1 MWth流化床反应器中钛铁矿为床料的固体回收燃料氧燃烧实验研究：提升燃烧效率与CO2捕集潜力

为解决燃煤电厂碳减排难题，研究人员在1 MWth循环流化床(CFB)中开展钛铁矿(Ilmenite)床料辅助氧燃烧(Oxy-OCAC)研究，首次实现100%固体回收燃料(SRF)的工业级自热运行。结果表明，系统可在16分钟内完成空气-氧燃烧切换，钛铁矿通过氧传递机制使CO排放降低50%，CO2浓度提升至97.4%，为CFB系统碳捕集(CCS)提供创新解决方案。

　　

全球能源转型面临严峻挑战：尽管煤炭仍是主要电力来源（占全球发电量35%以上），但其燃烧产生的温室气体加剧气候变化。中国和印度等国家煤炭消费持续增长，2024年预计达87.7亿吨。在此背景下，循环流化床(CFB)锅炉因其燃料灵活性成为替代传统燃煤系统的关键技术，但高挥发性废弃物衍生燃料(SRF)的燃烧稳定性差、氧燃烧(Oxyfuel)需高纯度氧气等问题制约其应用。

为解决这些难题，欧洲研究团队在《Carbon Capture Science》发表突破性成果。研究采用1 MW_th工业级CFB装置，首次将氧载体辅助燃烧(OCAC)与氧燃烧技术结合，以钛铁矿(Ilmenite)为活性床料，实现100% SRF燃料的连续运行。通过湿烟气再循环系统、多级氧浓度调控（21-31.7 vol.%）和实时气体分析，团队完成从空气燃烧到氧燃烧的16分钟快速切换，并系统评估了反应器流体力学特性和燃烧效率。

温度与压力分布
压力差测量显示，氧燃烧工况下自由板区域颗粒浓度增加58%，归因于CO₂/O₂混合介质密度提升导致的终端沉降速度降低。温度分布更均匀，床区与自由板温差从100 K降至50 K，得益于钛铁矿的氧传递功能和增强的热容特性。

烟气组分分析
相比石英砂床料，钛铁矿使CO排放降低13-30%，CO₂浓度从94.3%提升至97.4%。O₂入口浓度每增加1%，烟气残余氧含量增幅减少0.5个百分点，证实钛铁矿促进氧扩散的"氧库"效应。

技术方法创新
研究采用湿烟气再循环系统维持流体动力学稳定，通过独立控制的初级/次级流体化线路实现氧浓度梯度调节（25-35 vol.%干基）。在线气体分析系统（NDIR红外+顺磁传感器）实时监测CO/CO₂/O₂浓度，误差控制在1.8%以内。SRF燃料特性分析显示其挥发分达85.2 wt.%，LHV为20.9 MJ/kg。

研究结论
该研究证实Oxy-OCAC技术具有三重优势：(1)工业级装置实现16分钟快速模式切换，优于文献报道的30-40分钟；(2)钛铁矿通过Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环改善氧分布，使CO排放降低50%；(3)自由板区颗粒浓度提升增强热传递效率，为后续热回收系统设计提供依据。这些发现为现有CFB电厂改造提供可商业化路径，特别适用于中国、印度等煤炭依赖地区的碳减排。

讨论与展望
尽管取得突破，研究指出SRF燃料异质性导致数据波动（R²最低0.01），未来需优化氮气冲洗等辅助流程监测。作者建议下一步研究应聚焦：(1)生物质等其他低碳燃料的适配性；(2)烟气路径全系统改造以实现>90% CO₂纯度；(3)30 MW_th级以上规模验证。该技术有望使现有CFB电厂碳捕集能耗降低10%，推动《巴黎协定》温控目标实现。