煤粉爐摻燒固體替代燃料的現(xiàn)狀及展望

張彥軍，謝志成，劉海龍，馮鳴鳳，張艷賓，梅雪

（1.天津大唐國(guó)際盤(pán)山發(fā)電有限責(zé)任公司，天津 301907；2.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，天津 300191；3.天津環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，天津 300450）

目前，火力發(fā)電煤炭消費(fèi)量超過(guò)總煤炭消費(fèi)量的一半，其碳排放量約占全國(guó)碳排放總量的50%，是我國(guó)最大的碳排放來(lái)源；同時(shí)，電力行業(yè)是未來(lái)10 年能源增長(zhǎng)主體，是支撐我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)和提高未來(lái)居民生活水平的重要保障?！?030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》《全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)施方案》等先后出臺(tái)，明確提出到2025 年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2020 年下降18%，全國(guó)火電平均供電煤耗降至300 g 標(biāo)準(zhǔn)煤/（kW·h）以下，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。煤粉爐具有燃料燃盡率高、熱量釋放充分、煙氣熱損失低等一系列優(yōu)點(diǎn)，是目前我國(guó)大型電站機(jī)組的主力爐型。截至2020 年底，我國(guó)電站鍋爐約8 000 臺(tái)，以煤粉鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐為主，其中煤粉爐占80%以上。因此，研究先進(jìn)的煤粉爐減煤降碳技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)電力行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要意義。

固體替代燃料（SRF）是一種以生產(chǎn)、生活等活動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的非危險(xiǎn)廢物類可燃性固體廢物為主要原料，通過(guò)預(yù)處理、除雜、破碎、篩分、分選、成型等工藝制備，為各類用能單元提供熱能的燃料[1]。2021 年4 項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施，使SRF 成為國(guó)內(nèi)唯一的標(biāo)準(zhǔn)化替代燃料。用于制備SRF 的原料可來(lái)自生活垃圾、一般固體廢物、農(nóng)林廢棄物、綠化植物廢棄物、建筑垃圾、水域垃圾以及其他各類可燃性固體廢物[1]，目前研究較多的生物質(zhì)、垃圾衍生燃料、高熱值污泥均屬于非標(biāo)準(zhǔn)化替代燃料范疇。

燃煤電廠摻燒SRF 可以替代燃煤，減少化石燃料CO2排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)固廢的資源化、清潔化高效利用。文章對(duì)國(guó)內(nèi)外煤粉爐摻燒替代燃料現(xiàn)狀、用于煤粉爐的SRF 制備技術(shù)和摻燒技術(shù)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上分析SRF 在政策、技術(shù)、市場(chǎng)方面的制約因素并提出建議，以期為SRF 在煤粉爐中的推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 煤粉爐摻燒替代燃料應(yīng)用現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)、歐洲等國(guó)家開(kāi)始研究燃煤電廠摻燒廢棄物的技術(shù)應(yīng)用[2]，從簡(jiǎn)單預(yù)處理的粗放利用逐漸發(fā)展為細(xì)化的加工工序以及高質(zhì)量替代燃料，主要原料包括生活垃圾、一般固體廢物、農(nóng)林廢棄物、污泥等，現(xiàn)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家處理廢棄物的重要途徑。2010 年，美國(guó)560 個(gè)燃煤機(jī)組中有40 個(gè)混燒替代燃料，所有的混燒機(jī)組均為煤粉爐，原料來(lái)源主要為木質(zhì)產(chǎn)品、廢舊鐵路枕木等[3]。英國(guó)是目前唯一實(shí)現(xiàn)從大型燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電到大型燃煤電廠100%純燒生物質(zhì)燃料的國(guó)家，并計(jì)劃于2025 年全部關(guān)閉燃煤發(fā)電廠，屆時(shí)英國(guó)將成為全球最早實(shí)現(xiàn)零煤發(fā)電的國(guó)家。目前英國(guó)全部16 座大型火電廠均進(jìn)行生物質(zhì)混燒發(fā)電，其中13 座均為容量超過(guò)1 000 MW 的大型燃煤火電廠煤粉爐，總裝機(jī)容量為25 366 MW。目前德國(guó)在役的替代燃料耦合發(fā)電廠大部分以污泥為主，其次包括秸稈和廢木屑，爐型主要為煤粉爐，少數(shù)為流化床。荷蘭N+P 回收公司及美國(guó)SSI 工程公司通過(guò)篩選熱值更高、水分更低的原料，制備出次煤及紙塑類替代燃料，磨粉后與燃煤十分接近[4]。

中國(guó)對(duì)替代燃料的研究起步較晚，最早在1996 年由中科院廣州能源所和太原理工大學(xué)利用生活垃圾制備替代燃料[5]。目前燃煤電廠摻燒替代燃料原料來(lái)源主要為生物質(zhì)和污泥，如浙能長(zhǎng)興電廠、浙能嘉興電廠、南京化學(xué)工業(yè)園熱電廠、常熟發(fā)電廠利用煤粉爐摻燒污泥，機(jī)組容量為330～1 000 MW，摻燒比為1%～8%[6]；華能山東日照電廠680 MW 機(jī)組（在建）采用直燃耦合的方式，將秸稈先進(jìn)行制粉處理，再通過(guò)氣相輸送進(jìn)入煤粉爐，熱量混燃比為5%[7]。目前燃煤電廠摻燒替代燃料處于探索性實(shí)踐階段，應(yīng)用案例較少，且多為循環(huán)流化床鍋爐，摻燒比例較低，均為非標(biāo)準(zhǔn)化替代燃料。

2 煤粉爐適用固體替代燃料制備技術(shù)研究

2.1 物理屬性

根據(jù)煤粉爐的特點(diǎn)，煤粉爐對(duì)于用煤的熱值、灰分、全水分、粒徑都有相應(yīng)要求。煤粉爐用煤按發(fā)熱量進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)劃分，發(fā)熱量等級(jí)根據(jù)煤種和發(fā)熱量不同劃為16 個(gè)等級(jí)，最低要求為12.54 MJ/kg。為保證煤粉爐爐膛溫度及燃料燃燒的穩(wěn)定性，SRF 熱值不宜與煤相差過(guò)大?；曳趾吭礁?，可燃成分越少，影響燃料發(fā)熱量?！渡唐访嘿|(zhì)量發(fā)電煤粉鍋爐用煤》標(biāo)準(zhǔn)中指出灰分（Ad）應(yīng)不大于35%，當(dāng)35%＜Ad≤40%時(shí)，燃煤發(fā)熱量應(yīng)不小于16.5 MJ/kg[8]。因此SRF 應(yīng)限制灰分含量，并滿足相應(yīng)熱值要求，避免對(duì)鍋爐系統(tǒng)的磨損及不良影響。水分含量會(huì)影響替代燃料的熱值，增加著火熱使著火困難，降低鍋爐效率，因此應(yīng)限制SRF 水分含量。目前，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電用固體替代燃料》中對(duì)煤粉爐用SRF 的低位熱值、粒徑、全水分、灰分等物理屬性提出指標(biāo)要求，詳見(jiàn)表1[9]。

表1 煤粉爐用SRF 主要物理屬性指標(biāo)

燃料的粒度對(duì)煤粉爐燃燒有著重要的意義，合適的粒徑可以提高煤粉爐燃燒效率，降低鍋爐飛灰可燃物損失。針對(duì)煤粉爐對(duì)粒徑要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格控制SRF 粒徑，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電用固體替代燃料》中要求SRF 的粒徑應(yīng)不大于1 mm[9]。對(duì)于難以破碎的SRF，需采取合適的制粉設(shè)備，如錘磨機(jī)、輥式磨煤機(jī)以滿足制粉需求，或?qū)υ线M(jìn)行烘焙處理以增加能量密度和可磨性[10]。為提高SRF 對(duì)制粉系統(tǒng)的適應(yīng)性，還可以將SRF 進(jìn)行壓棒處理，便于磨制、運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

2.2 化學(xué)屬性

煤粉爐對(duì)燃料中有害元素含量也有一定要求。全硫、氯、磷元素的危害主要表現(xiàn)在對(duì)鍋爐設(shè)備及管道的腐蝕和玷污堵塞，降低鍋爐燃燒效率，增加大氣污染。汞和砷元素由于其極易揮發(fā)性和致癌毒性，通過(guò)燃煤燃燒排入大氣會(huì)對(duì)人類身體健康和環(huán)境造成很大危害。根據(jù)《商品煤質(zhì)量發(fā)電煤粉鍋爐用煤》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煤粉爐用煤的全硫含量、磷含量、氯含量、砷含量、汞含量提出了嚴(yán)格的要求[8]。

燃煤電廠的煙氣處理設(shè)施主要包括脫硫、脫硝和除塵設(shè)備。由于煙氣量大，較難進(jìn)行改造，因此在SRF的制備過(guò)程中，需注重原料中污染物的源頭控制，嚴(yán)格控制SRF 中有害元素入爐量?！痘鹆Πl(fā)電用固體替代燃料》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)煤粉爐用SRF 提出化學(xué)屬性指標(biāo)要求，詳見(jiàn)表2[9]。在SRF 制備完成后，應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行采樣檢測(cè)，對(duì)標(biāo)分析有害元素含量，確保有害元素含量達(dá)標(biāo)入爐。

表2 煤粉爐用SRF 主要化學(xué)屬性指標(biāo)

3 煤粉爐固體替代燃料摻燒技術(shù)研究

3.1 摻燒方式

煤粉爐摻燒SRF 發(fā)電通常有3 種技術(shù)路線，直燃耦合、氣化和蒸汽耦合[11]。直燃耦合是將磨粉后的SRF與煤粉一起送入鍋爐燃燒；氣化耦合是將SRF 燃燒或氣化后生成的氣體引入鍋爐發(fā)電；蒸汽耦合是煤與SRF 分別采用各自的燃燒系統(tǒng)即煤粉爐和SRF 鍋爐，兩者產(chǎn)生的蒸氣進(jìn)入機(jī)組熱力系統(tǒng)耦合發(fā)電。氣化耦合和蒸汽耦合改造成本及運(yùn)行成本都較高，是直燃耦合的4～9 倍[10]。直燃耦合技術(shù)和煤燃燒技術(shù)最接近，改造成本最低，更適合我國(guó)燃煤機(jī)組的現(xiàn)狀改造。

揮發(fā)分和水分含量是影響燃燒的關(guān)鍵因素，在直燃耦合中，對(duì)于揮發(fā)分較高的SRF，應(yīng)控制送風(fēng)溫度，適當(dāng)調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的風(fēng)速，避免燃燒器提前著火進(jìn)而造成燃燒器表面結(jié)焦或燒毀；對(duì)于含水率較高的SRF，應(yīng)控制摻燒量并且與煤進(jìn)行充分混合，避免堵塞煤倉(cāng)下料口及磨煤機(jī)入口?？紤]降低改造成本及減小對(duì)煤粉燃燒系統(tǒng)的影響，在實(shí)際改造過(guò)程中，SRF 通常從最上層噴入煤粉爐[12]。

3.2 摻燒比例

SRF 相對(duì)煤具有低灰分、高揮發(fā)分的特點(diǎn)，適量摻燒SRF 可以降低混合燃料的燃點(diǎn)、提高反應(yīng)活性、提高燃燒速率，從而改善煤粉爐燃燒特性，提高燃燒穩(wěn)定性。根據(jù)摻燒工藝，直燃耦合中利用備用磨煤機(jī)單獨(dú)磨制和共用磨煤機(jī)磨制的摻燒量質(zhì)量比為5%～10%，利用SRF 專用磨煤機(jī)磨制摻燒量質(zhì)量比最高為20%[13]。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研國(guó)內(nèi)燃煤電廠摻燒污泥、生物質(zhì)的摻燒比情況，見(jiàn)表3[6，7]。由表3 可知，摻燒比例大都小于10%。綜合考慮煤粉爐對(duì)粒徑的要求及對(duì)制粉系統(tǒng)出力的影響，直燃耦合初期摻燒比例控制在10%以下，待鍋爐系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行后可逐漸提高。

表3 燃煤電廠摻燒替代燃料比例

3.3 污染控制

摻燒SRF 后產(chǎn)生的主要污染物包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氯化氫、汞及其化合物、二惡英、重金屬等，目前燃煤電廠的環(huán)保設(shè)施為除塵、脫硫、脫硝，對(duì)其他污染物缺少相應(yīng)治理措施，在摻燒后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污染物排放情況。應(yīng)對(duì)照相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，分析摻燒SRF對(duì)污染物污染濃度產(chǎn)生的影響；按照規(guī)范要求選取爐渣、粉煤灰，檢測(cè)其成分判斷摻燒產(chǎn)生的影響。在SRF摻燒過(guò)程中，應(yīng)同步進(jìn)行鍋爐排放污染物測(cè)試，在除塵器出口監(jiān)測(cè)各項(xiàng)污染物排放濃度，以滿足達(dá)標(biāo)排放要求。由于鍋爐煙氣量、爐渣、煤粉灰等產(chǎn)生量巨大，并且燃煤及SRF 的來(lái)源不固定，單個(gè)采樣結(jié)果無(wú)法拓展到其他時(shí)段，因此應(yīng)該通過(guò)控制入爐燃料的特征污染物滿足相關(guān)控制指標(biāo)，同時(shí)再配合企業(yè)自行檢測(cè)的方式進(jìn)行控制。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段缺少燃煤電廠摻燒SRF 的專用排放控制標(biāo)準(zhǔn)，目前排放標(biāo)準(zhǔn)引用不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般參照《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18485—2014）或《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18484—2020）。2020 年7 月，生態(tài)環(huán)境部立項(xiàng)《燃煤鍋爐協(xié)同處理固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的制定，預(yù)計(jì)2023 年發(fā)布。

4 制約因素分析及建議

4.1 政策方面

鼓勵(lì)政策方面，近年來(lái)國(guó)家及地方從政策層面不斷推進(jìn)燃煤電廠摻燒替代燃料發(fā)電，現(xiàn)有政策主要以協(xié)同處置為目的，現(xiàn)狀利用方式粗放，對(duì)廢棄物的熱值利用效率較低。相關(guān)研究表明，一般替代燃料的平均化石CO2排放量約為普通煤炭的30%，可有效降低化石能源碳排放。針對(duì)生物質(zhì)、污泥，目前已有明確的碳減排核算、稅收補(bǔ)貼等支持政策。隨雙碳目標(biāo)的提出，通過(guò)實(shí)現(xiàn)替代燃料標(biāo)準(zhǔn)化，SRF 將成為巨大潛力的燃料資源，為促進(jìn)替代燃料的資源化利用，建議從碳指標(biāo)、稅收優(yōu)惠等方面給予政策支持。

標(biāo)準(zhǔn)體系方面，歐盟、美國(guó)、日本等國(guó)家已針對(duì)替代燃料建立了系統(tǒng)、成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)剛剛起步，目前出臺(tái)了關(guān)于SRF 4 項(xiàng)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，但由于在產(chǎn)品、檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)、污染物排放等方面缺乏相應(yīng)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，制約其應(yīng)用推廣，建議盡快出臺(tái)高層次強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 技術(shù)方面

前端技術(shù)方面，目前煤粉爐摻燒SRF 在技術(shù)上可行，但缺乏成熟高效、摻混比例靈活可調(diào)且高效的燃燒技術(shù)[7]。由于SRF 物料復(fù)雜、韌性較強(qiáng)，具有一定破碎難度[14]，在物料輸送過(guò)程中易發(fā)生磨制粒徑不均、燃料堵塞搭橋、影響制粉系統(tǒng)出力等情況[15]。建議大力開(kāi)展SRF 摻燒的相關(guān)基礎(chǔ)研究，解決SRF 粉碎、上料、高效燃燒及SRF 摻燒比例等方面的技術(shù)難題。同時(shí)加強(qiáng)燃煤電廠煤粉爐摻燒SRF 示范試點(diǎn)，在國(guó)家試點(diǎn)項(xiàng)目的推動(dòng)下更快地發(fā)展。

末端技術(shù)方面，針對(duì)SRF 摻燒的污染物管理與排放控制要求有待完善，缺少對(duì)摻燒產(chǎn)生的新增污染物的自行監(jiān)測(cè)管理要求，建議加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管，明確監(jiān)測(cè)要求，確保污染物達(dá)標(biāo)排放。燃煤電廠缺少針對(duì)摻燒新增污染物的煙氣治理措施，缺少對(duì)煙氣治理措施的適應(yīng)性與有效性評(píng)估[2]，建議燃煤電廠實(shí)施規(guī)模化摻燒前開(kāi)展小規(guī)模摻燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)排放煙氣現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)有煙氣治理設(shè)施有效性進(jìn)行評(píng)估。

4.3 市場(chǎng)方面

供給方面，替代燃料供給市場(chǎng)處于起步階段，原料供應(yīng)量及產(chǎn)品價(jià)格波動(dòng)較大，同時(shí)電廠對(duì)于替代燃料的供應(yīng)可靠性和品質(zhì)穩(wěn)定性要求較高，因此需建立健全農(nóng)、林、工等廢棄物的集、收、儲(chǔ)、運(yùn)和初加工產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)其全面均衡發(fā)展，推動(dòng)建立全國(guó)性替代燃料供需市場(chǎng)。

需求方面，目前替代燃料單位熱值價(jià)格低廉，可節(jié)省一定的燃煤成本，隨著雙碳要求的落地，考慮未來(lái)碳交易背景，較高的碳稅及碳配額差額可產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，將促進(jìn)需求市場(chǎng)的大力發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

面對(duì)雙碳?jí)毫?，電力行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，煤粉爐摻燒SRF 在國(guó)外已有廣泛應(yīng)用，具備技術(shù)可行性。我國(guó)可燃性固體廢物來(lái)源廣泛、產(chǎn)量豐富，摻燒SRF 在減少CO2排放和替代燃煤方面的潛力巨大。目前國(guó)內(nèi)利用煤粉爐摻燒SRF 處于初期探索、試錯(cuò)階段，主要制約因素包括摻混技術(shù)有待開(kāi)發(fā)、摻燒環(huán)境管理與排放控制要求有待完善、缺少補(bǔ)貼政策和強(qiáng)制性產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及SRF 供需市場(chǎng)尚未建立。建議加強(qiáng)摻混技術(shù)研究，通過(guò)燃煤電廠煤粉爐摻燒SRF 示范試點(diǎn)，對(duì)燃煤電廠摻燒SRF 進(jìn)行煙氣排放及環(huán)境影響評(píng)估；加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管，盡快出臺(tái)相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)制性產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)以及激勵(lì)政策，積極推進(jìn)燃煤電廠摻燒科學(xué)、規(guī)范、綠色發(fā)展。