全球能源行業面臨著前所未有的挑戰：在滿足不斷增長的電力需求的同時減少溫室氣體排放，以緩解氣候變化的影響。生物質燃燒發電作為一種有前景的過渡技術出現，當使用可持續來源的原料時，它具有接近碳中和的能源生產潛力。許多依賴煤炭的經濟體越來越多地采用混燒策略，即在現有的熱電廠中將生物質與煤炭混合，這種方法可以在不要求完全更換基礎設施的情況下立即減少排放。對于擁有大量煤炭儲備和成熟燃燒設施的國家來說，這一途徑特別具有吸引力，因為它利用了現有的資本投資，同時逐步實現能源結構的脫碳。盡管有這些優勢，生物質混燒的實際操作仍面臨重大技術挑戰，這些挑戰可能嚴重影響電廠的可靠性和經濟效益。其中最主要的問題是堿金屬（特別是鈉和鉀）的排放，這些金屬在生物質燃料中的濃度遠高于傳統煤炭[1]。這些易揮發的堿金屬在燃燒過程中釋放，導致一系列操作問題，包括熱傳遞表面的加速高溫腐蝕、鍋爐組件的污染和結渣以及流化床燃燒器的失流現象。這些問題的嚴重性通常限制了混燒應用中可允許的生物質比例，從而限制了可以實現的環境效益[2]。根本問題源于生物質材料的化學組成。與煤炭不同，煤炭經過地質過程形成了相對惰性的鋁硅酸鹽基質，而生物質則保留了以氯化物、碳酸鹽和有機結合形式存在的堿金屬。在燃燒過程中，這些化合物分解并釋放出氣態堿金屬，隨后可能在較冷的表面上凝結或與其他灰分成分反應形成低熔點共晶。不同類型的生物質之間的揮發性行為差異很大，草本和農業殘渣通常比木質生物質具有更高的堿釋放率，這是由于礦物質關聯和灰分化學性質的差異。已經提出了許多緩解策略來應對生物質燃燒系統中的堿排放挑戰。這些方法大致可以分為三類：燃燒前去除堿金屬的預處理方法、減少堿金屬輸入的燃料選擇和混合策略，以及使用化學添加劑的爐內捕獲技術。預處理方法（如水洗或酸浸）可以有效降低堿金屬含量，但會增加額外的處理成本和物流復雜性[3,4]。燃料選擇是一種直接的方法，但許多地區難以獲得低堿含量的生物質資源，而高堿含量的農業殘渣往往是經濟上最可行的原料選擇。添加劑注入方法受到了大量研究關注，已經測試了多種材料的堿捕獲效果。鋁硅酸鹽礦物（包括高嶺土、鋁土礦和膨潤土）通過化學反應機制提供了有希望的結果。然而，連續添加添加劑的需求增加了運營成本，并引入了額外的材料處理系統。此外，這些添加劑的效果會因燃燒條件、停留時間和燃燒器內的混合特性而大不相同。

另一種較少系統研究的策略是在生物質混燒過程中利用高灰分煤炭作為天然的堿金屬吸附劑。許多發展中國家，尤其是在亞洲，擁有灰分含量超過40%的豐富煤炭儲備，這些煤炭傳統上被認為是低等級燃料[5]。然而，這種高灰分主要由鋁硅酸鹽礦物組成——與外部添加劑應用中使用的相同化學物質。本研究的基本假設是，將生物質與高灰分煤炭在混燒顆粒中緊密混合可以實現原位堿金屬捕獲，煤炭的鋁硅酸鹽基質在整個燃料顆粒中起到分散吸附劑的作用。這種方法具有潛在的優勢，包括消除單獨的添加劑處理系統、改善堿金屬蒸汽與吸附劑表面的接觸，以及增值利用原本低等級的煤炭資源。這種策略的有效性在很大程度上取決于對燃燒氣氛組成、燃料混合特性和堿金屬釋放機制之間相互作用的理解。氧燃料燃燒技術的最新發展為這一挑戰增添了新的維度。氧燃料燃燒是指在氧氣和回收煙氣（主要是CO₂）的混合物中燃燒煤炭，而不是在空氣中燃燒，這為碳捕獲和儲存的實施提供了有希望的途徑。用二氧化碳替代氮氣從根本上改變了燃燒環境，影響了熱傳遞特性、火焰溫度和化學平衡關系。先前的研究表明，CO₂富集的大氣可以影響燃燒過程中的礦物轉化，從而可能影響堿金屬的釋放和捕獲過程[6,7]。然而，系統地比較生物質-煤炭混燒系統中傳統空氣燃燒和氧燃料條件下的堿金屬排放行為的調查仍然有限。生物質類型的選擇是另一個影響堿金屬排放特性的關鍵變量。木質生物質和農業殘渣的灰分組成和礦物質關聯有根本不同[8]。木質燃料中的堿金屬主要以碳酸鹽和有機結合形式存在，氯含量相對較低。相比之下，農業殘渣（如稻草）通常含有大量的氯和堿金屬，導致形成具有不同揮發溫度和化學反應性的堿金屬氯化物。已經提出了許多緩解策略來應對生物質燃燒系統中的堿金屬排放挑戰。這些方法大致可以分為三類：燃燒前去除堿金屬的預處理方法、最小化堿金屬輸入的燃料選擇和混合策略，以及使用化學添加劑的爐內捕獲技術。預處理方法（如水洗或酸浸）可以有效降低堿金屬含量，但會增加額外的處理成本和物流復雜性[3,4]。燃料選擇是一種直接的方法，但許多地區難以獲得低堿含量的生物質資源，而高堿含量的農業殘渣通常是經濟上最可行的原料選擇。添加劑注入方法引起了相當多的研究關注，已經測試了多種材料的堿捕獲效果。鋁硅酸鹽礦物（包括高嶺土、鋁土礦和膨潤土）通過提供反應性表面展示了有希望的結果。然而，連續添加添加劑的需求增加了運營成本，并引入了額外的材料處理系統。此外，這些添加劑的效果會因燃燒條件、停留時間和燃燒器內的混合特性而大不相同。

另一種較少系統研究的策略是在生物質混燒過程中利用高灰分煤炭作為天然的堿金屬吸附劑。許多發展中國家，特別是在亞洲，擁有灰分含量超過40%的豐富煤炭儲備，這些煤炭傳統上被認為是低等級燃料[5]。然而，這種高灰分主要由鋁硅酸鹽礦物組成——與外部添加劑應用中使用的相同化學物質。這項研究的基本假設是，將生物質與高灰分煤炭在混燒顆粒中緊密混合可以實現原位堿金屬捕獲，煤炭的鋁硅酸鹽基質在整個燃料顆粒中起到分散吸附劑的作用。這種方法具有潛在的優勢，包括消除單獨的添加劑處理系統、改善堿金屬蒸汽與吸附劑表面之間的接觸，以及增值利用原本低等級的煤炭資源。這種策略的有效性在很大程度上取決于對燃燒氣氛組成、燃料混合特性和堿金屬釋放機制之間相互作用的理解。氧燃料燃燒技術的最新發展為這一挑戰增添了新的維度。氧燃料燃燒是指在氧氣和回收煙氣（主要是CO₂）的混合物中燃燒煤炭，而不是在空氣中燃燒，這為碳捕獲和儲存的實施提供了有希望的途徑。用二氧化碳替代氮氣從根本上改變了燃燒環境，影響了熱傳遞特性、火焰溫度和化學平衡關系。先前的研究表明，CO₂富集的大氣可以影響燃燒過程中的礦物轉化，從而可能影響堿金屬的釋放和捕獲過程[6,7]。然而，系統地比較生物質-煤炭混燒系統中傳統空氣燃燒和氧燃料條件下的堿金屬排放行為的調查仍然有限。生物質類型的選擇是另一個影響堿金屬排放特性的關鍵變量。木質生物質和農業殘渣的灰分組成和礦物質關聯有根本不同[8]。木質燃料中的堿金屬主要以碳酸鹽和有機結合形式存在，氯含量相對較低。相比之下，農業殘渣（如稻草）通常含有大量的氯和堿金屬，導致形成具有不同揮發溫度和化學反應性的堿金屬氯化物。這些組成差異表明，高灰分煤炭用于堿金屬捕獲的有效性可能因生物質來源而大不相同。顆粒大小分布為混燒過程帶來了額外的復雜性。細磨可以提高燃料混合的均勻性，并增強炭的燃燒完全性，但也會影響顆粒的停留時間和形成灰分的礦物的空間分布。對于生物質-煤炭混合物，顆粒大小影響生物質來源的堿金屬蒸汽與煤炭來源的鋁硅酸鹽表面之間的接觸程度。較粗的生物質顆粒可能會在捕獲發生之前釋放堿金屬，而過度細磨會增加處理成本并造成處理困難。

本研究采用激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術，在生物質-煤炭混合物燃燒過程中實時、空間分辨地測量氣態鈉濃度。這種診斷技術比傳統的采樣方法具有顯著優勢，能夠在不干擾火焰環境的情況下連續監測整個燃燒過程中的排放動態。實驗程序系統地研究了混合物組成、生物質類型、顆粒大小和燃燒氣氛對鈉排放曲線的影響，為評估高灰分煤炭作為堿金屬吸附劑的性能提供了全面的數據。研究目標有三個：首先，量化不同混合物組成和生物質類型下高灰分煤炭的堿金屬捕獲效果；其次，比較傳統空氣燃燒和氧燃料燃燒環境下的排放行為；第三，開發一個簡化的動力學框架，能夠根據燃料特性和操作條件預測排放趨勢。這項工作的實際意義在于為尋求最大化可再生燃料利用同時保持設備可靠性的生物質混燒設施建立操作指南。對于擁有大量高灰分煤炭儲備的地區，這些發現可能為實現替代利用途徑提供可能，從而同時解決燃料質量挑戰和生物質整合障礙，為更可持續的能源轉型策略做出貢獻。