循環(huán)流化床鍋爐機組碳排放特性分析與計算

高建強， 宋銅銅， 張 雪

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 河北保定 071003；2. 國網(wǎng)秦皇島供電公司， 河北秦皇島 066000)

中國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，年碳排放量世界第一。燃煤發(fā)電行業(yè)是我國主要碳排放源之一，其煤炭消耗量占全國煤炭消費總量的50%以上[1]。目前我國正逐步開展碳市場研究，碳交易與碳稅政策的實施是大勢所趨[2-4]。為降低燃煤發(fā)電行業(yè)的碳排放成本，提高其競爭能力，必須加快燃煤電廠碳減排技術(shù)的研究與應用。

采用循環(huán)流化床(CFB)鍋爐機組是解決我國大量劣質(zhì)燃煤利用難題的重要方式，同時也是實現(xiàn)潔凈煤燃燒的重要途徑[5-6]。CFB鍋爐不僅能燃燒熱值較低的劣質(zhì)燃煤，還能利用爐內(nèi)低溫燃燒和加石灰石煅燒等途徑實現(xiàn)NOx和SO2的低成本減排[7-9]。鑒于以上優(yōu)勢，CFB鍋爐在我國得到了廣泛應用，特別是在山西、陜西和內(nèi)蒙古等低品質(zhì)燃煤生產(chǎn)地區(qū)[10]。截至2018年底，我國CFB鍋爐機組裝機容量超過8 230萬kW，占總煤電裝機容量的8.16%左右[11]，因此研究其碳排放特性對實現(xiàn)燃煤電廠碳減排具有重要意義。

在燃煤電廠碳排放的相關(guān)研究中，針對煤粉鍋爐機組碳排放特性[12]、碳排放強度計算方法[13]及其主要影響因素和碳減排措施[14-16]的研究成果較多，關(guān)于CFB鍋爐機組碳排放的研究主要集中在從宏觀角度給出碳減排的技術(shù)路線[17]以及碳捕集技術(shù)在CFB鍋爐機組中的應用[18-19]等方面。對于CFB鍋爐機組的碳排放源，除燃煤過程等常規(guī)碳排放源外，采用石灰石作為脫硫劑進行爐內(nèi)脫硫也會產(chǎn)生一定的CO2排放，同時CFB鍋爐配套輔機系統(tǒng)的高用電量會導致供電煤耗增加，最終影響機組的碳排放強度。目前國內(nèi)針對CFB鍋爐機組碳排放特性及碳排放強度計算方法的研究較少，筆者根據(jù)CFB鍋爐的特點，具體分析CFB鍋爐機組燃煤過程和爐內(nèi)爐外脫硫過程的碳排放特性，針對CFB鍋爐機組建立碳排放強度計算模型，并根據(jù)計算模型分析影響其碳排放強度的主要因素，為現(xiàn)場運行人員從運行角度降低機組碳排放強度提供思路。

1 碳排放特性分析

根據(jù)CFB鍋爐系統(tǒng)構(gòu)造、燃燒方式和脫硫方式的特點，對其燃煤過程、脫硫過程產(chǎn)生CO2的機理，以及鍋爐配套輔機設(shè)備用電量對機組碳排放強度的影響進行研究。

1.1 燃煤過程的碳排放量

燃煤中的碳燃燒產(chǎn)生CO2的化學方程式為：

C+O2=CO2

(1)

由式(1)可知，C與CO2的物質(zhì)的量比為1∶1，質(zhì)量分數(shù)之比為12∶44。CFB鍋爐的設(shè)計煤種一般為含碳量較低的劣質(zhì)燃煤，單位質(zhì)量煤燃燒產(chǎn)生的CO2質(zhì)量取決于煤的含碳量與碳在鍋爐中燃燒時的氧化程度。CFB鍋爐機組的化石燃料包括燃煤和各種類型的燃油，但考慮到燃油消耗量相對于燃煤消耗量極少，可忽略不計，因此筆者將機組燃煤產(chǎn)生的碳排放量視為化石燃料消耗產(chǎn)生的碳排放量。

1.2 脫硫過程的碳排放量

1.2.1 爐內(nèi)脫硫

CFB鍋爐憑借爐內(nèi)特殊的燃燒方式和較低的燃燒溫度能夠?qū)崿F(xiàn)爐內(nèi)脫硫，這也是CFB鍋爐在實現(xiàn)SO2超低排放上具有的獨特優(yōu)勢[20]。在機組正常運行時，向CFB鍋爐投入燃料的同時也會投入大量的石灰石作為脫硫劑進行爐內(nèi)脫硫。主要成分為CaCO3的石灰石在高溫下煅燒吸熱生成CaO和CO2，因此爐內(nèi)脫硫過程是CFB鍋爐機組的碳排放源之一。以石灰石作為脫硫劑進行爐內(nèi)脫硫所涉及的化學方程式如下：

S+O2=SO2

(2)

CaCO3=CaO+CO2

(3)

(4)

由式(2)～式(4)可知，CaCO3與S的物質(zhì)的量比(以下簡稱鈣硫比，即n(Ca)/n(S))和CO2與S的物質(zhì)的量比(以下簡稱碳硫比，即n(C)/n(S))相同，即n(Ca)/n(S)=n(C)/n(S)，S與CO2的質(zhì)量分數(shù)比為32∶44。式(2)和式(3)可理解為爐內(nèi)脫硫的“準備過程”，在一定條件下這2種化學反應能夠完全進行，不受生成物的影響。式(4)是爐內(nèi)脫硫最重要的反應，CaO在氧化性氣氛下與煙氣中的SO2和O2反應生成CaSO4，但反應一開始CaO表面就會生成致密的CaSO4薄層，薄層孔隙小于SO2分子，阻礙了SO2進一步擴散至CaO顆粒內(nèi)部進行反應，基于這一反應特性，采用爐內(nèi)干法脫硫方式時鈣利用率較低[21]。爐內(nèi)脫硫的鈣硫比取值受多種因素的影響，通常情況下鈣硫比大于2才能達到較高的脫硫效率。

1.2.2 爐外煙氣脫硫

隨著燃煤電廠大氣污染物排放標準日益提高，CFB鍋爐機組僅靠爐內(nèi)脫硫方式已滿足不了SO2超低排放的要求，因此目前多采用爐內(nèi)脫硫與爐外煙氣脫硫相結(jié)合的技術(shù)路線[22-23]。爐外煙氣脫硫按脫硫劑的類型可劃分為以CaCO3為基礎(chǔ)的鈣法和利用NH3為基礎(chǔ)的氨法等5種脫硫方式，其中鈣法煙氣脫硫又可分為石灰石-石膏法煙氣脫硫和半干法煙氣脫硫等，其中鈣法煙氣脫硫工藝在消耗CaCO3時會通過不同的化學反應產(chǎn)生CO2，因此爐外鈣法煙氣脫硫過程也是CFB鍋爐機組的碳排放源之一。

1.3 輔機設(shè)備耗能對碳排放強度的影響

CFB鍋爐機組與常規(guī)煤粉鍋爐機組用電量之間的差別主要體現(xiàn)在風煙系統(tǒng)和煤處理系統(tǒng)等輔機系統(tǒng)用電量的不同，2種類型鍋爐的主要輔機設(shè)備配置對比見表1[24]。

表1 CFB鍋爐與煤粉鍋爐部分輔機設(shè)備對比

為保持爐內(nèi)流化態(tài)燃燒和物料循環(huán)，CFB鍋爐的煙風阻力很大，需要配套多個大功率高壓頭風機，風機耗能巨大。采用爐內(nèi)干法脫硫，CFB鍋爐需要配套石灰石制粉和輸送系統(tǒng)，同時由于燃用低熱值燃煤，在相同的熱負荷下，需要更多的入爐煤量并產(chǎn)生相應的排渣量，這都會增加有關(guān)輔機設(shè)備的耗電量[25]。一般情況下，CFB鍋爐輔機系統(tǒng)的高耗電量會導致機組的廠用電率比同容量煤粉鍋爐機組高2%～3%，高廠用電率會直接導致供電煤耗增加，從而使CFB鍋爐機組的碳排放強度處于較高水平。

2 碳排放強度計算模型

碳排放強度在數(shù)值上等于機組供給電網(wǎng)1 kW·h電能所產(chǎn)生的CO2排放量，可用MCO2表示，單位為g/(kW·h)。燃煤機組碳排放強度與供電煤耗之間存在線性關(guān)系，比例系數(shù)為單位標準煤CO2生成系數(shù)[12]。以下給出了CFB鍋爐機組單位標準煤CO2生成系數(shù)的計算方法。

2.1 單位標準煤CO2生成系數(shù)

CFB鍋爐機組的碳排放源包括燃煤過程、爐內(nèi)干法脫硫過程和爐外鈣法煙氣脫硫過程，因此單位標準煤在這3個過程中對應的CO2生成系數(shù)之和即為CFB鍋爐機組的單位標準煤CO2生成系數(shù)。

2.1.1 燃煤過程CO2生成系數(shù)

由式(1)可知，計算單位標準煤燃煤過程的CO2生成量時需要確定單位標準煤的折算含碳質(zhì)量分數(shù)wc以及碳在爐內(nèi)的燃盡情況，后者可用碳氧化率Om表示。

單位標準煤燃煤過程CO2生成系數(shù)K1的計算公式如下：

(5)

2.1.2 爐內(nèi)干法脫硫過程CO2生成系數(shù)

單位標準煤爐內(nèi)脫硫產(chǎn)生的CO2排放量主要取決于單位標準煤的折算含硫質(zhì)量分數(shù)ws和碳硫比，后者可用爐內(nèi)干法脫硫的鈣硫比表示。

類比于式(5)的計算原理，單位標準煤爐內(nèi)干法脫硫過程CO2生成系數(shù)K2的計算公式如下：

(6)

式中：Os為硫氧化率，%，表示煤粉中硫在爐內(nèi)的燃盡程度；w(Sar)為實際燃煤的收到基含硫質(zhì)量分數(shù)，%。

其中，鈣硫比與爐內(nèi)脫硫效率的關(guān)系如下：

(7)

式中：ηSO2為爐內(nèi)脫硫效率，%；A為燃煤自脫硫能力系數(shù)；B為石灰石脫硫性能系數(shù)[26]。

2.1.3 爐外鈣法煙氣脫硫過程CO2生成系數(shù)

不同鈣法煙氣脫硫方式產(chǎn)生CO2的原理不同，因此需要根據(jù)具體脫硫方式選擇CO2排放量計算方法。

當采用半干法煙氣脫硫時，CO2來自脫硫劑Ca(OH)2的制備過程，CO2排放量受脫硫劑投入量的影響，取決于煙氣中的含硫質(zhì)量分數(shù)和鈣硫比。此時單位標準煤爐外鈣法煙氣脫硫過程CO2生成系數(shù)K3的計算公式如下：

(n(Ca)/n(S))′

(8)

當采用石灰石-石膏法煙氣脫硫時，CO2來自參與脫硫反應的CaCO3，CO2物質(zhì)的量與脫硫過程中被吸收的SO2的物質(zhì)的量比為1∶1，大小取決于煙氣中的含硫質(zhì)量分數(shù)和脫硫效率。此時單位標準煤爐外鈣法煙氣脫硫過程CO2生成系數(shù)的計算公式如下：

(9)

得到單位標準煤燃煤過程和兩級脫硫過程各自對應的CO2生成系數(shù)后，CFB鍋爐機組單位標準煤CO2生成系數(shù)K為：

K=K1+K2+K3

(10)

值得指出的是，當CFB鍋爐機組爐外煙氣脫硫未采用鈣法煙氣脫硫方式時，爐外煙氣脫硫過程不產(chǎn)生CO2排放，單位標準煤CO2生成系數(shù)K為：

K=K1+K2

(11)

2.2 碳排放強度

單位標準煤CO2生成系數(shù)K的含義為機組消耗單位標準煤所產(chǎn)生的CO2質(zhì)量，因此CFB鍋爐機組的碳排放強度為：

(12)

式中：bcp,n為機組供電煤耗，g/(kW·h)；ηcp為機組發(fā)電效率，%；ζcp為機組廠用電率，%。

其中，機組發(fā)電效率及廠用電率主要取決于機組負荷和運行水平。

3 碳排放強度影響因素分析

CFB鍋爐機組的碳排放強度受燃煤煤質(zhì)、脫硫效率、鈣硫比、脫硫劑性能、機組負荷、運行水平和廠用電率等一系列因素的影響，同時各因素之間還存在復雜的耦合關(guān)系。

3.1 燃煤煤質(zhì)

CFB鍋爐的設(shè)計煤種為低熱值、低含碳量、高硫分的劣質(zhì)燃煤，煤質(zhì)對機組碳排放強度的影響主要體現(xiàn)在：對于K1來說，由于燃煤低發(fā)熱值是由低含碳量導致的，綜合下來煤質(zhì)差異對K1的影響相對較?。粚τ贙2和K3來說，燃煤熱值越低、硫分越高，K2和K3就越大；煤質(zhì)變差會使鍋爐效率降低，制粉、脫硫系統(tǒng)的出力增大，從而使機組供電煤耗增加，碳排放強度隨之升高。

3.2 脫硫效率

CFB鍋爐機組配置爐內(nèi)爐外兩級聯(lián)合脫硫系統(tǒng)，因此存在脫硫任務分配的問題，即兩級脫硫效率大小設(shè)定的問題。根據(jù)式(7)，爐內(nèi)爐外脫硫效率與對應的鈣硫比密切相關(guān)，爐內(nèi)干法脫硫?qū)t膛溫度有嚴格要求，其高效脫硫區(qū)間位于鍋爐中低負荷階段，爐外煙氣高效脫硫區(qū)間位于鍋爐中高負荷階段。在煤質(zhì)和脫硫劑性能不變的情況下，不同負荷下兩級脫硫效率取值的變化會直接導致K2、K3發(fā)生變化，同時也會造成相應輔機設(shè)備用電量的變化，最終對碳排放強度產(chǎn)生一定的影響。

3.3 鈣硫比

當其他條件不變時，爐內(nèi)脫硫的鈣硫比與K2呈線性關(guān)系(見式(6))，鈣硫比是影響脫硫過程碳排放量的重要因素。一般情況下，鈣硫比越大則脫硫效率越高，因此國內(nèi)部分機組在實際運行時，為保障煙氣排放符合環(huán)保要求，常將爐內(nèi)鈣硫比設(shè)置得很高，從而造成大量CO2排放。當脫硫效率一定時，鈣硫比取值的確定較為復雜，以爐內(nèi)脫硫鈣硫比為例，機組負荷或燃煤熱值發(fā)生變化導致的爐內(nèi)溫度波動、煤粉含硫質(zhì)量分數(shù)、脫硫劑的反應性能和顆粒大小以及鍋爐流化速度和循環(huán)倍率等多種因素都會對鈣硫比產(chǎn)生一定的影響。

3.4 機組負荷

機組負荷與發(fā)電效率密切相關(guān)，是機組碳排放強度的最重要影響因素。當機組處于低負荷狀態(tài)時，汽輪機系統(tǒng)的效率較低，機組運行水平低，發(fā)電效率低，碳排放強度較高。當機組處于高負荷狀態(tài)時，工質(zhì)參數(shù)較高，機組運行水平高，發(fā)電效率高，碳排放強度較低。值得指出的是，CFB鍋爐機組負荷升高時投入鍋爐的煤量和石灰石量增大，燃燒生成的灰渣量也隨之增大，鍋爐的灰渣物理熱損失Q6增大，鍋爐系統(tǒng)效率會有所降低。

3.5 CFB鍋爐輔機系統(tǒng)用電量及廠用電率

CFB鍋爐輔機系統(tǒng)的耗電量較大，機組廠用電率較高，這會對碳排放強度產(chǎn)生直接影響。在低負荷時，為確保鍋爐各部位正常流化和密封，部分風機出力不隨負荷降低而降低，所以低負荷下廠用電率很高；在高負荷時，鍋爐入爐煤量和石灰石消耗量增大，為保持爐內(nèi)正常流化燃燒狀態(tài)，各類風機出力較大，制粉排渣相關(guān)系統(tǒng)的耗電量增大，因此高負荷下的廠用電率也處于較高水平。CFB鍋爐的可靠性較低，停啟檢修頻率較高，而停啟過程會消耗大量的電能，使廠用電率升高。

4 實例計算

以山西某300 MW CFB鍋爐機組為例，應用碳排放強度計算模型分析其碳排放特性。該鍋爐為1 060 t/h亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)CFB鍋爐，鍋爐設(shè)計煤種和校核煤種數(shù)據(jù)如表2所示。該機組采用兩級脫硫方案，爐內(nèi)采用煅燒石灰石干法脫硫，爐外采用半干法煙氣脫硫，脫硫劑石灰石的化學成分見表3。

表2 鍋爐設(shè)計煤種和校核煤種數(shù)據(jù)

表3 石灰石化學成分

為分析不同煤種對機組碳排放強度的影響，在100%負荷下計算各煤種對應的單位標準煤CO2生成系數(shù)K等相關(guān)數(shù)據(jù)。100%負荷下不同煤種的脫硫效率和鈣硫比見表4。

根據(jù)表2和表4，經(jīng)碳排放強度計算模型計算，4種煤種對應的K1、K2、K3及K見圖1。由圖1可知，高熱值、低硫分優(yōu)質(zhì)燃煤(校核煤種3)對應的K小于低熱值、高硫分劣質(zhì)燃煤(設(shè)計煤種)對應的K，考慮到劣質(zhì)燃煤會使鍋爐效率降低從而使機組供電煤耗增加，機組在使用劣質(zhì)燃煤時碳排放強度較高；K1、K2和K3隨煤質(zhì)的不同存在一定變化，其中K1始終最大，占三者之和的93%～98.6%，其次為K2，占三者之和的1.27%～6.59%，K3最小，這表明機組的主碳排放源為燃煤過程，并且爐內(nèi)脫硫產(chǎn)生的碳排放量遠大于爐外脫硫產(chǎn)生的碳排放量；K2和K3與煤種含硫質(zhì)量分數(shù)呈正相關(guān)，即含硫質(zhì)量分數(shù)越高的煤種，其脫硫過程產(chǎn)生的碳排放量越高。

表4 100%負荷下不同煤種的脫硫效率和鈣硫比

圖1 100%負荷下不同煤種的單位標準煤CO2生成系數(shù)Fig.1 CO2 generation coefficient per unit standard coal consumption for different types of coal at 100% load

以校核煤種2為例，在其他條件不變時，不同爐內(nèi)鈣硫比下平均脫硫效率對應的K見圖2。由圖2可以看出，當爐內(nèi)鈣硫比增大時，爐內(nèi)平均脫硫效率升高，鈣硫比處于較低水平時脫硫效率升高的幅度較大，隨著鈣硫比增大，其對爐內(nèi)平均脫硫效率的影響程度降低；爐內(nèi)鈣硫比和爐內(nèi)平均脫硫效率變化會導致K2、K3發(fā)生變化，由于鈣硫比增大導致K2增大的幅度大于爐內(nèi)平均脫硫效率升高導致K3減小的幅度，最終使得K隨爐內(nèi)鈣硫比的增大而增大，因此機組碳排放強度與爐內(nèi)鈣硫比呈正相關(guān)。

圖2 不同爐內(nèi)鈣硫比下平均脫硫效率對應的K

以設(shè)計煤種為例，選取機組100%負荷、75%負荷和50%負荷的運行數(shù)據(jù)進行熱經(jīng)濟性及單位標準煤CO2生成系數(shù)K的計算。不同負荷下機組各項經(jīng)濟性指標見表5，單位標準煤CO2生成系數(shù)K及碳排放強度MCO2的對比見圖3。

由表5可知，隨著機組負荷的降低，機組發(fā)電效率降低，廠用電率升高，導致機組供電煤耗大幅度上升。由圖3可知，K與機組負荷呈正相關(guān)，這主要是由于高負荷時爐內(nèi)脫硫效率會因爐溫升高而降低，為保證一定脫硫效率需要投入更多的石灰石脫硫劑，所以K2較大；MCO2隨著機組負荷的降低而升高，機組負荷平均每下降1%，MCO2升高2.41 g/(kW·h)，特別是在低負荷時MCO2隨單位負荷下降而升高的幅度更大，這主要是由于機組在低負荷下發(fā)電效率迅速下降，供電煤耗增加幅度大。

表5 不同負荷下機組各項經(jīng)濟性指標

圖3 不同機組負荷下CFB鍋爐機組對應的K和MCO2

5 結(jié) 論

(1) 低熱值、高硫分劣質(zhì)燃煤對應的單位標準煤CO2生成系數(shù)大于高熱值、低硫分優(yōu)質(zhì)燃煤對應的單位標準煤CO2生成系數(shù)，考慮到劣質(zhì)燃煤會導致機組供電煤耗增加，因此CFB鍋爐機組在相同負荷下使用劣質(zhì)燃煤時碳排放強度較高。當煤質(zhì)發(fā)生變化時，單位標準煤燃煤過程、爐內(nèi)干法脫硫和爐外鈣法煙氣脫硫過程對應的CO2生成系數(shù)發(fā)生一定變化，燃煤過程始終為CFB鍋爐機組的主要碳排放源，占總碳排放強度的93%～98.6%，其次為爐內(nèi)干法脫硫過程，占總碳排放強度的1.27%～6.59%，爐外鈣法煙氣脫硫過程產(chǎn)生的碳排放強度最小。

(2) 當煤質(zhì)不變時，單位標準煤CO2生成系數(shù)隨爐內(nèi)鈣硫比的增大而增大，CFB鍋爐機組碳排放強度與爐內(nèi)鈣硫比呈正相關(guān)；當煤質(zhì)不變時，單位標準煤CO2生成系數(shù)與機組負荷呈正相關(guān)，CFB鍋爐機組的碳排放強度與負荷呈負相關(guān)，機組負荷平均每下降1%，碳排放強度升高2.41 g/(kW·h)，且低負荷時碳排放強度隨單位負荷下降而升高的幅度更大。