粉煤灰水泥复合材料在低成本储能技术中的技术与经济评估：平衡的离子导电性、力学性能及生命周期成本

《Biomass and Bioenergy》：Technical and economic evaluation of fly ash cement composite materials for low cost energy storage: Balanced ionic conductivity, mechanics, and life cycle costs

本研究利用高灰分煤作为内源碱金属吸附剂，在生物质与煤共燃过程中探究其碱金属捕获效果。通过LIBS技术实时监测不同燃料配比、生物质类型及燃烧气氛（空气/富氧）下的钠排放，发现高灰分煤的铝硅酸盐矿物能有效吸附碱金属，尤其在富氧燃烧中吸附效率提升15%-20%。实验表明颗粒尺寸需控制在50-100μm以优化传质效率，并建立燃烧气氛与吸附性能的关联模型。生命周期评估显示该技术可降低系统全生命周期成本达18%，同时减少28%的二氧化碳排放，为生物质协同燃煤提供经济可行的解决方案。

　　

孙中一|王斌|李正

湖北汽车工业学院，中国湖北省十堰市，442002

摘要

向经济实惠且可扩展的储能技术转型需要开发低成本、耐用且环境可持续的材料。本研究对粉煤灰-水泥复合材料作为低成本储能应用的多功能介质进行了全面的技术和经济评估。通过使用工业副产品粉煤灰部分替代水泥，所提出的复合材料旨在平衡离子导电性、机械完整性和长期耐久性，同时显著降低材料和生命周期成本。实验研究了最佳混合比例，并表征了微观结构、孔隙分布、离子传输行为、抗压强度和循环稳定性。电化学分析表明，优化后的粉煤灰含量通过改进的孔隙连通性增强了离子迁移性，同时保持了足够的机械强度以适用于结构应用。机械测试证实，这些复合材料具有适合集成到民用基础设施中的固定储能模块的竞争性抗压性能。技术经济评估包括材料成本、制造可扩展性和生命周期成本建模，结果显示粉煤灰-水泥复合材料相比传统储能材料可以减少资本支出和隐含碳。此外，生命周期分析表明，由于废物利用和较低的熟料消耗，其可持续性表现得到了提升。这些发现突显了粉煤灰-水泥复合材料作为下一代集成储能系统的成本效益高、结构坚固且环保的候选材料的潜力，支持了弹性低碳能源基础设施的发展。

引言

全球能源行业面临着前所未有的挑战：在满足不断增长的电力需求的同时减少温室气体排放，以缓解气候变化的影响。生物质燃烧发电作为一种有前景的过渡技术出现，当使用可持续来源的原料时，它具有接近碳中和的能源生产潜力。许多依赖煤炭的经济体越来越多地采用混烧策略，即在现有的热电厂中将生物质与煤炭混合，这种方法可以在不要求完全更换基础设施的情况下立即减少排放。对于拥有大量煤炭储备和成熟燃烧设施的国家来说，这一途径特别具有吸引力，因为它利用了现有的资本投资，同时逐步实现能源结构的脱碳。尽管有这些优势，生物质混烧的实际操作仍面临重大技术挑战，这些挑战可能严重影响电厂的可靠性和经济效益。其中最主要的问题是碱金属（特别是钠和钾）的排放，这些金属在生物质燃料中的浓度远高于传统煤炭[1]。这些易挥发的碱金属在燃烧过程中释放，导致一系列操作问题，包括热传递表面的加速高温腐蚀、锅炉组件的污染和结渣以及流化床燃烧器的失流现象。这些问题的严重性通常限制了混烧应用中可允许的生物质比例，从而限制了可以实现的环境效益[2]。根本问题源于生物质材料的化学组成。与煤炭不同，煤炭经过地质过程形成了相对惰性的铝硅酸盐基质，而生物质则保留了以氯化物、碳酸盐和有机结合形式存在的碱金属。在燃烧过程中，这些化合物分解并释放出气态碱金属，随后可能在较冷的表面上凝结或与其他灰分成分反应形成低熔点共晶。不同类型的生物质之间的挥发性行为差异很大，草本和农业残渣通常比木质生物质具有更高的碱释放率，这是由于矿物质关联和灰分化学性质的差异。已经提出了许多缓解策略来应对生物质燃烧系统中的碱排放挑战。这些方法大致可以分为三类：燃烧前去除碱金属的预处理方法、减少碱金属输入的燃料选择和混合策略，以及使用化学添加剂的炉内捕获技术。预处理方法（如水洗或酸浸）可以有效降低碱金属含量，但会增加额外的处理成本和物流复杂性[3,4]。燃料选择是一种直接的方法，但许多地区难以获得低碱含量的生物质资源，而高碱含量的农业残渣往往是经济上最可行的原料选择。添加剂注入方法受到了大量研究关注，已经测试了多种材料的碱捕获效果。铝硅酸盐矿物（包括高岭土、铝土矿和膨润土）通过化学反应机制提供了有希望的结果。然而，连续添加添加剂的需求增加了运营成本，并引入了额外的材料处理系统。此外，这些添加剂的效果会因燃烧条件、停留时间和燃烧器内的混合特性而大不相同。

另一种较少系统研究的策略是在生物质混烧过程中利用高灰分煤炭作为天然的碱金属吸附剂。许多发展中国家，尤其是在亚洲，拥有灰分含量超过40%的丰富煤炭储备，这些煤炭传统上被认为是低等级燃料[5]。然而，这种高灰分主要由铝硅酸盐矿物组成——与外部添加剂应用中使用的相同化学物质。本研究的基本假设是，将生物质与高灰分煤炭在混烧颗粒中紧密混合可以实现原位碱金属捕获，煤炭的铝硅酸盐基质在整个燃料颗粒中起到分散吸附剂的作用。这种方法具有潜在的优势，包括消除单独的添加剂处理系统、改善碱金属蒸汽与吸附剂表面的接触，以及增值利用原本低等级的煤炭资源。这种策略的有效性在很大程度上取决于对燃烧气氛组成、燃料混合特性和碱金属释放机制之间相互作用的理解。氧燃料燃烧技术的最新发展为这一挑战增添了新的维度。氧燃料燃烧是指在氧气和回收烟气（主要是CO₂）的混合物中燃烧煤炭，而不是在空气中燃烧，这为碳捕获和储存的实施提供了有希望的途径。用二氧化碳替代氮气从根本上改变了燃烧环境，影响了热传递特性、火焰温度和化学平衡关系。先前的研究表明，CO₂富集的大气可以影响燃烧过程中的矿物转化，从而可能影响碱金属的释放和捕获过程[6,7]。然而，系统地比较生物质-煤炭混烧系统中传统空气燃烧和氧燃料条件下的碱金属排放行为的调查仍然有限。生物质类型的选择是另一个影响碱金属排放特性的关键变量。木质生物质和农业残渣的灰分组成和矿物质关联有根本不同[8]。木质燃料中的碱金属主要以碳酸盐和有机结合形式存在，氯含量相对较低。相比之下，农业残渣（如稻草）通常含有大量的氯和碱金属，导致形成具有不同挥发温度和化学反应性的碱金属氯化物。已经提出了许多缓解策略来应对生物质燃烧系统中的碱金属排放挑战。这些方法大致可以分为三类：燃烧前去除碱金属的预处理方法、最小化碱金属输入的燃料选择和混合策略，以及使用化学添加剂的炉内捕获技术。预处理方法（如水洗或酸浸）可以有效降低碱金属含量，但会增加额外的处理成本和物流复杂性[3,4]。燃料选择是一种直接的方法，但许多地区难以获得低碱含量的生物质资源，而高碱含量的农业残渣通常是经济上最可行的原料选择。添加剂注入方法引起了相当多的研究关注，已经测试了多种材料的碱捕获效果。铝硅酸盐矿物（包括高岭土、铝土矿和膨润土）通过提供反应性表面展示了有希望的结果。然而，连续添加添加剂的需求增加了运营成本，并引入了额外的材料处理系统。此外，这些添加剂的效果会因燃烧条件、停留时间和燃烧器内的混合特性而大不相同。

另一种较少系统研究的策略是在生物质混烧过程中利用高灰分煤炭作为天然的碱金属吸附剂。许多发展中国家，特别是在亚洲，拥有灰分含量超过40%的丰富煤炭储备，这些煤炭传统上被认为是低等级燃料[5]。然而，这种高灰分主要由铝硅酸盐矿物组成——与外部添加剂应用中使用的相同化学物质。这项研究的基本假设是，将生物质与高灰分煤炭在混烧颗粒中紧密混合可以实现原位碱金属捕获，煤炭的铝硅酸盐基质在整个燃料颗粒中起到分散吸附剂的作用。这种方法具有潜在的优势，包括消除单独的添加剂处理系统、改善碱金属蒸汽与吸附剂表面之间的接触，以及增值利用原本低等级的煤炭资源。这种策略的有效性在很大程度上取决于对燃烧气氛组成、燃料混合特性和碱金属释放机制之间相互作用的理解。氧燃料燃烧技术的最新发展为这一挑战增添了新的维度。氧燃料燃烧是指在氧气和回收烟气（主要是CO₂）的混合物中燃烧煤炭，而不是在空气中燃烧，这为碳捕获和储存的实施提供了有希望的途径。用二氧化碳替代氮气从根本上改变了燃烧环境，影响了热传递特性、火焰温度和化学平衡关系。先前的研究表明，CO₂富集的大气可以影响燃烧过程中的矿物转化，从而可能影响碱金属的释放和捕获过程[6,7]。然而，系统地比较生物质-煤炭混烧系统中传统空气燃烧和氧燃料条件下的碱金属排放行为的调查仍然有限。生物质类型的选择是另一个影响碱金属排放特性的关键变量。木质生物质和农业残渣的灰分组成和矿物质关联有根本不同[8]。木质燃料中的碱金属主要以碳酸盐和有机结合形式存在，氯含量相对较低。相比之下，农业残渣（如稻草）通常含有大量的氯和碱金属，导致形成具有不同挥发温度和化学反应性的碱金属氯化物。这些组成差异表明，高灰分煤炭用于碱金属捕获的有效性可能因生物质来源而大不相同。颗粒大小分布为混烧过程带来了额外的复杂性。细磨可以提高燃料混合的均匀性，并增强炭的燃烧完全性，但也会影响颗粒的停留时间和形成灰分的矿物的空间分布。对于生物质-煤炭混合物，颗粒大小影响生物质来源的碱金属蒸汽与煤炭来源的铝硅酸盐表面之间的接触程度。较粗的生物质颗粒可能会在捕获发生之前释放碱金属，而过度细磨会增加处理成本并造成处理困难。

本研究采用激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，在生物质-煤炭混合物燃烧过程中实时、空间分辨地测量气态钠浓度。这种诊断技术比传统的采样方法具有显著优势，能够在不干扰火焰环境的情况下连续监测整个燃烧过程中的排放动态。实验程序系统地研究了混合物组成、生物质类型、颗粒大小和燃烧气氛对钠排放曲线的影响，为评估高灰分煤炭作为碱金属吸附剂的性能提供了全面的数据。研究目标有三个：首先，量化不同混合物组成和生物质类型下高灰分煤炭的碱金属捕获效果；其次，比较传统空气燃烧和氧燃料燃烧环境下的排放行为；第三，开发一个简化的动力学框架，能够根据燃料特性和操作条件预测排放趋势。这项工作的实际意义在于为寻求最大化可再生燃料利用同时保持设备可靠性的生物质混烧设施建立操作指南。对于拥有大量高灰分煤炭储备的地区，这些发现可能为实现替代利用途径提供可能，从而同时解决燃料质量挑战和生物质整合障碍，为更可持续的能源转型策略做出贡献。

部分摘录

原料选择和制备策略

实验框架旨在评估高灰分煤炭作为生物质混烧过程中控制碱金属排放的操作吸附剂材料。这项研究需要仔细选择代表热电厂向可再生原料转型过程中遇到的实际情景的燃料材料。本研究选择的生物质材料包括木质和草本两类，以涵盖碱金属排放挑战的多样性

燃烧过程中钠排放的视觉观察

通过高速数字摄影记录了燃料颗粒的燃烧行为，提供了不同燃料配方和大气条件下钠排放特征的定性证据。这些视觉观察通过揭示燃烧颗粒周围含钠火焰区域的空间分布和时间演变，补充了定量LIBS测量结果

结论

这项实验研究系统地评估了高灰分煤炭在工业流化床燃烧系统条件下作为原位碱金属吸附剂的性能。研究采用了激光诱导击穿光谱技术，在接近1110 K的温度下，控制燃烧山毛榉木和稻草与高灰分煤炭的混合物，测量了实时钠排放情况，同时考虑了传统空气燃烧和氧燃料燃烧气氛

CRediT作者贡献声明

孙中一：概念化、方法论、调查、数据管理、撰写——初稿。王斌：监督、正式分析、验证、撰写——审阅与编辑、项目管理。李正：软件、可视化、资源、撰写——审阅与编辑。