生物质锅炉富氧燃烧技术研究进展

2024-02-26李汪繁马达夫吴何来刘平元

动力工程学报 2024年2期

丁先, 李汪繁, 马达夫, 吴何来, 刘平元

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 200240)

近年来,绿色低碳转型已成为国际能源行业发展的主要方向,许多国家或经济体已结合自身实际作出了碳减排承诺[1],我国也在2020年第75届联合国大会上提出“双碳”目标。《2030年前碳达峰行动方案》提出“到2030年,非化石能源消费比重达到25%左右,单位国内生产总值CO2排放比2005年下降65%以上”等主要目标。从能源生产和消费的角度看,据中国电力企业联合会发布的《中国电力行业年度发展报告2022》,2021年全国非化石能源发电量为28 962亿kW·h,比上年增长12.1%,约占全国发电量的34.0%;从碳排放的角度看,2021年我国碳排放量约100亿t,约占全球碳排放量的30%,全国单位发电量CO2排放约558 g/(kW·h),比上年降低1.2%,比2005年降低35.0%[2-3]。因此,在现阶段新能源发电有效容量相对较低的情况下,开发利用零/低碳燃料已成为实现“双碳”目标的重要一环。

生物质能作为世界第四大能源种类,是一种零碳可再生燃料,具有经济、环保等优点[4]。我国作为农业大国,生物质能资源丰富,农作物秸秆、木材废料、城市垃圾、微藻等生物质总量已超过10亿t[5],但其中大多被露天焚烧或被丢弃自然降解[6]。因此,积极高效利用生物质能可成为我国现阶段快速实现碳减排的重要途径之一,其中直燃技术是目前大规模利用的主要方式[7]。由于生物质燃料存在热值较低的不足,富氧燃烧可作为一种有效改善燃烧稳定性和燃尽率的方式,且在富氧燃烧改造后烟囱出口处烟气CO2浓度较高[8],有利于更有效地分离CO2,实现高浓度CO2的捕集、封存和再利用。

笔者系统梳理了生物质燃料的基本特性,重点介绍了生物质富氧燃烧特性及相关工程研究现状,分析了技术风险与应对措施,并对技术发展趋势进行了展望。以期为推动生物质锅炉富氧燃烧技术领域发展及其商业化进程提供参考。

1 生物质燃料基本特性

生物质通过光合作用以木质纤维素等形式固定CO2,并在燃烧过程中释放CO2至大气中,从包括生物质燃烧利用在内的全生命周期角度可将其视为“零碳燃料”。近年来,生物质被广泛应用于电/热生产行业,表1中给出了部分种类生物质和煤的物理化学性质[9]。从化学元素组成角度看,由于生物质中富含碳水化合物,大多数生物质干燥时的O质量分数约为40%,C元素作为生物质中的主要元素,在干燥时质量分数在50%左右,H质量分数在5%～7%,同时也含有一定量的N、S和Cl等元素,通常质量分数都小于1.5%。生物质中的元素组成、矿物组分和灰熔点等性质会对其燃烧利用产生较大影响,具体分析如下:

表1 常见的生物质与煤物理化学性质对比[9]

(1) 在受热面灰沉积方面,燃料在燃烧过程中,释放到烟气中的部分物质会在气、固、液形态间发生转变,经过惯性碰撞、热泳、凝结扩散和化学反应等过程后,部分物质会附着在受热面表面,一定程度上降低锅炉效率[10]。对于燃用含K和Cl含量相对较高的燃料的生物质锅炉而言,其受热面的沉积比燃煤锅炉更为严重[11],当燃烧温度高于700 ℃时,生物质中的碱金属会以KCl为主要形式开始快速释放到烟气中,且Cl元素的存在会加速碱金属氯化物的释放[12]。KCl在流场的作用下冲刷到温度相对较低的受热面表面,并凝结形成沉积的初始层,由于KCl增加了表面的黏性,受热面开始捕获烟气中的灰颗粒,进一步促进沉积层的生长,同时最外层的温度也会由于换热效率降低而逐渐升高[13]。另外,碱金属的存在一定程度上降低了灰熔点[14],当灰颗粒在沉积层表面发生熔融时,将会进一步加剧受热面的灰沉积。

(2) 在受热面高温腐蚀方面,由于受热面表面KCl等碱金属氯化物的沉积,生物质锅炉受热面会出现严重的高温腐蚀问题。相关研究表明,当温度达到500 ℃时,KCl开始与金属Cr发生腐蚀反应,并产生Cl2[15-16]。影响腐蚀速率的因素主要包括碱金属含量和金属表面温度,Cha[17]研究发现随着碱金属含量的增加,灰沉积对受热面表面的腐蚀加重;Montgomery等[18-19]通过精准控制金属壁温在450～620 ℃后发现,当温度低于470 ℃时,腐蚀速率小于50 nm/h,当温度达到600 ℃时,腐蚀速率增加了近20倍,且温度对腐蚀的反应过程也存在较大影响。

(3) 在主要污染物排放方面,各类生物质燃料中S质量分数普遍低于0.5%,远低于煤的S含量,但由于生物质在挥发分析出后会形成较为松散的炭灰,在炉内流场的作用下会解体形成大量的飞灰,当进入脱硫系统后,这些飞灰可能附着于石灰石表面,抑制其溶解从而影响活性[20];各类生物质燃料中N质量分数一般为0.5%～1.5%,且在燃烧过程中约80%的N会转化为NOx[21],因此生物质燃料在N元素含量和NOx转化率两方面均普遍低于煤[22]。另外,生物质燃料热值较低,炉内燃烧温度相对较低,同样在一定程度上减少了NOx的生成。但生物质燃烧生成的碱金属盐会随烟气进入选择性催化还原(SCR)系统,存在造成催化剂中毒的风险,降低了脱硝效率[23]。根据相关报道,可考虑采用选择性催化还原-选择性非催化还原(SCR-SNCR)耦合的脱硝技术,充分利用2个有效反应区,该技术具有脱硝效率高、催化剂用量小等优点,且可有效降低运行成本[21]。同时,也应当注意及时吹扫和清洗催化剂表面,降低催化剂失活的风险。

2 生物质富氧燃烧特性与工程研究

富氧燃烧是一种助燃气体中的氧浓度高于空气的燃烧方法,其助燃气体的极限氧浓度为纯氧。与传统燃烧方式相比,富氧燃烧可以降低燃料燃点,使得燃烧过程提前开始。同时,富氧燃烧需要的助燃气体量较少,可减少热量损失,提高单位时间内的燃烧强度和燃料的燃烧效率,增强炉内的辐射传热[24-25]。

2.1 富氧燃烧特性

2.1.1 燃烧性质

热重分析是用于研究固体燃料(如木屑或煤等)燃烧和热解过程的常用手段[26]。图1和图2给出了常规条件下不同生物质和燃煤的热重分析(TG)和导数热重分析(DTG)曲线,以木屑为生物质代表,根据其失重过程分析得到生物质和煤的具体燃烧性能如表2所示。其中,Tv为失重过程开始时的温度;Tf为失重过程结束时的温度;vDTGmax为最大失重速率;TDTGmax为失重速率最大值点对应的温度。可以看出,木屑与煤的燃烧过程存在明显差异,二者主要失重过程的温度区间分别为192.1～784.6 ℃和404.7～939.9 ℃。木屑挥发性物质开始释放的温度较煤低212.6 K,因此木屑的燃烧过程相对煤而言发生在温度较低的区间内,着火热和着火温度相对较低;同时,木屑的最大失重速率为-15.89%/min,是煤的2.56倍,因此木屑的燃烧过程相对煤而言反应更为剧烈,燃尽时间相对较短。综上,可认为以木屑为代表的生物质在燃烧过程中因烷烃类易挥发、易燃烧的物质含量较多,其挥发分析出温度、着火温度、燃尽温度均低于煤。

图1 不同生物质和燃煤热解TG曲线[27-29]

图2 不同生物质和燃煤热解DTG曲线[27-29]

而针对生物质在富氧条件下的燃烧特性,国内外众多学者开展了理论研究,探究其着火温度、燃烧速率和燃尽温度等性质,为富氧燃烧技术路线设计提供理论基础[8]。王丽朋[30]采用热分析法在不同气氛条件下对5种不同类型的生物质进行热解过程分析,结果发现,随着氧体积分数的升高可以降低生物质的着火点、提高燃烧速率,对其燃烧性能有明显提升。Xiao等[29]对城市垃圾在富氧条件下进行热重分析,发现随着氧体积分数的增加,DTG曲线的最小值向低温偏移,即表示在较高的氧浓度下需要较低的温度可达到该值,富氧可以减少生物质的燃烧时间,提高其燃烧活性。Chen等[31]研究发现,氧浓度增加会改善微藻的燃烧特性,但当氧浓度超过60%时,改善效果有所减弱。Zhang等[32]利用热重分析研究了煤矸石和松木屑混合物在富氧条件下的燃烧特性,结果发现松木屑存在2个明显的燃烧过程,而煤矸石的2个燃烧过程存在部分交叉现象,同时木屑显著提高了煤矸石的燃烧速率。马俊豪[33]在4种氧体积分数下对松木进行热重分析,结果如图3和表3所示。可以看出,松木有2个失重峰,观察第一个失重过程(主要发生松木中半纤维素和纤维素等析出),随着氧体积分数从10%增至40%时,Tv提前了27 ℃,vDTGmax增大了0.452 %/℃,TDTGmax提前了19 ℃,说明氧浓度对其热解过程影响显著,通过富氧可以让松木提前着火,且增大燃烧速率。

图3 不同氧体积分数下松木的DTG曲线[33]

表3 松木热解DTG特征参数[33]

2.1.2 成灰特性

不同燃烧条件下生物质燃烧飞灰成分种类大致相同,主要包括SiO2、CaO、黄长石、钾长石(KAlSi3O8)、钙铁榴石、白榴石(KAlSi2O6)和Al2O3等,成灰过程主要反应如式(1)～式(4)[34]。但由于生物质中的Si和Al含量较少,K和Cl含量较高,会造成烟气中KCl含量相对较高,这严重加剧了受热面沾污问题,沾污过程中碱金属转化机理如图4所示。邢文斌[35]通过实验室制灰分析了不同气氛下灰分中的矿物成分演化规律,结果发现富氧条件下灰中低熔点的钙长石和钙黄长石等物质含量增加,加大了受热面结渣的可能性,同时发现O2/CO2气氛下高浓度CO2会增加K和Na等碱金属的析出。李意等[36]利用沉降炉对煤粉富氧燃烧进行了实验研究,结果发现O2/CO2气氛会抑制烟气中含铁氧化物的生成,造成更多的含铁矿物相向硅酸盐玻璃体演化,说明烟气再循环有加剧受热面结渣的风险。

图4 生物质燃烧过程中碱金属转化机理

K2SO4+2HCl

(1)

(2)

(3)

(4)

综上所述,富氧燃烧对生物质燃烧性质的影响主要集中在着火温度、TDTGmax和燃烧速率等,随着氧体积分数的增加,生物质的挥发分释放温度、着火温度和燃尽温度普遍呈下降趋势;此外,富氧燃烧和烟气再循环会加大受热面结渣的倾向,应合理控制氧体积分数和燃烧温度。基于上述富氧燃烧对生物质燃烧特性方面的影响,对生物质锅炉进行富氧燃烧改造可带来诸多利好:

(1) 富氧燃烧可在一定程度上提高炉内燃烧温度和传热效果。一方面,助燃空气中氧体积分数的增加会提高燃烧温度;另一方面,由于烟气中的N2体积分数减小,CO2和水蒸气体积分数增大,火焰的黑度明显增大。因此,对于辐射换热为主的锅炉,富氧燃烧对辐射换热效率有显著提高,进而提升了锅炉热效率。

(2) 富氧燃烧可降低生物质的着火温度和燃尽温度。甲烷和一氧化碳在纯氧中的着火温度较空气中分别低76 K和211 K。由于炉内气氛和温度等燃烧条件改变,生物质在进入炉内后可提前着火并燃尽,假设生物质在炉内的停留时间一定,不仅可增加生物质热释放效率和释放量,还可提高锅炉低负荷运行的稳定性。

(3) 富氧燃烧可提高生物质燃烧强度和燃烧速率。在炉内空间和生物质炉内停留时间一定时,由于助燃气体中氧体积分数的增加,加大了可燃物质与氧气发生有效碰撞的概率,可提高生物质的燃尽率,减少了机械不完全燃烧损失和化学不完全燃烧损失。

(4) 富氧燃烧可减少助燃气体量,提高锅炉热效率。一方面,因为助燃气体中氧体积分数增加,即可减少入炉气体用量;另一方面,采用富氧燃烧可在一定范围内降低过量空气系数,进一步减少入炉气体用量。因此,锅炉排气量有所降低,即可降低锅炉排烟损失和送/引风机用电量,提高锅炉热效率。

2.2 工程研究

当前,富氧燃烧常被用于燃煤锅炉改造上[37],瑞典大瀑布电力公司[38],日本日立公司[39]及国内东南大学和华中科技大学[40]等团队均在该技术领域开展了相关研究,积极推动其工业化应用。而对生物质富氧燃烧的研究主要集中在机理和理论基础方面,对其在实际应用中的工艺研究尚处于起步阶段。常见的富氧燃烧改造技术路线主要有:(1) 采用纯氧替代部分助燃空气;(2) 在再循环烟气中注入纯氧,图5为2种技术路线示意图。为探究不同技术路线的设计和运行参数优化,相关学者对生物质富氧燃烧工艺开展了数值计算和中试试验运行研究,典型研究案例见表4。

图5 富氧燃烧技术路线

表4 生物质锅炉富氧燃烧工程研究典型案例

2.2.1 数值计算

王克等[41]利用计算流体动力学(CFD)技术对某垃圾炉排焚烧炉的富氧燃烧进行了数值计算,并对比分析了有无烟气再循环工况下的计算结果,结果显示采用烟气再循环富氧燃烧时,炉膛出口温度由973.8 ℃降至876.4 ℃,降低了97.4 K,而无烟气再循环富氧燃烧时炉膛出口温度升高了56.2 K,同时有烟气再循环时炉膛出口烟气中的CO体积分数也远低于无烟气再循环时,说明烟气再循环可以有效提高炉内湍流强度,调节炉内温度,并保证可燃物质燃烧完全,提高锅炉效率。单福朋等[42]通过理论计算分析了不同氧体积分数对某燃用城市垃圾的炉排炉富氧燃烧过程的影响,得出当一次风中氧体积分数由0.21增至0.40时,炉膛出口烟温由950 ℃增至1 200 ℃,炉内温度的增加会加速垃圾干燥和挥发分析出的速度,有利于高水分低热值的垃圾充分燃尽。赵阳[43]以某生物质链条炉为研究对象,通过FLIC和Fluent分析不同富氧条件对生物质燃烧特性的影响,结果发现随着助燃空气氧体积分数由0.21增至0.30时,生物质的最大燃烧速率由23 kg/(m2·s)增至36 kg/(m2·s),增加了56.5%,且对应的床层位置由4.2 m处提前至2.6 m处,说明氧体积分数的增加提高了床层温度,继而可提前生物质燃烧过程并大幅提高燃烧速率。

2.2.2 中试研究

Ma等[44]在无烟气再循环的8 MWth燃用城市垃圾炉排炉上进行了富氧燃烧研究,分析助燃空气氧体积分数为0.21、0.24和0.27时的污染物排放特性和燃烧性能,结果发现烟气中的SOx显著减少,NOx明显增加,炉内燃烧温度略有上升,省煤器出口烟气温度由185 ℃增至207 ℃,垃圾燃烧更加充分,锅炉热效率由89.19%提升至89.81%,升高了0.62百分点。对于污泥等热值较低的燃料,可添加易燃的生物质作为辅助燃料混合燃烧,Sung等[45]以某台30 kWth燃用污泥和木屑混合燃料的循环流化床为研究对象,分析了富氧条件下不同烟气再循环比例对燃烧特性的影响,结果发现,因为有再循环烟气的富氧燃烧较常规空气燃烧时的炉内燃烧温度和N2含量均降低,在烟气再循环比例为60%时,炉膛出口烟气的CO体积分数由0.10%上升至0.91%,会对锅炉热效率产生一定负面影响,而炉膛出口烟气的NO体积分数由3.90×10-5降至1.40×10-5。Bien等[46]以某100 kWth燃用污泥的循环流化床为研究对象,分析了不同富氧条件(O2和CO2体积分数比分别为21∶79、25∶75、30∶70和35∶65)对炉内燃烧特性的影响,结果发现氧浓度对燃烧室内温度有很大影响,在φ(O2)∶φ(CO2)=21∶79气氛下燃烧室温度约为770 ℃,随着氧体积分数的增大,燃烧室温度达到830～880 ℃。

综上所述,采用纯氧替代部分助燃空气时可在一定程度上提高炉内燃烧温度、燃料燃烧速率和锅炉热效率,但结合前文生物质燃料的基本特性分析,这可能会对炉内结渣、高温腐蚀和NOx生成产生不利影响。而采用再循环烟气中注纯氧的技术路线可以有效控制炉内的温度水平,缓解污染物排放问题,并且可通过控制烟气再循环比例和氧体积分数对炉内温度水平进行动态调节,根据实时监测情况可对炉内燃烧和污染物排放进行合理控制,但在设备材料和运行成本方面会有所增加,锅炉热效率也会较纯氧替代部分助燃空气的方案有所降低。

2.3 技术风险及解决措施建议

目前,生物质锅炉富氧燃烧技术尚处于研究示范阶段,在国内外实际工程应用方面报道较少。对传统生物质锅炉进行富氧燃烧改造需要包括氧气掺混等部分锅炉改造,实际工程中可能存在一定的技术风险,对此提出了防范措施建议。

2.3.1 富氧系统

当富氧系统与生物质锅炉耦合时,可能在纯氧注入时未能充分混合均匀,入炉燃烧时发生局部氧含量过高而导致高温现象,造成局部受热面结渣和高温腐蚀严重,且存在NOx排放超标的风险。因此,需要针对富氧系统的注氧和混氧环节开展装置开发工作,确保高浓度氧气与高温烟气安全且均匀地混合。同时,根据富氧燃烧的规律,不同锅炉负荷下应存在最佳供氧体积分数,为减少富氧燃烧运行成本,需针对不同炉型和生物质燃料,探究助燃气体氧体积分数和锅炉负荷之间的规律,并实现自动控制调节。

2.3.2 配风系统

一次风和二次风的配风方式对炉内燃烧组织有重要意义,以燃用生物质的炉排炉为例,其过量空气系数一般为1.25左右,其中一次风与二次风比例约为4∶6。炉排的运动(往复或振动等)和一次风共同作用于生物质在床层上的混合、着火和燃烧过程。床层表面生物质受炉内辐射升温着火后,沿一次风反向向床层内燃料扩散,同时,温度相对较低的一次风合理射入,也起到冷却降温作用,避免炉排因温度过高而加速损耗。二次风主要影响炉内气相燃烧过程,对燃尽率和污染物生成起关键作用。通过二次风分级配风在火焰中心形成高温还原性区域,可以有效抑制NOx生成,并通过燃尽风保证可燃物质充分燃尽[47]。

因此,合理的配风方式会显著改善炉内燃烧状况和污染物排放,然而在运行过程中根据实际情况调整存在一定的盲目性和滞后性,需要针对不同炉型和生物质燃料,研究炉膛出口温度、CO和NOx浓度等实时监测数据与配风方式之间的规律,并实现自动控制调节。

2.3.3 受热面防沾污处理

通过改变锅炉设计结构和运行参数来解决受热面沾污问题较为直接有效,但成本过高。为减轻和缓解在氧浓度增加时生物质中碱金属造成受热面沾污严重的问题,可采取以下措施:(1) 生物质水洗预处理去除碱金属,该方法可有效去除生物质中的碱金属和氯,但处理后需要对燃料进行干燥处理,增加了运行成本[48];(2) 烟气中喷淋添加剂,在炉内喷入硫酸铵液体,可以与烟气中的低熔点KCl(熔点770 ℃)反应生成较为稳定的K2SO4(熔点1 067 ℃),反应式如式(1)所示[49];(3) 燃料中使用添加剂,在生物质中添加高岭土、铝土矿和硅藻土等含Si和Al的物质,会在燃烧过程中与烟气中的KCl反应生成熔点较高的白榴石(KAlSi2O6,熔点(1 686±5) ℃)和六方钾霞石(KAlSiO4,熔点1 100 ℃),反应式如式(5)和式(6)所示[50]。

2KAlSi2O6+H2O+2HCl

(5)

(6)

2.3.4 全炉膛密封处理

为避免发生烟气泄露和安全事故,提高锅炉运行效率,常通过改变风机转速或风门开度来保持炉内处于微负压的状态[51]。但由于富氧燃烧时炉内与大气中氧浓度存在差异,富氧燃烧改造后的生物质锅炉在负压运行时难以控制入炉氧量,会对燃料燃烧和锅炉效率产生一定的负面影响。为实现全炉膛密封运行,可采用以下措施:(1) 设置密封风系统;(2) 锅炉给料采用CO2密封或挤压燃料密封等;(3) 锅炉出渣采用湿法出渣;(4) 采用微正压燃烧。

3 生物质富氧燃烧发展趋势

3.1 政策发展趋势

在“双碳”、乡村振兴、县域经济开发、新型能源体系与新型电力系统建设等多重国家发展战略因素的驱动下,“十三五”以来国家在生物质发电行业相继颁布的相关政策主要有11项,如图6所示。总体来看,“十三五”以来国家政策从大力发展生物质能发电、完善生物质能发电政策补贴,到推动生物质能发电市场化运作,引导补贴退坡。政策的变化意味着生物质能发电市场已达到一定规模,行业正朝着规范化、市场化方向发展,生物质能正迎来全新的发展阶段。现阶段主要面临的挑战包括:

图6 生物质发电行业相关政策

(1) 对生物质能的定位认识不充分,其环境、生态价值尚未充分体现。受传统生物质能“脏乱差”影响,部分地区对发展生物质能的重要性认识不足,个别省市甚至认为生物质燃料是高污染燃料采取限制政策,生物质清洁供热至今不能享受“煤改电”、“煤改气”支持政策[52]。此外,国家针对生物质发电,虽在利用端电价中给予一定补贴支持,但在处理端只有垃圾、污泥等存在处理费补贴,针对生物质非电利用,在废弃物处理端和资源化利用端,均未建立完善的生物质能环境、民生、扶贫和公共服务的社会价值的普遍补偿机制,生物质能的环境、社会、生态价值未得到有效凸显。

(2) 电价补贴退坡影响较大,产业可持续发展能力不强。在生物质发电产业发展过程中,可再生能源发展基金发挥了有力的推动和促进作用,但随着产业规模扩大和生物质利用率提高,补贴政策的适应性难以为继,补贴退坡不可避免,2020年补贴新政明确规定自2021年1月1日起,规划内已核准未开工、新核准的生物质发电项目全部通过竞争方式配置并确定上网电价,这对行业发展将是严峻的挑战,在较大程度上影响行业的发展,倒逼行业加快转型升级发展[53]。

(3) 产业发展不平衡,规范化管理有待加强。国内生物质能利用与欧美国家相反,主要以发电为主,非电利用为辅,由于缺少有力的支持政策以及相关体制机制不健全等问题,生物质能在非电领域利用方面得不到重视和发展,出现了生物质能产业发展不平衡的局面。此外,针对生物质发电利用领域,在项目规划布局、生物质燃料保障、污染物排放治理等环节规范化管理水平仍然不足,行业的监管力度有待加强[54]。

随着全国碳交易市场的建立,未来生物质发电行业企业也将通过碳减排配额交易,获得可观收益,每年生物质发电企业的碳减排量能够通过碳交易市场进行买卖,将为补贴退坡中的发电企业带来强有力的收益支持。待绿证交易市场成熟后,同样可为生物质发电创造新的盈利空间,以抵消电价补贴退坡带来的收入减少,未来生物质能的碳汇价值将得到更加深入的挖掘。从中长期来看,生物质能高效利用耦合碳捕集与封存(BECCS)可能成为重点技术发展方向:一方面该技术有利于在碳交易市场中获得优势地位,通过售卖碳排放权获利;另一方面,可为主动探索CO2制甲醇等高附加值产品提供原料基础。

3.2 生物质富氧燃烧耦合碳捕集与封存

BECCS是碳捕集与封存的前沿领域,通过捕获生物质能利用过程中产生的CO2并将CO2高价值再利用或永久封存,是一种能够在移除大气中CO2的同时提供持续能源供应的技术,示意图如图7所示。根据英国能源安全和净零排放部发布的《Bio-mass Strategy 2023》,提出将持续扩大生物质在电力和供热等行业的应用,并有望通过BECCS实现“负碳”以平衡难脱碳行业产生的碳排放。英国Drax公司于2021年3月向英国政府申请开发CO2捕获规模为800万t/a的BECCS设备,并计划于2024年开工建设。日本于2009年9月在三川生物质发电厂建设了CO2捕获能力为3 000 t/a的中试设备[55],后续对该系统进行了改良,并于2020年10月在该电厂投运了捕获CO2规模为18万t/a的BECCS系统[56]。

图7 BECCS示意图

富氧燃烧联合烟气再循环系统可在有效改善生物质燃料清洁高效利用的同时降低污染物的排放,并为碳捕集及利用提供高浓度CO2烟气,目前该技术的应用在国内外仍处于示范阶段[57]。在当前大规模可再生能源装机有效容量不高的情况下,“绿电”制氢中作为副产物的“绿氧”利用率不高,将其应用于生物质锅炉富氧改造可实现其高效回收利用,有助于在优化产业链的同时提升经济效益。此外,基于碳捕集技术制取的高纯度CO2具有广阔的资源化应用前景,可用来制造甲醇、纯碱、尿素和汽水,也可用于保藏食品和人工降雨,经济附加值显著[58-59]。

未来,在充分利用生物质电厂原有设备的基础上,对其进行富氧燃烧改造,并结合碳捕集系统工艺技术,可在规模化利用“绿氧”,提高“绿电”消纳能力的同时,实现具有高经济附加值的高浓度CO2生产,也为生物质电厂高质量转型发展提供了“负碳电厂”新思路新模式。因此,基于生物质富氧燃烧的BECCS技术有望成为生物质电厂转型发展的途径之一,并且生物质锅炉富氧燃烧模块与碳捕集模块相对独立,可结合生物质电厂的资源禀赋(如可再生能源分布情况)、下游用户需求(如制甲醇)等不同情况,灵活组合优化提供“一厂一策”的个性化解决方案,为产业应用场景拓展及商业模式创新提供示范。