在垃圾焚烧发电中实施富氧燃烧：采用建模与热分析相结合的方法分析烟气再循环策略

《Fuel Processing Technology》：Implementing oxyfuel combustion in waste-to-energy: Analysis of flue gas recirculation strategies using a combined modeling and thermal analysis approach

　　

富氧燃烧垃圾焚烧发电（WtE）模型评估了烟气再循环（FGR）策略。垃圾衍生燃料（RDF）热分析表明，增加O₂促进了焦炭转化。湿FGR降低了下游流量并增强了焦炭转化。烟气处理前的湿FGR增加了氧化剂混合物中的污染物水平。干FGR实现了烟气中CO₂浓度最高（送至CO₂压缩与纯化单元（CPU））和O₂需求最低。

**研究背景与问题**
欧盟绿色协议承诺2050年实现气候中和，垃圾焚烧发电（WtE）行业需通过碳捕集技术减少CO₂排放。当前WtE中应用碳捕集主要有燃烧后、燃烧前和富氧燃烧三种路径，其中富氧燃烧采用纯氧与再循环烟气作为氧化剂，可生成高浓度CO₂烟气。然而，现有研究多集中于煤炭燃烧，WtE领域因燃料成分复杂、炉排炉技术主导，相关研究仍十分有限。烟气再循环（FGR）策略（湿式或干式、再循环位置）对燃烧气氛、下游设备及整体能效的影响尚未被系统比较，且缺乏与实验数据的关联。因此，本研究旨在通过建模与热分析相结合的方法，评估不同FGR策略对气体组成、流量及燃烧特性的影响，为WtE厂改造富氧燃烧提供可行方案。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员开发了一个基于质量平衡的富氧燃烧WtE模型，模拟三种FGR策略（路径A：烟气处理前湿再循环；路径B：烟气处理后湿再循环；路径C：烟气冷凝后干再循环），分析其对各阶段气体成分、摩尔流量、O₂需求及CO₂和N₂含量的影响。同时，采用热重分析（TGA）和差热分析（DTA）对RDF样品进行实验，研究O₂浓度（21–35 vol.-%）和H₂O浓度（0–35 vol.-%）在CO₂气氛下的燃烧特性。结论指出：干式FGR（路径C）获得最高的CO₂浓度（62.1 vol.-%）和最低的O₂需求（0.86 kg/kg_waste），但N₂含量较高；湿式FGR（路径A/B）产生高水蒸气含量（约40 vol.-%），路径A带来高污染物风险，路径B在降低污染物后仍保留高水蒸气。TGA/DTA表明，O₂浓度对焦炭燃烧有显著促进作用，需32–35 vol.-% O₂才能达到空气燃烧性能；H₂O浓度增加（≤35 vol.-%）轻微促进焦炭燃烧，但对脱挥发分影响可忽略。本研究为WtE厂选择FGR策略提供了定量依据，干式FGR在CO₂纯化方面具有优势，湿式FGR可能因高水蒸气而略微增强燃烧。

**论文发表在《Fuel Processing Technology》**

**主要关键技术方法**
1. **富氧燃烧模型**：基于质量平衡的简化数值模型，考虑100次再循环迭代达到稳态，输入元素组成（C、H、S、Cl、N、O、水分、灰分）及假空气泄漏，计算各阶段气体成分和摩尔流量。模型设定O₂浓度和过量O₂比，模拟不同FGR策略（A、B、C）并与空气燃烧对比。灵敏度分析考察O₂浓度、过量O₂比、MSW水分及空气泄漏对CPU入口CO₂、N₂含量、O₂需求和OM中H₂O浓度的影响。
2. **热重/差热分析（TGA/DTA）**：使用LINSEIS STA PT1600/1000同步记录TGA和DTA，样品为研磨至<1 mm的RDF（来自德国水泥厂，工业分析及元素分析见表2），初始质量10 mg，气体总流量50 ml/min，升温速率10 K/min至1000 °C。实验在CO₂/O₂/H₂O气氛下进行，O₂浓度21–35 vol.-%，H₂O浓度0–35 vol.-%，并设空气参考（N₂/O₂/H₂O）。测定DTG峰温、起始/终止温度及DTA峰温，通过线性回归计算达到空气燃烧特性温度所需的O₂浓度。

**研究结果**
**3.1. Flue gas recirculation strategies**
模型结果显示，FGR策略显著影响气体组成和体积流量。路径A（烟气处理前湿再循环）导致OM中污染物浓度高，但下游FGT和FGC体积流量最低；路径B（烟气处理后湿再循环）OM中H₂O含量高（约40 vol.-%），污染物低，但FGT处理体积大；路径C（烟气冷凝后干再循环）OM中H₂O极低（3.5 vol.-%），CPU入口干烟气中CO₂浓度最高（62.1 vol.-%），O₂需求比路径A/B低约11.6%（0.86 vs 0.98 kg/kg_waste）。灵敏度分析表明，过量O₂比是影响CPU入口CO₂浓度的主导因素，空气泄漏显著增加N₂含量；OM中H₂O含量主要由FGR策略决定，MSW水分和O₂浓度是次要因素。

**3.2. Thermoanalytical results**
TGA显示RDF燃烧分为四个阶段（水分蒸发、脱挥发分、焦炭燃烧、灰分反应），DTG和DTA曲线中两个主要峰对应脱挥发分和焦炭燃烧。
**3.2.1. Impact of O₂ concentration**：增加O₂浓度使DTG曲线向低温偏移，焦炭燃烧峰温和燃尽温度显著降低，最大失重率增加；脱挥发分峰温几乎不变。达到空气燃烧条件需O₂浓度32.40–34.71 vol.-%（95%置信区间）。
**3.2.2. Impact of H₂O concentration**：增加H₂O浓度（0–35 vol.-%）使DTG和DTA峰温略微降低，焦炭燃烧最大失重率增加，燃尽温度下降；脱挥发分无显著变化。H₂O的促进作用在较低O₂浓度下更明显，但总体效果弱于O₂浓度影响。

**总结讨论与结论**
研究结论部分指出：所研究的FGR策略导致不同的体积流量和气体组成。湿再循环（路径A）在FGT前产生高污染物，增加腐蚀和停机风险，但减少FGT和FGC气体体积；湿再循环（路径B）显著降低OM中污染物，但OM中H₂O含量极高，受MSW水分和O₂浓度影响。干再循环（路径C）使CPU入口烟气CO₂含量最高，但N₂含量也最高，主要来自空气泄漏。CO₂含量对过量O₂比非常敏感。路径C比湿FGR策略O₂需求低约11.6%，因为更多O₂被再循环到OM。热分析结果证实O₂浓度对燃烧性能有强烈影响，焦炭燃烧被显著促进，脱挥发分仅轻微敏感。达到与空气类似的焦炭燃烧和燃尽温度需要O₂浓度在CO₂中约32–35 vol.-%。此外，增加H₂O浓度（≤35 vol.-%）轻微促进焦炭燃烧，对脱挥发分影响可忽略。因此，湿FGR中OM的高H₂O含量可能略微增强燃烧，支持该策略的适用性。未来研究将聚焦于先进FGR概念、替代FGT技术以及不同气体体积流量的能量影响，并结合不同H₂O和O₂浓度下的热分析研究。