會議名稱：第四屆循環(huán)流化床鍋爐國際會議（4th CFBB）

主辦單位：清華大學（中國）；重慶大學（中國）；釜山國立大學（韓國）

時 間：2021 年11 月27 日至28 日

會議形式：在線會議

主 持 人：楊海瑞（中國，清華大學，教授）

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

撰 稿 人：馮玉鵬（中國，清華大學）

為了實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標，構(gòu)建綠色電力系統(tǒng)，以太陽能發(fā)電和風力發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，與此同時燃煤火電機組逐步升級轉(zhuǎn)型，承擔起調(diào)節(jié)性和保障性電源的重任，為實現(xiàn)新型綠色電力系統(tǒng)的目標提供了安全保障。2021 年11 月27 日，清華大學聯(lián)合重慶大學和釜山國立大學共同主辦了“第四屆循環(huán)流化床鍋爐國際會”（4th CFBB）。本次國際論壇以“雙碳”背景下循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展及其面臨的科學與工程挑戰(zhàn)為主題，與會專家學者圍繞在“碳中和、碳達峰”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和工程挑戰(zhàn)”等議題進行了廣泛的交流討論，探討了流態(tài)化技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐未來的發(fā)展方向和亟需關(guān)注與解決的問題。

1 煤炭與可再生能源的使用

實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標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。由于不同國家的資源稟賦存在較大差異，因此，在實現(xiàn)“碳中和”過程中所面臨的條件也不同的。大多數(shù)歐洲國家已經(jīng)實現(xiàn)“碳達峰”。在過去20 年中，各歐洲國家已廣泛開展了可再生能源體系的建設，實現(xiàn)了能源生產(chǎn)和供給結(jié)構(gòu)的巨大轉(zhuǎn)變，但不同國家在邁向“碳達峰、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。由于意大利和法國相對缺少煤炭資源，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。在短時間內(nèi)所有歐洲國家完全擺脫煤炭幾乎是不可能的，特別是對一些煤炭在其能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要比例的國家。然而，各國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：對于像中國和波蘭這種煤炭資源豐富的國家，其經(jīng)濟發(fā)展是以煤炭利用為基礎的，因此，這些國家很難完全不使用煤炭。而對于瑞典，由于本身缺乏煤炭資源，所以其經(jīng)濟發(fā)展對煤炭的依賴較少，其能源生產(chǎn)系統(tǒng)很容易完全擺脫煤炭。

Rafal KOBYLECKI 教授：目前，為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”，很多歐洲國家將解決辦法聚焦在擺脫煤炭依賴上。但是，在現(xiàn)實中，社會生產(chǎn)完全擺脫煤炭確實非常困難，缺乏必要的可能性和可實現(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)過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳。因此，相比于完全擺脫煤炭，我們應該提倡在燃煤的過程中注重二氧化碳的捕集，從而實現(xiàn)二氧化碳排放量和捕集量的平衡。

Fabrizio SCALA 教授：意大利等國家對于煤炭的大規(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，相關(guān)技術(shù)將會得到推廣使用。

可再生能源屬于波動性能源，因此，發(fā)展可再生能源必須面對的問題就是電力生產(chǎn)的連續(xù)性。隨著能源系統(tǒng)中可再生能源份額的增加，勢必將對儲能技術(shù)提出更高的需求。雖然意大利目前通過使用化石能源來彌補可再生能源的不足，但在未來，當可再生能源份額相當高的時候，這種舉措將無法持續(xù)。所以儲能技術(shù)將是實現(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氫化合物的生產(chǎn)和儲存問題。德國提出的一種可能性是：利用富余的可再生能源通過催化反應生產(chǎn)甲烷，將能量以甲烷的形式儲存。當可再生能源缺乏時，可通過燃燒儲存的甲烷達成能源的持續(xù)供給。相似地，可再生能源制氫和儲氫也是一個能源領(lǐng)域進行技術(shù)和應用研究的發(fā)展方向。

楊海瑞教授：各國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的具體行動取決于不同國家的具體的條件。如在中國、韓國和波蘭等國家完全取消煤炭是不現(xiàn)實的，也是無法實現(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)流化床鍋爐運行中的二氧化碳排放量，但是，當下這些技術(shù)的進展存在的共性問題是：相關(guān)專家和學者的主要成果集中在理論研究和實驗室規(guī)模研究等方面，缺乏足夠數(shù)量的大規(guī)模試驗研究數(shù)據(jù)，而大規(guī)模試驗研究是了解技術(shù)實現(xiàn)的可能性和解決流化床鍋爐相關(guān)工程問題的關(guān)鍵。在富氧燃燒技術(shù)方面，通過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，這種思路也會面臨如顆粒物的排放等多方面的問題。循環(huán)流化床鍋爐本身就是一種應用流化床技術(shù)的燃燒反應器，在以“碳達峰、碳中和”為導向的發(fā)展趨勢下，我們應該嘗試將流化床技術(shù)應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)。可以使用流化床技術(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：除了應用于燃燒方面之外，我們可嘗試利用流化床技術(shù)進行氣化、熱解等工作。在流化床鍋爐的熱解過程中制造生物碳，而生物碳更具有市場空間，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：我們應該為流化床技術(shù)應用積極尋求新的應用場景，但要找到合理的場景確實需要付出更過的努力。利用流化床技術(shù)進行可再生的生物質(zhì)的制造與生產(chǎn)確實非常重要，但必須對生物質(zhì)資源進行有效管理以使其可再生使用。

Dongfang LI 博士：韓國為了實現(xiàn)“2050 年碳中和”的目標，政府正在牽頭推動燃煤鍋爐（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用。

盧嘯風教授：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題。

楊海瑞教授：我們應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轉(zhuǎn)化。而為了消納太陽能和風能等可再生能源，循環(huán)流化床鍋爐需要實現(xiàn)靈活運行，這是非常重要的。對于富氧燃燒、化學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)應用有限，但“雙碳”政策的實施將刺激終端用戶逐漸接受并采用這些技術(shù)。“雙碳”政策的要求是減少碳排放，所以流化床技術(shù)的應用場景將不僅局限在鍋爐方面，它將在不同國家的各種的應用場景中找到更多的角色定位。目前，我們團隊正在開展利用大宗工業(yè)固廢電石渣和流化床技術(shù)進行流態(tài)化熱化學儲熱的研究。

3 循環(huán)流化床鍋爐面臨的科學和工程挑戰(zhàn)

楊海瑞教授：在中國，循環(huán)流化床鍋爐當前面臨的最大挑戰(zhàn)是：如何在實現(xiàn)從滿負荷到20%以下負荷的靈活變負荷運行的同時，實現(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穩(wěn)定的負荷下運行的狀態(tài)，但未來要與風能和太陽能合作，提供連續(xù)、穩(wěn)定的能源供給，則要求循環(huán)流化床必須實現(xiàn)頻繁的變負荷運行。所以，了解循環(huán)流化床鍋爐在變負荷情況下的動態(tài)運行行為是非常重要的，而這其中對爐膛內(nèi)發(fā)生過程的認知則更加重要。目前我們對爐膛內(nèi)發(fā)生過程的了解主要基于建模，但模型本身并不代表它的真實過程。雖然對大型設備進行測試測量的科學和工程挑戰(zhàn)是非常昂貴和困難的，但是發(fā)展有效的測量手段去進一步認識爐膛內(nèi)發(fā)生過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)展方向應該研究系統(tǒng)對于可再生能源的負荷跟蹤能力，科學方面則要更好地了解爐膛內(nèi)的過程并與實驗室數(shù)據(jù)進行比較。

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

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床內(nèi)結(jié)塊和管道腐蝕的影響。

Bo LECKNER 教授：歐洲國家會禁止循環(huán)流化床鍋爐的低效運行，因為提高燃燒效率將會減少二氧化碳排放。但是循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的提高也會增加鍋爐傳熱面的溫度，進而加速其腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

楊海瑞教授：中國目前也面臨循環(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)完全脫硫方式則會造成運行成本顯著增加。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)濟發(fā)展水平密切相關(guān)。經(jīng)濟發(fā)達的地區(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。而對于中國西北和西南等經(jīng)濟欠發(fā)達地區(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，若能實現(xiàn)金屬元素的提取回收，那將會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題。

4 總結(jié)

實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”是世界各國的共同目標，盡管短時間內(nèi)完全擺脫煤炭依賴是很困難的，但能源體系進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，應積極開展大規(guī)模試驗研究以進一步了解技術(shù)可能性和存在問題。在“雙碳”背景下循環(huán)流化床鍋爐面臨的科學挑戰(zhàn)是提高測量手段從而更好地了解爐膛內(nèi)發(fā)生的過程，工程挑戰(zhàn)是快速變負荷運行、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（例如儲能）上去探索更多的應用可能性。通過第四屆循環(huán)流化床鍋爐國際會議的國際對話，與會專家學者們一致認為流化床技術(shù)和循環(huán)流化床鍋爐將在新的歷史時期繼續(xù)發(fā)揮其不可或缺的作用。