国际对话——“碳达峰、碳中和”背景下循环流化床锅炉的发展与挑战

会议名称：第四届循环流化床锅炉国际会议（4th CFBB）

主办单位：清华大学（中国）；重庆大学（中国）；釜山国立大学（韩国）

时 间：2021 年11 月27 日至28 日

会议形式：在线会议

主 持 人：杨海瑞（中国，清华大学，教授）

交流专家：Bo LECKNER（瑞典，查尔姆斯理工大学，教授）；Rafal KOBYLECKI（波兰，琴希托霍瓦工业大学，教授）；Fabrizio SCALA（意大利，那不勒斯费德里克二世大学，教授）；卢啸风（中国，重庆大学，教授）；Dongfang LI（韩国，釜山国立大学，博士）

撰 稿 人：冯玉鹏（中国，清华大学）

为了实现“碳达峰、碳中和”战略目标，构建绿色电力系统，以太阳能发电和风力发电为代表的可再生能源发电产业发展迅速，与此同时燃煤火电机组逐步升级转型，承担起调节性和保障性电源的重任，为实现新型绿色电力系统的目标提供了安全保障。2021 年11 月27 日，清华大学联合重庆大学和釜山国立大学共同主办了“第四届循环流化床锅炉国际会”（4th CFBB）。本次国际论坛以“双碳”背景下循环流化床锅炉的发展及其面临的科学与工程挑战为主题，与会专家学者围绕在“碳中和、碳达峰”背景下的“煤炭与可再生能源的使用”“流化床技术和循环流化床锅炉的发展”“循环流化床锅炉面临的科学和工程挑战”等议题进行了广泛的交流讨论，探讨了流态化技术和循环流化床锅炉未来的发展方向和亟需关注与解决的问题。

1 煤炭与可再生能源的使用

实现“碳达峰、碳中和”目标要求在全世界范围内逐步减少使用煤炭等化石能源的绝对使用量和占比，降低单位能耗，提高能源生产和使用效能。由于不同国家的资源禀赋存在较大差异，因此，在实现“碳中和”过程中所面临的条件也不同的。大多数欧洲国家已经实现“碳达峰”。在过去20 年中，各欧洲国家已广泛开展了可再生能源体系的建设，实现了能源生产和供给结构的巨大转变，但不同国家在迈向“碳达峰、碳中和”的道路上所面临的具体环境和条件也大不相同。

Fabrizio SCALA 教授：波兰和西班牙能源生产需使用大量煤炭，因此，它们的能源系统摆脱煤炭的难度较大。由于意大利和法国相对缺少煤炭资源，因此，在其能源生产中，使用煤炭的占比较少，更易摆脱煤炭依赖。在短时间内所有欧洲国家完全摆脱煤炭几乎是不可能的，特别是对一些煤炭在其能源结构中占据重要比例的国家。然而，各国需要完成从化石能源到可再生能源的转型则是必然的。

Bo LECKNER 教授：对于像中国和波兰这种煤炭资源丰富的国家，其经济发展是以煤炭利用为基础的，因此，这些国家很难完全不使用煤炭。而对于瑞典，由于本身缺乏煤炭资源，所以其经济发展对煤炭的依赖较少，其能源生产系统很容易完全摆脱煤炭。

Rafal KOBYLECKI 教授：目前，为实现“碳达峰、碳中和”，很多欧洲国家将解决办法聚焦在摆脱煤炭依赖上。但是，在现实中，社会生产完全摆脱煤炭确实非常困难，缺乏必要的可能性和可实现性。在工业中，除了燃煤发电领域，一些化工产业的主要原材料也是煤炭，其生产过程中会产生大量二氧化碳。因此，相比于完全摆脱煤炭，我们应该提倡在燃煤的过程中注重二氧化碳的捕集，从而实现二氧化碳排放量和捕集量的平衡。

Fabrizio SCALA 教授：意大利等国家对于煤炭的大规模研究已经基本结束，其电力等能源企业也在积极实现转型发展。

虽然目前碳捕集技术成本较高，但随着技术发展和政府碳税政策的出台，相关技术将会得到推广使用。

可再生能源属于波动性能源，因此，发展可再生能源必须面对的问题就是电力生产的连续性。随着能源系统中可再生能源份额的增加，势必将对储能技术提出更高的需求。虽然意大利目前通过使用化石能源来弥补可再生能源的不足，但在未来，当可再生能源份额相当高的时候，这种举措将无法持续。所以储能技术将是实现可再生能源生产、使用及推广的关键。目前欧洲正在将更多的研究转向可再生能源以及甲烷或其它碳氢化合物的生产和储存问题。德国提出的一种可能性是：利用富余的可再生能源通过催化反应生产甲烷，将能量以甲烷的形式储存。当可再生能源缺乏时，可通过燃烧储存的甲烷达成能源的持续供给。相似地，可再生能源制氢和储氢也是一个能源领域进行技术和应用研究的发展方向。

杨海瑞教授：各国实现“碳达峰、碳中和”的具体行动取决于不同国家的具体的条件。如在中国、韩国和波兰等国家完全取消煤炭是不现实的，也是无法实现的，而在能源及相关工业生产和使用中减少煤炭直接燃烧则是必然的。

2 流化床技术和循环流化床锅炉的发展

Bo LECKNER 教授：富氧燃烧、化学链燃烧和烟气中二氧化碳捕集等技术将有助于减少循环流化床锅炉运行中的二氧化碳排放量，但是，当下这些技术的进展存在的共性问题是：相关专家和学者的主要成果集中在理论研究和实验室规模研究等方面，缺乏足够数量的大规模试验研究数据，而大规模试验研究是了解技术实现的可能性和解决流化床锅炉相关工程问题的关键。在富氧燃烧技术方面，通过可再生能源电解水制氢获得氧气是一条可供借鉴的思路。瑞典的氢气生产规模较大，因此具有相对充足的氧气可用于富氧燃烧。

Rafal KOBYLECKI 教授：在波兰，有利用生物质作为煤炭替代品的尝试，但从生物质燃烧和排放的角度看，这种思路也会面临如颗粒物的排放等多方面的问题。循环流化床锅炉本身就是一种应用流化床技术的燃烧反应器，在以“碳达峰、碳中和”为导向的发展趋势下，我们应该尝试将流化床技术应用于除了燃烧以外的方向。例如除了燃烧生物质，我们也可以加工处理生物质。可以使用流化床技术处理生物质获得生物碳，然后以更环保、更友好的方式使用生物碳。

Fabrizio SCALA 教授：除了应用于燃烧方面之外，我们可尝试利用流化床技术进行气化、热解等工作。在流化床锅炉的热解过程中制造生物碳，而生物碳更具有市场空间，例如可用于碳封存和活性炭制备等工业化生产方面。

Bo LECKNER 教授：我们应该为流化床技术应用积极寻求新的应用场景，但要找到合理的场景确实需要付出更过的努力。利用流化床技术进行可再生的生物质的制造与生产确实非常重要，但必须对生物质资源进行有效管理以使其可再生使用。

Dongfang LI 博士：韩国为了实现“2050 年碳中和”的目标，政府正在牵头推动燃煤锅炉（包括循环流化床锅炉和煤粉锅炉）的氨煤混燃的研究与应用。

卢啸风教授：即使不燃烧煤炭，循环流化床锅炉也存在诸多需要解决的问题。

杨海瑞教授：我们应该尝试寻找煤炭在燃烧以外的新的利用途径，例如煤炭的气化和液化等化学转化。而为了消纳太阳能和风能等可再生能源，循环流化床锅炉需要实现灵活运行，这是非常重要的。对于富氧燃烧、化学链燃烧和二氧化碳捕集、利用与封存等技术，虽然目前它们的商业应用有限，但“双碳”政策的实施将刺激终端用户逐渐接受并采用这些技术。“双碳”政策的要求是减少碳排放，所以流化床技术的应用场景将不仅局限在锅炉方面，它将在不同国家的各种的应用场景中找到更多的角色定位。目前，我们团队正在开展利用大宗工业固废电石渣和流化床技术进行流态化热化学储热的研究。

3 循环流化床锅炉面临的科学和工程挑战

杨海瑞教授：在中国，循环流化床锅炉当前面临的最大挑战是：如何在实现从满负荷到20%以下负荷的灵活变负荷运行的同时，实现锅炉的稳定燃烧和超低排放。

Bo LECKNER 教授：以前，循环流化床锅炉一直处于相对稳定的负荷下运行的状态，但未来要与风能和太阳能合作，提供连续、稳定的能源供给，则要求循环流化床必须实现频繁的变负荷运行。所以，了解循环流化床锅炉在变负荷情况下的动态运行行为是非常重要的，而这其中对炉膛内发生过程的认知则更加重要。目前我们对炉膛内发生过程的了解主要基于建模，但模型本身并不代表它的真实过程。虽然对大型设备进行测试测量的科学和工程挑战是非常昂贵和困难的，但是发展有效的测量手段去进一步认识炉膛内发生过程将具有十分重要的意义。所以相关研究的工程方面发展方向应该研究系统对于可再生能源的负荷跟踪能力，科学方面则要更好地了解炉膛内的过程并与实验室数据进行比较。

Rafal KOBYLECKI 教授：循环流化床锅炉的动态调节非常重要。波兰的循环流化床锅炉可实现每分钟满负荷10%的负荷调节速率，但是研究表明频繁的负荷调节将会极大地降低设备寿命。如果设备的设计寿命为30 年，按照每天进行4 次负荷调节计算，该设备将在6 年左右时间内出现和设计寿命时间几乎相同的损害程度，这将极大地增加生产的设备成本。

Fabrizio SCALA 教授：欧洲的循环流化床锅炉所面临的挑战大多与生物质或废弃物相关，主要挑战在于燃料种类和灰成分对床内结块和管道腐蚀的影响。

Bo LECKNER 教授：欧洲国家会禁止循环流化床锅炉的低效运行，因为提高燃烧效率将会减少二氧化碳排放。但是循环流化床锅炉燃烧效率的提高也会增加锅炉传热面的温度，进而加速其腐蚀现象的发生。

杨海瑞教授：中国目前也面临循环流化床锅炉的炉内底渣和飞灰的资源化利用问题，尽管已经有部分灰渣用于制作水泥等材料，但是使用的总量和占比都还很低。同时循环流化床锅炉灰渣的品质也与煤种和炉内脱硫等因素有关。中国西南地区的煤含硫量较高，若采用炉内完全脱硫方式则会造成运行成本显著增加。而循环流化床锅炉炉内的不完全脱硫技术方案的使用也限制了飞灰和底渣的废弃物循环利用。另外，循环流化床锅炉灰渣的利用率与地区的经济发展水平密切相关。经济发达的地区（例如广东省）的相关企业可以利用产业链找到灰渣的终端用户。而对于中国西北和西南等经济欠发达地区，由于建筑行业和水泥行业发展不够充分，循环流化床锅炉底渣等再循环利用相关产品的终端用户有限。

Rafal KOBYLECKI 教授：在波兰，燃烧生物质的循环流化床锅炉较多。波兰的相关研究主要集中在进行生物质燃烧后灰渣的回收利用工作等方面。

Bo LECKNER 教授：对于处理城市固废的循环流化床锅炉而言，灰渣中将存在多种金属元素，若能实现金属元素的提取回收，那将会是一件非常有意义的事情，但其生产的工艺成本则是需要考虑的问题。

4 总结

实现“碳达峰、碳中和”是世界各国的共同目标，尽管短时间内完全摆脱煤炭依赖是很困难的，但能源体系进行从化石能源到可再生能源的转型是必然的。富氧燃烧、化学链燃烧和烟气中二氧化碳捕集等技术将有助于减少循环流化床锅炉生产中的碳排放量，应积极开展大规模试验研究以进一步了解技术可能性和存在问题。在“双碳”背景下循环流化床锅炉面临的科学挑战是提高测量手段从而更好地了解炉膛内发生的过程，工程挑战是快速变负荷运行、稳定燃烧、超低排放和灰渣资源化利用等。除了燃烧领域（循环流化床锅炉），流化床技术将在更多新方向（例如储能）上去探索更多的应用可能性。通过第四届循环流化床锅炉国际会议的国际对话，与会专家学者们一致认为流化床技术和循环流化床锅炉将在新的历史时期继续发挥其不可或缺的作用。