综述：生物质化学循环燃烧技术的进展：过程控制与综合评估

《Journal of Engineering and Technology Management》：Advances in Biomass Chemical Looping Combustion Technology: Process control and comprehensive evaluation

生物质化学 looping 燃烧（bio-CLC）技术通过氧载体实现高效碳捕集，其关键影响因素包括生物质类型、操作温度/压力、循环速率及氧载体比例，其中Fe基、Cu基、Mn基矿物载体最优，Ilmenite表现尤为突出。生物质灰中的碱金属（如Na）会抑制铁基载体活性，但K影响较小。技术经济分析表明，该技术CO?捕集效率超90%，净电效率达40%以上，成本增幅约10%，仍具经济可行性。生命周期评估显示其温室气体减排潜力显著，但需完善预处理工艺及开展中试试验。

　　生物质化学循环燃烧（bio-CLC）技术作为一种高效的碳捕集方法，展现出显著的实践应用前景。该技术通过将氧气载体引入燃烧过程，实现了燃料与空气的分离，从而在燃烧过程中直接捕集二氧化碳。与传统的燃烧技术相比，bio-CLC具有更高的成本效益，能够有效减少碳排放，同时为可持续能源开发提供了新的思路。本文系统地回顾了影响bio-CLC过程的关键因素，包括生物质原料的类型、操作条件如温度和压力、循环速率以及氧气载体与燃料的比例。此外，还分析了氧气载体在燃烧过程中的作用及其对系统性能的影响，探讨了生物质灰分在反应过程中的关键作用，并评估了该技术的经济性和环境效益。

氧气载体在bio-CLC中扮演着至关重要的角色，其选择直接影响燃烧效率和碳捕集效果。研究表明，以矿物为基础的氧气载体，如铁、铜和锰基载体，是生物质处理的最佳选择。其中，赤铁矿因其优异的性能而被认为是最有效的氧气载体之一。赤铁矿不仅具有良好的还原和氧化循环能力，还能有效吸附生物质燃烧过程中产生的碱性物质。这些碱性物质主要包括钠和钾，它们在燃烧过程中对氧气载体的反应性产生重要影响。钠通常会抑制铁基氧气载体的反应活性，而钾的影响则相对较小。然而，燃料反应器（FR）中释放的碱性灰分含量是空气反应器（AR）的七倍以上，这使得碱性物质对系统性能的潜在影响尤为显著。赤铁矿在这一过程中表现出色，能够吸收超过95%的碱性物质，从而降低其对氧气载体和反应器的不利影响。

生物质灰分在燃烧过程中发挥着多方面的作用，其特性与生物质原料的种类密切相关。生物质通常含有较高的碱金属和碱土金属含量，如钠和钾。这些金属在燃烧过程中可能与氧气载体、床层材料及其他非金属元素发生复杂的反应，从而对整个系统的性能产生影响。一方面，这些碱金属在生物质气化过程中可以作为催化剂，促进反应的进行，提高气化效率。另一方面，它们也可能对氧气载体的稳定性和寿命产生负面影响，尤其是在高温和长时间循环操作条件下。因此，对生物质灰分的影响进行系统分析，对于优化bio-CLC系统的运行至关重要。

在实际应用中，生物质灰分的排放和分布情况也需引起重视。灰分在燃烧过程中会沉积在反应器床层中，可能影响反应器的传热和传质性能。此外，灰分的化学成分和物理特性决定了其在反应器中的行为，如颗粒的破碎、团聚以及与氧气载体的相互作用。这些因素不仅影响燃烧效率，还可能对系统的长期运行稳定性产生不利影响。因此，研究生物质灰分的吸附行为和排放动态，对于提升bio-CLC系统的性能和可靠性具有重要意义。通过综合监测和分析，可以更准确地评估生物质灰分对反应过程的影响，并为优化系统设计提供科学依据。

在经济性方面，bio-CLC技术展现出较强的竞争力。技术经济分析表明，生物质CLC用于发电时，碳捕集效率可以超过90%，净发电效率则超过40%。尽管与传统燃烧技术相比，该技术的运行成本大约增加了10%，但其整体经济性仍然优于许多其他碳捕集与封存（CCS）技术。特别是在考虑到碳捕集带来的环境效益时，bio-CLC的经济价值更加突出。此外，生命周期评估（LCA）进一步验证了该技术的环境优势。研究表明，在某些情况下，bio-CLC可以将全球变暖潜能值（GWP）降低超过90%，这表明其在减少温室气体排放方面具有巨大的潜力。

随着全球对碳排放控制的日益重视，bio-CLC技术的推广和应用成为实现碳中和目标的重要途径之一。然而，当前的研究仍存在一定的不足，特别是在预处理工艺的集成方面。现有的研究主要集中在氧气载体的选择和优化、生物质灰分的影响评估以及系统的建模与模拟等方面，而对于如何通过预处理工艺提升生物质的燃烧性能和减少灰分带来的不利影响，仍缺乏系统性的探讨。因此，未来的研究应更加注重这些方面的深入分析，以推动bio-CLC技术向工业化应用迈进。

在工业应用方面，赤铁矿、锰矿和工业金属废料被认为是当前最实用的氧气载体。这些材料不仅具有良好的反应性能，还能有效应对生物质燃烧过程中产生的碱性物质问题。此外，赤铁矿的高吸附能力使其在处理高碱性生物质时表现出色，有助于维持系统的稳定性和效率。然而，氧气载体的长期循环性能、耐高温特性以及在不同生物质原料中的适用性仍需进一步研究和验证。通过优化氧气载体的配方和制备工艺，可以进一步提升其在不同工况下的性能表现，从而为bio-CLC技术的规模化应用奠定基础。

为了推动bio-CLC技术的进一步发展，还需要进行更多的中试实验和系统性缩放测试。这些实验不仅有助于验证理论模型的准确性，还能为实际工程设计提供重要的数据支持。中试实验可以揭示不同操作条件下系统的运行特性，如反应速率、温度分布、压力变化以及气体产物的组成变化。同时，系统性缩放测试能够评估技术在不同规模下的可行性，为技术的商业化提供科学依据。此外，结合人工智能和大数据分析的系统建模方法，也为优化bio-CLC过程提供了新的工具和手段。通过这些手段，可以更精确地预测系统的性能，优化操作参数，提高整体效率。

从技术角度来看，bio-CLC的运行机制和过程控制是其成功应用的关键。在燃烧过程中，氧气载体作为氧化介质，替代了传统燃烧中的氧气，使得燃料与空气不直接接触，从而避免了氮氧化物的生成。这一机制不仅提高了碳捕集的效率，还降低了污染物排放，使整个燃烧过程更加环保。然而，该技术的实施仍然面临诸多挑战，如氧气载体的制备成本、反应器的设计优化以及系统的长期运行稳定性等问题。这些问题需要通过深入的研究和实验来解决，以确保bio-CLC技术能够实现可持续的工业化应用。

综上所述，生物质化学循环燃烧技术在碳捕集和能源利用方面展现出巨大的潜力。通过优化氧气载体的选择和性能、深入研究生物质灰分的影响、以及加强系统建模和工程实践，可以进一步提升该技术的经济性和环境效益。未来的研究应更加注重技术的集成与优化，推动其向实际应用迈进。同时，加强与相关产业的合作，探索更多的商业化路径，也将有助于bio-CLC技术在全球范围内的推广和应用。