综述： grate-fired Waste-to-Energy plants中用于CO?捕获的氧燃料技术综述

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Review of oxyfuel technology for CO? capture in grate-fired Waste-to-Energy plants

　　

Carbon capture, utilization and storage (碳捕获、利用与封存，CCUS) 对于减缓废物转化能源 (Waste-to-Energy, WtE) 工厂中不可避免的化石和生物源CO?排放至关重要。氧燃料燃烧 (oxyfuel combustion) 代表了一项具有前景的技术，因为它产生富含CO?的烟气，适用于净化和压缩。尽管燃煤系统的核心设计原则在很大程度上可转移，但城市固体废物 (municipal solid waste, MSW) 的异质性质以及在grate-firing (炉排燃烧) 系统中的燃烧需要专门评估。 向以CO?为主的气氛过渡改变了燃烧室中的关键物理性质，导致在相同氧浓度下燃烧延迟。为了实现类似空气的燃烧特性，通常需要约30 vol%的氧浓度，尽管已确定存在燃料特定的偏差。对MSW的实验研究考察了燃烧行为、排放和灰形成，而对WtE中实施的模拟研究则集中在烟气再循环 (flue gas recirculation, FGR) 策略、过量氧、氧纯度和空气泄漏的影响上。 本综述评估了与grate-fired WtE工厂改造实施相关的过程级影响、关键操作参数和剩余研究空白。尽管最近取得了进展，但仍需要进一步实验研究，以评估优化的燃料特定O?/CO?比率对排放和灰形成的影响。为了实现可靠的大规模实施，将中试规模研究与经过验证的过程模型相结合的集成研究至关重要。未来的研究应解决氧燃料WtE系统在波动废物成分下的稳健性、先进过程调节的相互作用以及技术过程优化。

1. 1.
   Introduction (引言)
   1.1. CO? capture in WtE for net-zero (WtE中实现净零排放的CO?捕获)
   欧洲联盟旨在到2030年将温室气体减少55%，到2050年实现气候中和。WtE被认为是不可避免的CO?排放源之一，但同时提供了贡献于温室气体去除的潜力。每吨焚烧的废物大约排放0.84–1.1吨CO?，具体取决于废物成分和碳含量。其中约50–60%的排放为生物源，通过碳捕获、利用与封存 (CCUS) 具有显著的负排放潜力。全球约80%的WtE工厂采用grate combustion technology (炉排燃烧技术)。现代WtE工厂遵循标准化的过程布局。碳捕获技术主要开发用于化石燃料发电厂，但WtE工厂更复杂，对实施后燃烧碳捕获技术提出了各种挑战。MSW成分非常不均匀，导致烟气成分波动。烟气通常含有低CO? (≈6–12 vol%)、高过量空气和高O? (7–14 vol%)，加上高水分 (10–18 vol%)。除了选择合适的碳捕获技术外，监管、物流和下游限制仍然显著。CO?运输、储存或利用的基础设施是必需的，这需要工厂场地有额外的空间，而这在城市环境中往往有限。此外，资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX) 代表了巨大的经济障碍。

1.2. Post combustion carbon capture technologies (燃烧后碳捕获技术)

在WtE背景下，燃烧后碳捕获技术和氧燃料燃烧通常被认为是最相关的选项。预燃烧捕获涉及气化步骤，不适用于传统的固体废物焚烧过程。化学链燃烧基于使用金属氧化物作为氧载体，同样不适用于已建立的热废物处理系统。

1.2.1. Amine scrubbing (胺洗涤)

在胺洗涤中，CO?使用水性链烷醇胺从烟气中化学吸收，形成氨基甲酸酯和碳酸氢盐物质。在WtE领域，胺洗涤已在荷兰的两个工业规模工厂实施。

1.2.2. Hot potassium carbonate (热碳酸钾)

热碳酸钾工艺是一种压力辅助的化学吸收方法，其中使用水性碳酸钾溶液捕获CO?。主要技术挑战包括烟气压缩的高能量需求、比胺系统慢的反应动力学以及操作问题如碳酸氢钾沉淀和腐蚀。

1.2.3. Membrane separation (膜分离)

膜分离过程基于使用对CO?具有优先渗透性的半透膜将CO?从烟气中分离。其有效性强烈依赖于CO?分压，通常认为仅适用于浓度高于约20 vol%的情况。

1.2.4. Carbonate looping (碳酸盐循环)

在碳酸盐循环过程中，CO?被氧化钙 (CaO) 化学吸附，在放热反应中形成碳酸钙 (CaCO?)。迄今为止，该技术主要针对CO?浓度约为10–12 vol%的烟气流进行了示范。

1. 2.
   Methodology (方法)
   2.1. Aim and scope of work (工作的目的和范围)
   氧燃料燃烧作为碳捕获兼容的燃烧技术，已在燃煤发电中广泛研究。相比之下，其在WtE系统中MSW燃烧的应用研究仍然有限。自2020年上次专门综述以来，通过废物衍生燃料的实验室规模实验和中试规模示范以及解决WtE工厂中氧燃料实施的高级建模研究，取得了实质性进展。因此，有必要对这些发展进行整合和批判性评估，以指导未来的研究并定义通往工业规模实施的针对性发展路径。本综述旨在批判性地评估grate-fired WtE系统中MSW氧燃料燃烧的研究现状，特别强调现有设施的改造应用。仅考虑grate firing，因为它约占全球WtE容量的80%。核心分析基于2010年至今的同行评审期刊出版物、会议论文集和相关会议演讲。此外，还纳入了基于煤的氧燃料燃烧、氧生产和压缩纯化单元 (CPU) 的补充文献，以解释基本原理并为解释废物特定观察提供机制背景。本综述解决了三个研究问题：过程影响、关键操作参数和研究空白。

2.2. Research landscape of oxyfuel combustion in WtE (WtE中氧燃料燃烧的研究现状)

目前，关于废物氧燃料燃烧的研究数量有限。现有的实验和理论研究概述见表格。对于非连续实验室规模实验，进行了热重分析 (TGA) 以确定不同O?浓度在CO?气氛下的反应动力学。在电加热水平管式炉中，研究了O?浓度和温度对排放和灰成分的影响。Gehrmann等人 (2025) 在40 kW_th固定床反应器中进行了固体回收燃料 (SRF) 的氧燃料燃烧。Becidan等人 (2021) 在垂直管式炉中进行了模型MSW的连续研究。Mack等人 (2023) 的研究尤其重要，因为它是迄今为止报道的唯一在grate-fired系统中的中试规模研究。模拟研究主要使用Aspen Plus，部分扩展进行?分析或技术经济评估，并越来越多地与Power-to-X概念结合。数学和生命周期评估 (LCA) 研究也用于调查氧分布、过量空气比和FGR策略。总体而言，模拟研究的范围从详细的熔炉级建模到全系统热力学和环境评估，关键参数包括氧纯度、FGR率、过量氧比、空气泄漏以及ASU和CPU的能量需求。然而，由于边界条件差异很大，直接定量比较具有挑战性。

1. 3.
   Oxyfuel combustion in grate-fired WtE systems (grate-fired WtE系统中的氧燃料燃烧)
   3.1. Principle and process configuration (原理和过程配置)
   在氧燃料过程中，高纯度氧和再循环烟气被供应到燃烧室，而不是环境空气。目的是最小化烟气流中的氮含量，从而产生适合净化和压缩的富含CO?的排气。尽管燃煤氧燃料已广泛研究，但由于废物异质，发现只能有限转移。大型氧燃料实施包括几个关键组件：炉子、FGT、FGC和CPU。在改造情况下，燃烧系统、锅炉和烟气处理单元旨在基本保留现有配置，但需详细评估潜在修改。新组件如氧供应和注入、烟气再循环、烟气冷凝和CPU必须新集成到工厂中。
   3.1.1. Oxygen supply (氧供应)
   目前，通过低温蒸馏 (Linde过程) 使用空气分离单元 (ASU) 生产氧仍然是供应大量氧的唯一技术和经济上可行的选择。根据所需的O?纯度，电能需求范围为200–350 kWh/Mg O?。对于WtE实施，已证明ASU对电力消耗影响最显著。或者，氧可以作为水电解生产绿色氢的副产物生产。主要技术包括碱性电解 (AEL)、质子交换膜电解 (PEM)、固体氧化物电解 (SOE) 和阴离子交换膜电解 (AEM)。如果大规模水电解厂安装在WtE设施附近，氧供应挑战可能解决。此外，还在研究替代氧供应技术，包括先进膜系统、变压吸附和化学链空气分离。
   3.1.2. Oxygen injection (氧注入)
   对于燃煤，有多种选择将氧供应到燃烧过程。可以预混或直接在燃烧室内混合。对于改造到氧燃料操作，需要调整燃烧参数以近似常规空气燃烧条件，确保对蒸汽锅炉的最小修改。对于WtE，目前没有详细的技术研究，但可预期各种预混合和分布选项。
   3.1.3. Flue gas treatment (烟气处理)
   WtE工厂中的烟气处理 (FGT) 通常包括颗粒物沉淀、酸性气体去除、NO?还原以及有机污染物和挥发性金属的消除。颗粒物通常使用袋式过滤器、旋风分离器、静电除尘器 (ESP) 或文丘里洗涤器去除。对于ESP，CO?富集气氛中的离子迁移率降低，导致给定功率输入下的收集效率降低。NO?还原通常通过选择性非催化还原 (SNCR) 或选择性催化还原 (SCR) 实现。在氧燃料条件下，SCR性能可能下降。酸性气体去除可分为湿法、半湿法和干法系统。在氧燃料条件下，Ca(OH)?基系统可能发生碳酸化，抑制酸性污染物转化。对于NaHCO?基干法系统，热分解可能被增加的CO?分压抑制。湿法烟气脱硫 (WFGD) 在氧燃料烟气中，高CO?浓度可能抑制石灰石溶解。总体而言，氧燃料烟气可通过气体组成、CO?分压、水蒸气含量等影响FGT过程，但大多数发现来自燃煤，需要针对WtE的专门研究。
   3.1.4. Flue gas recirculation (烟气再循环)
   烟气再循环 (FGR) 可以在过程链的不同位置实施，包括锅炉后高温再循环、FGT后清洁烟气再循环或FGC后干燥气体再循环。湿再循环导致水蒸气含量增加。通常，需要60–80 vol%的总烟气流量再循环率。
   3.1.5. Compression and purification unit (压缩和纯化单元)
   FGC下游干燥的富含CO?的烟气需要进一步处理以达到运输、储存或利用要求。压缩和纯化单元 (CPU) 通常使用低温分离技术。基于液体-气体分离，CO?-rich flue gas首先被压缩，然后冷却以冷凝CO?，从而与非冷凝气体组分分离。低于三相点压力时，CO?必须通过升华作为固体分离。