶段耦合过程，涉及液滴蒸发、均匀热解与氧化、煤的热解、挥发性物质的燃烧以及非均质炭的氧化[59,74]。在高温环境下，甲醇优先发生液滴蒸发和气相分解，生成关键中间自由基（如HCO、H和OH），这些活性物质主导了燃烧过程的发展

氮氧化物（NOx）排放特性及其机制

氮氧化物排放是评估甲醇与煤共燃环境性能的关键指标。表4总结了目前关于掺杂辅助燃料的煤粉锅炉在低负荷下的稳定燃烧和氮氧化物控制的研究进展。甲醇不含与燃料结合的氮，因此不会像含氮的替代燃料（如氨）那样在源头上增加额外的氮氧化物形成潜力[104,105]。这一特性为...

本研究的局限性

尽管甲醇与煤的共燃在理论上和工程应用中都显示出良好的前景，但现有研究仍存在一些显著的差距和局限性。

首先，关于甲醇与煤共燃的基本燃烧机制研究还不够充分。目前的研究主要集中在宏观燃烧特性和排放模式上，而甲醇分解、煤挥发性释放和炭的多元耦合机制方面尚未得到充分研究

结论

可再生甲醇与煤的共燃为燃煤电力系统的转型提供了有前景的途径，在低碳替代、灵活负荷调节和污染物减排方面具有多重优势。甲醇具有高挥发性、低点火温度、无灰分和硫含量以及较高的化学活性，这些特性使其在共燃过程中能够改善煤的点燃和火焰稳定性

CRediT作者贡献声明

姚国佳：撰写原始稿件、争取资金、概念构思。段新瑞：软件开发。徐浩博：项目管理。伊万·托马诺维奇：资金争取。谢妍：可视化处理、方法研究、数据分析。王志：验证工作、概念完善。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（资助编号：52376096）、吉林省自然科学基金（资助编号：YDZJ202601ZYTS172）以及塞尔维亚科学技术发展创新部（合同附件：451-03-33/2026-03/200017）的支持。

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