能源是物质运动的原因，环境是生态存在的基础，人类社会在两者相互作用中发展。能源环境科学与工程研究所依托华北电力大学工程热物理学科，聚焦发电领域能源转化过程及其和环境的相互影响，主要围绕燃烧转化、能量存储、环境作用等方面的关键科学问题和重大技术需求，开展应用基础研究和技术研发。

1、氢/氨等零碳燃料高效安全利用

1.1 氢燃烧技术及氢利用安全分析

开发出高效清洁的微扩散燃烧技术，揭示掺氢火焰污染物生成机制；构建纯氢纯氧微预混单元喷嘴试验件，实验研究不同运行参数对火焰点火、回火、熄火特性以及烟气生成特性等的影响规律，重点解决了水蒸气环境下氢燃料近当量燃烧时燃尽困难、燃烧不稳定等问题，建立了适用于启动工况下的点火条件和驻定条件，为燃气轮机燃烧室的设计研发提供了理论支撑和基础数据。针对千瓦级氢燃料电池综合电站进行了氢气安全事故的仿真研究，自然通风条件下可燃氢气云团的体积和氢气浓度分别是封闭空间的22.35%和75.67%；电站的通风条件也会影响氢气可燃云团的点火、超压和点火后的温度；这一工作为复杂受限空间中氢气安全风险评估提供了启示。

（a）氢燃料微混燃烧特性（b）氢燃料电池综合发电站氢安全仿真

1.2 新型掺氨/氨燃气轮机

围绕新型掺氨/氨燃气轮机燃烧室研发，开展一系列针对灵活含氨燃料燃烧特性，探究燃烧室及供气参数改变对燃烧性能的影响规律。建立先进完整的测试系统和大流量供气系统，研究了5-20kW氨裂解气燃烧在50%-100%裂解比下(φ=0.1-0.9)的火焰形态、温度和NOx排放浓度变化规律。针对不同结构燃烧室和不同型号喷嘴，结合粒子图像测速系统(PIV)和平面激光诱导荧光诊断系统(PLIF)对燃烧室内流动特性和OH、NH、NO和CH等组分的组分场，在多种仪器辅助下进一步揭示火焰内部燃烧机理。

氨气裂解燃烧平台及实验结果

1.3 煤掺氢/氨燃烧

氢氨作为零碳燃料，能助力燃煤电厂实现降碳目标，同时氢氨能提高燃煤锅炉实现低负荷的稳定燃烧，及快速升负荷能力。采用数值模拟研究氢/氨气在不同温度、不同掺混比例下从不同运行负荷锅炉的不同位置入射时机组的运行状态，分析炉膛内的温度分布、辐射状态，讨论CO2、CO、NOx等燃烧产物在炉膛内的分布及转化情况，相关研究结果有助于锅炉掺氢/氨改造的设计优化与运行状态调优，为研判掺氢/氨经济性和可行性提供理论支撑。

660MW锅炉掺氢/氨燃烧特性

2、含碳燃料清洁燃烧

2.1燃煤电厂重金属检测与控制技术

燃煤电厂烟气中包含汞、砷、硒和铅等痕量重金属污染物，严重影响人类身体健康。围绕燃煤烟气重金属精准检测、排放控制方面开展研究。研发的精细过滤气相取样装置，实现对烟气中气相重金属的无干扰精确测量，获得重金属含量，形态分析数据，明确烟气全流程中重金属的迁移转化机理。在控制方面，以电厂飞灰为吸附剂原料，对其进行现场改性并及时喷射到烟道中，实现氧化及吸附脱除烟气中的重金属，揭示了溴化物对飞灰表面吸附位的激活、改性行为，以及零价汞在改性飞灰表面上的电子转移和成键特性，获得了溴化耦合机械力强化吸附脱除重金属机理。建成世界首个300MW燃煤机组溴化机械改性飞灰一体化脱汞示范工程，综合脱除效率高于94%。与美国活性炭脱汞技术相比，改性飞灰吸附剂与活性炭脱汞效果相当，成本仅为活性炭脱汞技术的10~15%。研究成果进一步推广应用到1000MW燃煤机组，实现168小时安全运行，汞、砷、硒、铅等重金属综合脱除效率高于90%。

燃煤电厂烟气精细过滤气相取样装置（a）机理图；（b）设备图：机械力联合溴改性飞灰；（c）吸附效率图；（d）XPS/SEM图：机械力原位改性飞灰喷射；（e）系统图；（f）装置图；（g）改性飞灰与活性炭效率对比图。

2.2可凝结颗粒物形成及痕量元素分布的研究

由于超低排放技术的应用，燃煤电厂排放的可凝结颗粒物的浓度甚至要比可过滤颗粒物的浓度更高。研究不同粒径PM和CPM中元素的形态和分布比例，可以使微量元素以最稳定的化学形式存在于颗粒中，从而避免了环境治理中微量元素去除过程中的二次释放等问题。将低压荷电撞击器采样装置（ELPI+）与美国环保署（EPA）202方法（干式冲击法）结合在一起，对电厂烟气和实验室产生的真实烟气中的不同粒径的可凝结颗粒物的总质量，汞、砷、硒、铅、铬的化学形态进行实验研究并且通过热力学平衡计算验证实验机理。

2.3挥发性有机物等污染物生成机理及控制技术研究

围绕大型超低排放电厂的煤、飞灰、渣和烟气中有机污染物，对选择催化还原脱硝（SCR），电除尘（ESP），湿法脱硫（WFGD）等各个污染物控制设备进出口的有机污染物浓度进行定量分析，探究各设备协同脱除性能及有机污染物的迁移转化规律。提出机械力化学耦合金属氧化物改性飞灰的方法，提升飞灰对挥发性有机污染物（VOCs）的热催化脱除性能，并将其应用于滴管炉中，评估了喷射改性飞灰脱除真实燃煤烟气中 VOCs 的可行性和效率。并且研究了复杂烟气环境，温度等因素对改性飞灰脱除VOCs的影响；并针对改性机制与脱除机理，结合密度泛函理论模拟计算软件研究样品表面吸附能、氧空位形成能，电子密度差等，在微观尺度下进一步揭示脱除机理和耐受性机理。

3、储能材料制备及安全应用

3.1煤基多孔碳用于超级电容器

以煤衍生多孔碳用于超级电容器电极储能为目标，探索绿色环保、高效拓展、简便易行的改性工艺，探究等离子体、超声、机械力化学活化方法结合镁/铁基活化药剂对强化多孔碳的作用。通过多种理化性质测试、电化学测试、密度泛函模拟，研究孔隙结构、表面官能团种类数量和导电特性等多尺度协同调控的煤基多孔碳成孔机制与电化学性能之间的关系，揭示其在超级电容器中的电荷存储强化机理，提出了多种多孔碳调控策略。

3.2废弃锂离子电池中高价值金属元素回收

废弃锂离子电池中含有高价值金属元素锂和钴，针对锂和钴元素的回收进行研究。采用PVDC强化机械化学法回收的方式，探究了机械球磨参数对金属浸出率的影响。分析球磨机理，采用FT-IR对回收过程中的样品进行表征测试分析，改进提取锂和钴的方法，得出较优的物料比条件、球磨参数、球磨转速、球磨时间，最终提高锂和钴的浸出率。相比传统回收方法，效率更高且反应条件温和环保，具有良好的发展前景。

4、含碳燃料低碳转化

4.1超临界耦合机械力强化飞灰碳化并稳定重金属

围绕国家“碳中和”的发展目标，针对现如今碳排放最大的燃煤电厂进行研究。因为燃煤飞灰呈碱性，并含有大量CaO，燃煤飞灰可以作为碳化反应的反应物。碳化反应分为反应阶段和扩散阶段，其中扩散阶段是制约碳化反正速率的阶段，通过超临界CO2的引入有效提高扩散，同时燃煤飞灰经过锅炉燃烧后极易烧结，球磨改性可以有效提高飞灰的比表面积，提出以固废燃煤飞灰为反应物的超临界耦合机械力强化飞灰碳化并稳定重金属技术，明确了飞灰碳化对碳减排和固废处理的可行性，获得了飞灰碳化随参数变化的规律，揭示了超临界CO2在飞灰中的扩散机理，实现了提高碳化效率和重金属稳定。

4.2高温吸附剂高效碳捕集

煤大规模燃烧产生的CO2加剧了温室效应，CO2捕集、利用和储存(CCUS)是一种可实现燃煤电站大规模碳减排的关键技术。固体材料吸附CO2方法被认为是具有良好应用前景的碳捕集技术，而其中高温吸附剂由于可以在高温烟气中中直接捕集，不需要降温处理等优点引起广泛关注。通过多种理化性质测试、密度泛函理论、第一性原理模拟，研究高温固体吸附剂碳捕集过程，进行态密度、差分电子密度、电荷密度等电子性质分析，提出多种改性促进方法，阐明不同气氛对碳捕集的性能影响规律，揭示了碳捕集微观吸附机理，对推动高温吸附剂碳捕集技术有重要意义。

能源环境科学与工程研究所依托“电站能量传递转换与系统教育部重点实验室”、“国家储能技术产教融合创新平台”、“国家火力发电工程技术研究中心”以及多个与企业共建的联合实验室开展科研设施建设。经过多年建设积累，实验室和研发平台拥有不同压力燃气实验平台、固体燃料燃烧及污染物控制实验平台、热分析平台、化学分析平台、烟气中试平台和现场测试平台，仪器设备120余台套。

（1）燃气实验平台

燃气实验台包括0.1~2MPa压力燃烧器、多种微混燃烧器等研制的实验台架，以及PLIF、PIV等光学测量设备，可针对天然气、富氢合成气、氢气、NH3等开展相关燃烧实验研究。

（2）固体燃料燃烧及污染控制实验平台

固体燃料燃烧及污染控制实验平台包括固定床、携带床、滴管炉、相变凝并平台和移动式湿式电除尘测试车、烟气污染物控制中试平台等，配合烟气分析仪器设备和取样，可针对煤、生物质、垃圾等开展燃烧及污染物控制研究。

（3）热分析平台

热分析平台包括美国 TA 公司捐赠 6 台热分析设备，有热重分析仪、同步热分析仪、差示扫描量热仪、热机械分析仪、动态热分析仪等，可通过热分析开展相关机理研究。

（4）化学分析平台

化学分析平台包括电感耦合等离子体分析仪、电感耦合等离子体-质谱仪、离子色谱仪、微波消解仪、工业分析仪、元素分析仪、比表面积分析仪、汞固相分析仪、汞液相分析仪、PSA Millennium Merlin汞分析仪、PSA Millennium Excalibur砷/硒/锑/碲/铋分析仪、气相色谱质谱联用仪、傅里叶变换红外光谱仪、气相色谱等仪器，用于完成相关分析测试。

（5）现场测试平台

现场测试平台仪器包括安大略（OHM）法汞采样仪器-3套、30B 法汞采样仪-3套、汞在线分析仪（CEMs）-3套、ELPI+ & DGI、痕量重金属采样仪（EPA Method 29）、颗粒物采样仪（ EPA Method 5 & 202 A）、VOCs采样仪（EPA Method 25 A）、SO3采样仪（EPA Method 8 A, ASTM D-3226-73 T）等，可针对燃煤电厂、垃圾焚烧厂重金属、VOCs等污染物开展多点同时监测。

依托团队建立了“燃煤电厂污染物监测与控制国际科技合作基地”，围绕燃煤发电污染物监测与控制方向开展合作研究与技术交流。通过与美国、瑞典、澳大利亚等火力发电技术先进国家研究机构和科学家的优势互补，以火力发电过程清洁高效运行为目标，建立制度化的国际合作交流机制、人才引进机制和产学研合作机制；构筑从国际交流、应用基础研究、直到工程技术开发与示范应用的完整研究体系。在确保能源安全前提下，为建立首都绿色电力能源供应体系奠定基础。2018年北京市国际科技合作基地评为优秀。

研究所针对每位学生因材施教，不仅是学生在学术上的领路人，也是生活中的好朋友。几年来，培养博士、硕士60余人。已毕业学生获得众多荣誉，如获得中国科协第七届“青年人才托举工程”、首都劳动奖章、北美热分析学会优秀论文奖、工程热物理优秀论文奖、校级优秀毕业生、北京市优秀毕业生、校长奖学金及国家奖学金等。

研究所毕业学生都在企事业单位，研究院，高校等进行工作，包括华北电力大学、中南大学、昆明理工大学、中国计量大学、江苏大学、常州大学、北京石油化工学院、内蒙古科技大学、北方民族大学、德州学院、北京工商大学、国网山西电科院、中国华能集团、国投电力控股股份有限公司、南方电网广东电网有限责任公司、中国能源建设集团西北电力设计院、中广核台山核电合营有限公司、中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司、大唐电科院、国能龙源环保有限公司等。

研究所长期招收优秀推免或统招硕士研究生含学术硕士和专业硕士；直博生或统考博士生含学术博士和工程博士。申报条件如下：

1. 有毅力、有志向、善于与他人合作，具有严谨的科研态度；

2. 本科、硕士期间所学专业为动力工程及工程热物理、储能科学与工程、氢能科学与工程、材料科学、环境科学等专业背景优先。