國(guó)際對(duì)話
——“碳達(dá)峰、碳中和”背景下循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展與挑戰(zhàn)

會(huì)議名稱：第四屆循環(huán)流化床鍋爐國(guó)際會(huì)議（4th CFBB）

主辦單位：清華大學(xué)（中國(guó)）；重慶大學(xué)（中國(guó)）；釜山國(guó)立大學(xué)（韓國(guó)）

時(shí) 間：2021 年11 月27 日至28 日

會(huì)議形式：在線會(huì)議

主 持 人：楊海瑞（中國(guó)，清華大學(xué)，教授）

交流專家：Bo LECKNER（瑞典，查爾姆斯理工大學(xué)，教授）；Rafal KOBYLECKI（波蘭，琴希托霍瓦工業(yè)大學(xué)，教授）；Fabrizio SCALA（意大利，那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)，教授）；盧嘯風(fēng)（中國(guó)，重慶大學(xué)，教授）；Dongfang LI（韓國(guó)，釜山國(guó)立大學(xué)，博士）

撰 稿 人：馮玉鵬（中國(guó)，清華大學(xué)）

為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，構(gòu)建綠色電力系統(tǒng)，以太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，與此同時(shí)燃煤火電機(jī)組逐步升級(jí)轉(zhuǎn)型，承擔(dān)起調(diào)節(jié)性和保障性電源的重任，為實(shí)現(xiàn)新型綠色電力系統(tǒng)的目標(biāo)提供了安全保障。2021 年11 月27 日，清華大學(xué)聯(lián)合重慶大學(xué)和釜山國(guó)立大學(xué)共同主辦了“第四屆循環(huán)流化床鍋爐國(guó)際會(huì)”（4th CFBB）。本次國(guó)際論壇以“雙碳”背景下循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展及其面臨的科學(xué)與工程挑戰(zhàn)為主題，與會(huì)專家學(xué)者圍繞在“碳中和、碳達(dá)峰”背景下的“煤炭與可再生能源的使用”“流化床技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展”“循環(huán)流化床鍋爐面臨的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)”等議題進(jìn)行了廣泛的交流討論，探討了流態(tài)化技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐未來(lái)的發(fā)展方向和亟需關(guān)注與解決的問(wèn)題。

1 煤炭與可再生能源的使用

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)要求在全世界范圍內(nèi)逐步減少使用煤炭等化石能源的絕對(duì)使用量和占比，降低單位能耗，提高能源生產(chǎn)和使用效能。由于不同國(guó)家的資源稟賦存在較大差異，因此，在實(shí)現(xiàn)“碳中和”過(guò)程中所面臨的條件也不同的。大多數(shù)歐洲國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”。在過(guò)去20 年中，各歐洲國(guó)家已廣泛開(kāi)展了可再生能源體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了能源生產(chǎn)和供給結(jié)構(gòu)的巨大轉(zhuǎn)變，但不同國(guó)家在邁向“碳達(dá)峰、碳中和”的道路上所面臨的具體環(huán)境和條件也大不相同。

Fabrizio SCALA 教授：波蘭和西班牙能源生產(chǎn)需使用大量煤炭，因此，它們的能源系統(tǒng)擺脫煤炭的難度較大。由于意大利和法國(guó)相對(duì)缺少煤炭資源，因此，在其能源生產(chǎn)中，使用煤炭的占比較少，更易擺脫煤炭依賴。在短時(shí)間內(nèi)所有歐洲國(guó)家完全擺脫煤炭幾乎是不可能的，特別是對(duì)一些煤炭在其能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要比例的國(guó)家。然而，各國(guó)需要完成從化石能源到可再生能源的轉(zhuǎn)型則是必然的。

Bo LECKNER 教授：對(duì)于像中國(guó)和波蘭這種煤炭資源豐富的國(guó)家，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展是以煤炭利用為基礎(chǔ)的，因此，這些國(guó)家很難完全不使用煤炭。而對(duì)于瑞典，由于本身缺乏煤炭資源，所以其經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)煤炭的依賴較少，其能源生產(chǎn)系統(tǒng)很容易完全擺脫煤炭。

Rafal KOBYLECKI 教授：目前，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”，很多歐洲國(guó)家將解決辦法聚焦在擺脫煤炭依賴上。但是，在現(xiàn)實(shí)中，社會(huì)生產(chǎn)完全擺脫煤炭確實(shí)非常困難，缺乏必要的可能性和可實(shí)現(xiàn)性。在工業(yè)中，除了燃煤發(fā)電領(lǐng)域，一些化工產(chǎn)業(yè)的主要原材料也是煤炭，其生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。因此，相比于完全擺脫煤炭，我們應(yīng)該提倡在燃煤的過(guò)程中注重二氧化碳的捕集，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放量和捕集量的平衡。

Fabrizio SCALA 教授：意大利等國(guó)家對(duì)于煤炭的大規(guī)模研究已經(jīng)基本結(jié)束，其電力等能源企業(yè)也在積極實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

雖然目前碳捕集技術(shù)成本較高，但隨著技術(shù)發(fā)展和政府碳稅政策的出臺(tái)，相關(guān)技術(shù)將會(huì)得到推廣使用。

可再生能源屬于波動(dòng)性能源，因此，發(fā)展可再生能源必須面對(duì)的問(wèn)題就是電力生產(chǎn)的連續(xù)性。隨著能源系統(tǒng)中可再生能源份額的增加，勢(shì)必將對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)提出更高的需求。雖然意大利目前通過(guò)使用化石能源來(lái)彌補(bǔ)可再生能源的不足，但在未來(lái)，當(dāng)可再生能源份額相當(dāng)高的時(shí)候，這種舉措將無(wú)法持續(xù)。所以儲(chǔ)能技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)可再生能源生產(chǎn)、使用及推廣的關(guān)鍵。目前歐洲正在將更多的研究轉(zhuǎn)向可再生能源以及甲烷或其它碳?xì)浠衔锏纳a(chǎn)和儲(chǔ)存問(wèn)題。德國(guó)提出的一種可能性是：利用富余的可再生能源通過(guò)催化反應(yīng)生產(chǎn)甲烷，將能量以甲烷的形式儲(chǔ)存。當(dāng)可再生能源缺乏時(shí)，可通過(guò)燃燒儲(chǔ)存的甲烷達(dá)成能源的持續(xù)供給。相似地，可再生能源制氫和儲(chǔ)氫也是一個(gè)能源領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)和應(yīng)用研究的發(fā)展方向。

楊海瑞教授：各國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的具體行動(dòng)取決于不同國(guó)家的具體的條件。如在中國(guó)、韓國(guó)和波蘭等國(guó)家完全取消煤炭是不現(xiàn)實(shí)的，也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而在能源及相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)和使用中減少煤炭直接燃燒則是必然的。

2 流化床技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展

Bo LECKNER 教授：富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒和煙氣中二氧化碳捕集等技術(shù)將有助于減少循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行中的二氧化碳排放量，但是，當(dāng)下這些技術(shù)的進(jìn)展存在的共性問(wèn)題是：相關(guān)專家和學(xué)者的主要成果集中在理論研究和實(shí)驗(yàn)室規(guī)模研究等方面，缺乏足夠數(shù)量的大規(guī)模試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，而大規(guī)模試驗(yàn)研究是了解技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性和解決流化床鍋爐相關(guān)工程問(wèn)題的關(guān)鍵。在富氧燃燒技術(shù)方面，通過(guò)可再生能源電解水制氫獲得氧氣是一條可供借鑒的思路。瑞典的氫氣生產(chǎn)規(guī)模較大，因此具有相對(duì)充足的氧氣可用于富氧燃燒。

Rafal KOBYLECKI 教授：在波蘭，有利用生物質(zhì)作為煤炭替代品的嘗試，但從生物質(zhì)燃燒和排放的角度看，這種思路也會(huì)面臨如顆粒物的排放等多方面的問(wèn)題。循環(huán)流化床鍋爐本身就是一種應(yīng)用流化床技術(shù)的燃燒反應(yīng)器，在以“碳達(dá)峰、碳中和”為導(dǎo)向的發(fā)展趨勢(shì)下，我們應(yīng)該嘗試將流化床技術(shù)應(yīng)用于除了燃燒以外的方向。例如除了燃燒生物質(zhì)，我們也可以加工處理生物質(zhì)?？梢允褂昧骰布夹g(shù)處理生物質(zhì)獲得生物碳，然后以更環(huán)保、更友好的方式使用生物碳。

Fabrizio SCALA 教授：除了應(yīng)用于燃燒方面之外，我們可嘗試?yán)昧骰布夹g(shù)進(jìn)行氣化、熱解等工作。在流化床鍋爐的熱解過(guò)程中制造生物碳，而生物碳更具有市場(chǎng)空間，例如可用于碳封存和活性炭制備等工業(yè)化生產(chǎn)方面。

Bo LECKNER 教授：我們應(yīng)該為流化床技術(shù)應(yīng)用積極尋求新的應(yīng)用場(chǎng)景，但要找到合理的場(chǎng)景確實(shí)需要付出更過(guò)的努力。利用流化床技術(shù)進(jìn)行可再生的生物質(zhì)的制造與生產(chǎn)確實(shí)非常重要，但必須對(duì)生物質(zhì)資源進(jìn)行有效管理以使其可再生使用。

Dongfang LI 博士：韓國(guó)為了實(shí)現(xiàn)“2050 年碳中和”的目標(biāo)，政府正在牽頭推動(dòng)燃煤鍋爐（包括循環(huán)流化床鍋爐和煤粉鍋爐）的氨煤混燃的研究與應(yīng)用。

盧嘯風(fēng)教授：即使不燃燒煤炭，循環(huán)流化床鍋爐也存在諸多需要解決的問(wèn)題。

楊海瑞教授：我們應(yīng)該嘗試尋找煤炭在燃燒以外的新的利用途徑，例如煤炭的氣化和液化等化學(xué)轉(zhuǎn)化。而為了消納太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，循環(huán)流化床鍋爐需要實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)行，這是非常重要的。對(duì)于富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒和二氧化碳捕集、利用與封存等技術(shù)，雖然目前它們的商業(yè)應(yīng)用有限，但“雙碳”政策的實(shí)施將刺激終端用戶逐漸接受并采用這些技術(shù)?！半p碳”政策的要求是減少碳排放，所以流化床技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景將不僅局限在鍋爐方面，它將在不同國(guó)家的各種的應(yīng)用場(chǎng)景中找到更多的角色定位。目前，我們團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展利用大宗工業(yè)固廢電石渣和流化床技術(shù)進(jìn)行流態(tài)化熱化學(xué)儲(chǔ)熱的研究。

3 循環(huán)流化床鍋爐面臨的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)

楊海瑞教授：在中國(guó)，循環(huán)流化床鍋爐當(dāng)前面臨的最大挑戰(zhàn)是：如何在實(shí)現(xiàn)從滿負(fù)荷到20%以下負(fù)荷的靈活變負(fù)荷運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鍋爐的穩(wěn)定燃燒和超低排放。

Bo LECKNER 教授：以前，循環(huán)流化床鍋爐一直處于相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行的狀態(tài)，但未來(lái)要與風(fēng)能和太陽(yáng)能合作，提供連續(xù)、穩(wěn)定的能源供給，則要求循環(huán)流化床必須實(shí)現(xiàn)頻繁的變負(fù)荷運(yùn)行。所以，了解循環(huán)流化床鍋爐在變負(fù)荷情況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行行為是非常重要的，而這其中對(duì)爐膛內(nèi)發(fā)生過(guò)程的認(rèn)知?jiǎng)t更加重要。目前我們對(duì)爐膛內(nèi)發(fā)生過(guò)程的了解主要基于建模，但模型本身并不代表它的真實(shí)過(guò)程。雖然對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行測(cè)試測(cè)量的科學(xué)和工程挑戰(zhàn)是非常昂貴和困難的，但是發(fā)展有效的測(cè)量手段去進(jìn)一步認(rèn)識(shí)爐膛內(nèi)發(fā)生過(guò)程將具有十分重要的意義。所以相關(guān)研究的工程方面發(fā)展方向應(yīng)該研究系統(tǒng)對(duì)于可再生能源的負(fù)荷跟蹤能力，科學(xué)方面則要更好地了解爐膛內(nèi)的過(guò)程并與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

Rafal KOBYLECKI 教授：循環(huán)流化床鍋爐的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)非常重要。波蘭的循環(huán)流化床鍋爐可實(shí)現(xiàn)每分鐘滿負(fù)荷10%的負(fù)荷調(diào)節(jié)速率，但是研究表明頻繁的負(fù)荷調(diào)節(jié)將會(huì)極大地降低設(shè)備壽命。如果設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命為30 年，按照每天進(jìn)行4 次負(fù)荷調(diào)節(jié)計(jì)算，該設(shè)備將在6 年左右時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)和設(shè)計(jì)壽命時(shí)間幾乎相同的損害程度，這將極大地增加生產(chǎn)的設(shè)備成本。

Fabrizio SCALA 教授：歐洲的循環(huán)流化床鍋爐所面臨的挑戰(zhàn)大多與生物質(zhì)或廢棄物相關(guān)，主要挑戰(zhàn)在于燃料種類和灰成分對(duì)床內(nèi)結(jié)塊和管道腐蝕的影響。

Bo LECKNER 教授：歐洲國(guó)家會(huì)禁止循環(huán)流化床鍋爐的低效運(yùn)行，因?yàn)樘岣呷紵蕦?huì)減少二氧化碳排放。但是循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的提高也會(huì)增加鍋爐傳熱面的溫度，進(jìn)而加速其腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

楊海瑞教授：中國(guó)目前也面臨循環(huán)流化床鍋爐的爐內(nèi)底渣和飛灰的資源化利用問(wèn)題，盡管已經(jīng)有部分灰渣用于制作水泥等材料，但是使用的總量和占比都還很低。同時(shí)循環(huán)流化床鍋爐灰渣的品質(zhì)也與煤種和爐內(nèi)脫硫等因素有關(guān)。中國(guó)西南地區(qū)的煤含硫量較高，若采用爐內(nèi)完全脫硫方式則會(huì)造成運(yùn)行成本顯著增加。而循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)的不完全脫硫技術(shù)方案的使用也限制了飛灰和底渣的廢棄物循環(huán)利用。另外，循環(huán)流化床鍋爐灰渣的利用率與地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)（例如廣東?。┑南嚓P(guān)企業(yè)可以利用產(chǎn)業(yè)鏈找到灰渣的終端用戶。而對(duì)于中國(guó)西北和西南等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，由于建筑行業(yè)和水泥行業(yè)發(fā)展不夠充分，循環(huán)流化床鍋爐底渣等再循環(huán)利用相關(guān)產(chǎn)品的終端用戶有限。

Rafal KOBYLECKI 教授：在波蘭，燃燒生物質(zhì)的循環(huán)流化床鍋爐較多。波蘭的相關(guān)研究主要集中在進(jìn)行生物質(zhì)燃燒后灰渣的回收利用工作等方面。

Bo LECKNER 教授：對(duì)于處理城市固廢的循環(huán)流化床鍋爐而言，灰渣中將存在多種金屬元素，若能實(shí)現(xiàn)金屬元素的提取回收，那將會(huì)是一件非常有意義的事情，但其生產(chǎn)的工藝成本則是需要考慮的問(wèn)題。

4 總結(jié)

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”是世界各國(guó)的共同目標(biāo)，盡管短時(shí)間內(nèi)完全擺脫煤炭依賴是很困難的，但能源體系進(jìn)行從化石能源到可再生能源的轉(zhuǎn)型是必然的。富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒和煙氣中二氧化碳捕集等技術(shù)將有助于減少循環(huán)流化床鍋爐生產(chǎn)中的碳排放量，應(yīng)積極開(kāi)展大規(guī)模試驗(yàn)研究以進(jìn)一步了解技術(shù)可能性和存在問(wèn)題。在“雙碳”背景下循環(huán)流化床鍋爐面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)是提高測(cè)量手段從而更好地了解爐膛內(nèi)發(fā)生的過(guò)程，工程挑戰(zhàn)是快速變負(fù)荷運(yùn)行、穩(wěn)定燃燒、超低排放和灰渣資源化利用等。除了燃燒領(lǐng)域（循環(huán)流化床鍋爐），流化床技術(shù)將在更多新方向（例如儲(chǔ)能）上去探索更多的應(yīng)用可能性。通過(guò)第四屆循環(huán)流化床鍋爐國(guó)際會(huì)議的國(guó)際對(duì)話，與會(huì)專家學(xué)者們一致認(rèn)為流化床技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐將在新的歷史時(shí)期繼續(xù)發(fā)揮其不可或缺的作用。