燃煤電廠含碳廢棄物摻燒技術(shù)及其研究進(jìn)展

焦乙梟 劉志華 李紫龍 閆洪遠(yuǎn) 羅丹 于鑒蘭

（國家電投集團(tuán)重慶遠(yuǎn)達(dá)煙氣治理特許經(jīng)營有限公司科技分公司 重慶 401122）

0 引言

隨著“雙碳”政策的提出，“2030 年前達(dá)到碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”已成為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主導(dǎo)方向。據(jù)《中國長期低碳發(fā)展戰(zhàn)略與轉(zhuǎn)型路徑研究》顯示，我國2020 年CO2總排放量約113.5 億t，其中100.3 億t CO2排放與能源行業(yè)相關(guān)，占比88.4%。能源行業(yè)中CO2的排放主要來自于電力部門發(fā)電和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)，各占約40%［1］，相比其他碳排放源，在電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)大幅碳減排具有較大的潛力和可能性?，F(xiàn)階段，我國電力行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)框架主要是以火力發(fā)電為主體，其中燃煤發(fā)電帶來的CO2排放是最大的碳排放源［2］。因此，針對燃煤火力發(fā)電行業(yè)的碳減排技術(shù)研究對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重大意義。國外已成功的能源轉(zhuǎn)型案例表明，利用含碳廢棄物逐步取代部分煤炭進(jìn)行耦合發(fā)電，能夠切實(shí)降低發(fā)電過程中的碳排放，是化石能源發(fā)電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳減排的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。

1 典型含碳廢棄物的利用現(xiàn)狀

含碳廢棄物種類繁多，包括農(nóng)林廢棄物、活性污泥、油基巖屑、生活垃圾等生物質(zhì)類；廢舊輪胎、碳纖維廢棄物、光纖廢棄物等聚合物類［4］。一般用于燃煤電廠耦合摻燒發(fā)電的含碳廢棄物為生物質(zhì)類。由于不同種類的含碳廢棄物組成成分與燃燒特性各不相同，結(jié)果導(dǎo)致?lián)綗螽a(chǎn)生的污染物種類及含量也有所不同［5］。例如，典型的農(nóng)林廢棄物——秸稈中含有較高的K、Na 等堿金屬成分，大量摻燒后容易造成燃煤機(jī)組結(jié)渣、受熱面腐蝕等現(xiàn)象；一些污泥、生活垃圾中含有較高濃度的Cl和F 元素，在摻燒后燃燒過程中可能會產(chǎn)生HCl 和HF 等腐蝕性氣體，造成廢氣處理設(shè)施的腐蝕［6］。因此，需要對不同類型的含碳廢棄物進(jìn)行具體分析，來確定其摻燒方式、摻燒比例與污染物處理流程，確保燃煤機(jī)組摻燒含碳廢棄物過程中的安全性與環(huán)保性。

根據(jù)《3060 零碳生物質(zhì)能發(fā)展?jié)摿λ{(lán)皮書》，我國生物質(zhì)類含碳廢棄物資源年產(chǎn)生量約為34.94 億t，可作為能源利用的開發(fā)潛力約為4.6 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。其中，能利用的主要資源為農(nóng)林廢棄物、動物糞便、生活垃圾、污泥等［7］，利用現(xiàn)狀見表1。

2 燃煤機(jī)組摻燒含碳廢棄物的技術(shù)方式

燃煤機(jī)組摻燒含碳廢棄物的技術(shù)主要有3 種，即直接摻燒、間接摻燒和并聯(lián)摻燒［10］。這3 種共燃方式都能有效減少CO2的排放，但具體使用哪種技術(shù)還應(yīng)考慮含碳廢棄物的種類、燃煤機(jī)組的情況以及投資經(jīng)濟(jì)性等因素。

2.1 直接摻燒

直接摻燒技術(shù)與煤燃燒技術(shù)最為接近，燃煤機(jī)組不需要進(jìn)行較大的改造就能使用，建設(shè)成本較低、經(jīng)濟(jì)性高，是燃煤電廠摻燒含碳廢棄物的首選技術(shù)［11］。其中，根據(jù)含碳廢棄物與燃煤預(yù)處理方式、摻燒位置與燃燒位置的不同，可以將直接摻燒技術(shù)細(xì)分為以下4 種方案［12］。

2.1.1 制粉耦合方案

預(yù)處理階段將含碳廢棄物與煤炭在堆場預(yù)混，再將混合后的燃料一起送入磨煤機(jī)內(nèi)，碾磨后借助燃煤機(jī)組原有的煤粉管道和煤粉燃燒器進(jìn)入爐膛燃燒。這種方案幾乎不需要對現(xiàn)有的燃煤機(jī)組進(jìn)行改造，成本很低，但由于含碳廢棄物顆粒一般較輕，會漂浮在磨煤機(jī)內(nèi)，有一定的安全隱患。同時(shí)，在碾磨過程中，含碳廢棄物與煤炭的可磨性也不同，因此很難將它們碾磨成相同粒徑大小的顆粒，輸送時(shí)可能會堵塞煤粉管道，對原制粉系統(tǒng)的輸出功率產(chǎn)生影響。因此該方案不適合大比例的含碳廢棄物摻燒，一般摻燒比例控制在10%以下［13］。

2.1.2 給料耦合方案

預(yù)處理階段將含碳廢棄物與煤炭的碾磨分開，含碳廢棄物不進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)碾磨，而是使用專門的破碎器進(jìn)行破碎，然后在煤粉輸送管道中與煤粉均勻混合，再一同進(jìn)入燃燒器內(nèi)進(jìn)行燃燒。相比于制粉耦合方案，該方案的安全性較好，含碳廢棄物顆粒粒徑均勻，能夠解決一定的煤粉輸送管道堵塞問題，摻燒比例可提高至20%。

2.1.3 燃燒器內(nèi)耦合方案

該方案是在給料耦合方案的基礎(chǔ)上，新增獨(dú)立的含碳廢棄物輸送管道，在燃燒器內(nèi)與煤粉混合燃燒。這樣可以進(jìn)一步降低煤粉輸送管道的堵塞率，提高摻燒比例至50%。但需要對原有的燃煤機(jī)組進(jìn)行較大的改造，包括新建含碳廢棄物輸送管道與原有煤粉燃燒器的技術(shù)改造，成本較高。

2.1.4 爐內(nèi)耦合方案

爐內(nèi)耦合方案即購置一整套獨(dú)立的含碳廢棄物燃燒生產(chǎn)線，包括破碎機(jī)、輸粉管道和專用燃燒器，燃燒完成后再進(jìn)入鍋爐中與燃煤蒸汽耦合。此時(shí)，含碳廢棄物的燃燒完全獨(dú)立于燃煤系統(tǒng)，互不干擾，摻燒比例可達(dá)到100%。

2.2 間接摻燒

間接摻燒又稱氣化耦合摻燒，是指將含碳廢棄物原料進(jìn)行預(yù)處理后，通過氣化爐將其轉(zhuǎn)化為氣體燃料，然后將氣體燃料噴入燃煤燃燒器中進(jìn)行耦合燃燒的技術(shù)。該技術(shù)可以有效提高能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了含碳廢棄物與原煤灰渣的分離［14］，解決含碳廢棄物直接摻燒帶來的設(shè)備腐蝕、結(jié)渣等問題。缺點(diǎn)是建設(shè)成本高，且在大比例摻燒時(shí)，可能因?yàn)闅怏w燃料熱值較低，引起鍋爐熱效率下降［15］。

2.3 并聯(lián)摻燒

并聯(lián)摻燒是在燃煤機(jī)組旁新建1 條完全獨(dú)立的含碳廢棄物燃燒鍋爐，與燃煤鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行耦合并送入汽輪機(jī)內(nèi)進(jìn)行發(fā)帶電。并聯(lián)摻燒新增的設(shè)備多，建設(shè)成本和運(yùn)營成本都很高，因此不適合對原有燃煤機(jī)組進(jìn)行改造，項(xiàng)目應(yīng)用較少。

3 燃煤電廠摻燒含碳廢棄物的影響分析

3.1 對鍋爐燃燒的影響

與燃煤相比，農(nóng)林類含碳廢棄物揮發(fā)分/固定碳比例更高，摻燒后可以降低混合燃料的燃點(diǎn)，更容易燃燒［16］。任瓊等［17］研究了從室溫加熱到1 000 ℃，杉木與燃煤混合后在不同升溫速率與摻混比例下的燃燒特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著杉木摻混比例增加，平均燃燒速率和燃燒特性參數(shù)增加，著火溫度、燃盡溫度與活化能減小，煤的燃燒性能得到改善。但此類含碳廢棄物的熱值一般比燃煤低，揮發(fā)分含量更高，直接摻燒比例超過20%時(shí)，燃燒器附近溫度會降低，CO 濃度升高，爐膛出口煙道的排煙溫度升高，會影響鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行［11］。污泥在經(jīng)過脫水干化后，其熱值已與褐煤相當(dāng)［9］，是良好的摻燒燃料。與農(nóng)林類含碳廢棄物一樣，污泥揮發(fā)分高固定碳少，摻燒后會使得著火點(diǎn)、燃盡溫度降低與燃盡時(shí)間提前，改善燃料的著火和燃盡性能。大比例摻燒時(shí)，燃燒特性會趨于污泥，不利于穩(wěn)定燃燒［18］。摻燒畜禽糞便、生活垃圾等含碳廢棄物時(shí)，通常先經(jīng)過氣化處理，后將生成的生物質(zhì)氣通入爐膛中進(jìn)行耦合燃燒。生物質(zhì)氣與揮發(fā)分類似，均有著降低點(diǎn)火溫度、改善燃燒特性的作用［19］。

3.2 對鍋爐結(jié)渣的影響

由于生物質(zhì)類含碳廢棄物中含有大量的無機(jī)元素，在與燃煤混燃的過程中，容易生成低溫共熔體和氣象冷凝灰，從而導(dǎo)致受熱面腐蝕或結(jié)渣［20］。據(jù)嵇順［21］的研究，耦合燃燒比燃煤單獨(dú)燃燒更容易造成飛灰的沉積，且在溫度超過500 ℃后腐蝕急劇增加。其中，農(nóng)林廢棄物類含碳廢棄物中K、Na 等堿金屬含量較高，在燃燒時(shí)以氯化物和硫酸鹽的形式凝結(jié)在飛灰顆粒上，導(dǎo)致飛灰顆粒的熔點(diǎn)降低，黏性增加，進(jìn)而黏結(jié)在受熱面上形成結(jié)渣［9］。污泥中含有相對較高的Cl 元素和S 元素，會加速生成堿金屬氯化鹽和硫化鹽等一系列的低熔點(diǎn)礦物，從而導(dǎo)致結(jié)渣和腐蝕問題的出現(xiàn)［4］。因此，為了燃煤機(jī)組的安全，直接摻燒應(yīng)嚴(yán)格控制摻燒比例，若要提高摻燒比，可考慮加入抗結(jié)渣添加劑、Ca（OH）2、富硅酸鹽物質(zhì) 等［22］，或更改摻燒 方式，使用間接耦合摻燒或并聯(lián)耦合摻燒。

3.3 對污染排放物的影響

燃燒過程中產(chǎn)生的NOx 根據(jù)生成途徑分為3 種，即熱力型NOx，瞬態(tài)型NOx 和燃料型NOx［23］。含碳廢棄物摻燒燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的氮氧化物75%左右為燃料型NOx，20%左右為熱力型NOx，瞬態(tài)型NOx 產(chǎn)生極少［24］，因此NOx 的排放濃度主要與摻燒的含碳廢棄物種類有關(guān)。農(nóng)林廢棄物中N 元素的含量很低，秸稈和木材中N 元素的含量只占元素總量的0.2%，燃燒產(chǎn)生的NOx 釋放量只有燃煤的1/3 至1/2［25］。在與燃煤摻燒時(shí)，產(chǎn)生的HCN 和NH3等產(chǎn)物，都不易向NOx 轉(zhuǎn)化；且該類含碳廢棄物一般熱值較低，摻燃時(shí)爐膛溫度較低，不利于NOx 的生成，因此摻燒農(nóng)林生物質(zhì)類含碳廢棄物可以有效抑制NOx 的排放［13］。而污泥中N 元素含量較高，少量摻燒時(shí)熱力型NOx 排放降低，大量摻燒時(shí)燃料型NOx 排放增加［8］。

SO2的排放也與摻燒物質(zhì)中S 元素的含量相關(guān)。一般來說，農(nóng)林類含碳廢棄物中S 含量較低，摻燒后能夠降低SO2的排放，且在與燃煤共燃燒的過程中，廢棄物中的堿金屬元素（K、Ca、Na 等）會與煙氣中的SO2反應(yīng)生成硫酸鹽沉積下來，進(jìn)一步降低煙氣中SO2的排放濃度［26］。污泥中除了S 元素影響SO2排放以外，污泥含水率對煙氣中SO2排放濃度影響也較大，有研究表明［27］，含水率高的污泥SO2排放少，當(dāng)含水率大于40%時(shí)，SO2的排放急劇下降。總的來說，摻燒生物質(zhì)類的含碳廢棄物不會使煙氣中SO2的排放濃度增高，反而可以有效降低SO2的排放，摻燒具有更好的環(huán)境友好性。

顆粒物的排放主要來自于燃料中的灰分，通常無機(jī)成分越多，煙氣中顆粒物濃度越高［28］。農(nóng)林廢棄物類燃料中灰含量低，玉米秸稈和松木單獨(dú)燃燒產(chǎn)生的顆粒物只有傳統(tǒng)燃煤燃燒產(chǎn)生顆粒物的30%［29］，混合摻燒后顆粒物排放降低。污泥中灰分含量高，耦合摻燒后顆粒物排放增加［30］，因此需要根據(jù)污泥摻燒量來調(diào)整燃煤電廠的除塵設(shè)備。

污泥在耦合摻燒發(fā)電時(shí)還應(yīng)考慮重金屬與二噁英的排放。大部分的污泥中重金屬含量較高，摻燒后Pb、Cu、Cr、Ni 等揮發(fā)性弱的重金屬會富集在灰渣中，其中Pb 的質(zhì)量濃度相比于原煤增加約3.3～3.8 倍；As、Hg、Se 等揮發(fā)性強(qiáng)的重金屬則富集到煙氣中，其中煙氣中Hg 的質(zhì)量濃度增加約30%［2］。李德波等［31］研究了330 MW 鍋爐摻燒不同比例污泥后重金屬的排放情況，結(jié)果表明當(dāng)摻燒比<8%時(shí)，對燃煤機(jī)組重金屬排放無明顯影響。污泥中Cl 元素與灰分含量較高，是造成二噁英排放增加的主要原因［32］。據(jù)童敏等［33］研究，在20 kW 的沉降爐中，摻混10%含水率為30%的污泥與燃煤進(jìn)行耦合燃燒后檢測二噁英的排放濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原煤燃燒二噁英排放質(zhì)量濃度為0.096 ng/m3，而混合燃料二噁英排放質(zhì)量濃度為0.232 ng/m3。因此，燃煤電廠在摻燒污泥時(shí)應(yīng)該采取合適的措施來限制二噁英的生成，例如提高爐膛燃燒溫度與停留時(shí)間，尾部煙道處采取煙氣急冷和飛灰高效脫除等技術(shù)措施［2］。

4 結(jié)論與展望

在“雙碳”減排的政策背景下，我國優(yōu)化火力發(fā)電能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)勢在必行，含碳廢棄物具有來源廣泛、產(chǎn)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行耦合摻燒可以快速實(shí)現(xiàn)CO2的減排。但目前大比例摻燒含碳廢棄物還存在一些難題亟需解決，例如大比例直接摻混帶來的燃煤機(jī)組腐蝕結(jié)渣與燃燒效率低下，灰渣的分類及處理等問題。間接耦合摻燒和并聯(lián)耦合摻燒雖然能夠解決部分問題，但需要對原燃煤機(jī)組進(jìn)行大規(guī)模改建，經(jīng)濟(jì)性很低，加上目前國內(nèi)尚未出臺相應(yīng)的燃煤電廠碳減排補(bǔ)貼政策，電廠進(jìn)行改造的積極性不高。希望未來國家能夠制定符合我國國情的含碳廢棄物耦合摻燒技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并出臺相應(yīng)政策進(jìn)行扶持，推動技術(shù)落地，助力火力發(fā)電領(lǐng)域的大規(guī)模碳減排能夠早日實(shí)現(xiàn)。