燃煤电厂含碳废弃物掺烧技术及其研究进展

焦乙枭 刘志华 李紫龙 闫洪远 罗丹 于鉴兰

（国家电投集团重庆远达烟气治理特许经营有限公司科技分公司 重庆 401122）

0 引言

随着“双碳”政策的提出，“2030 年前达到碳达峰、2060 年前实现碳中和”已成为我国经济社会发展的主导方向。据《中国长期低碳发展战略与转型路径研究》显示，我国2020 年CO2总排放量约113.5 亿t，其中100.3 亿t CO2排放与能源行业相关，占比88.4%。能源行业中CO2的排放主要来自于电力部门发电和工业企业生产，各占约40%［1］，相比其他碳排放源，在电力行业实现大幅碳减排具有较大的潜力和可能性。现阶段，我国电力行业的能源结构框架主要是以火力发电为主体，其中燃煤发电带来的CO2排放是最大的碳排放源［2］。因此，针对燃煤火力发电行业的碳减排技术研究对实现“双碳”目标具有重大意义。国外已成功的能源转型案例表明，利用含碳废弃物逐步取代部分煤炭进行耦合发电，能够切实降低发电过程中的碳排放，是化石能源发电领域实现碳减排的关键技术之一［3］。

1 典型含碳废弃物的利用现状

含碳废弃物种类繁多，包括农林废弃物、活性污泥、油基岩屑、生活垃圾等生物质类；废旧轮胎、碳纤维废弃物、光纤废弃物等聚合物类［4］。一般用于燃煤电厂耦合掺烧发电的含碳废弃物为生物质类。由于不同种类的含碳废弃物组成成分与燃烧特性各不相同，结果导致掺烧后产生的污染物种类及含量也有所不同［5］。例如，典型的农林废弃物——秸秆中含有较高的K、Na 等碱金属成分，大量掺烧后容易造成燃煤机组结渣、受热面腐蚀等现象；一些污泥、生活垃圾中含有较高浓度的Cl和F 元素，在掺烧后燃烧过程中可能会产生HCl 和HF 等腐蚀性气体，造成废气处理设施的腐蚀［6］。因此，需要对不同类型的含碳废弃物进行具体分析，来确定其掺烧方式、掺烧比例与污染物处理流程，确保燃煤机组掺烧含碳废弃物过程中的安全性与环保性。

根据《3060 零碳生物质能发展潜力蓝皮书》，我国生物质类含碳废弃物资源年产生量约为34.94 亿t，可作为能源利用的开发潜力约为4.6 亿t 标准煤。其中，能利用的主要资源为农林废弃物、动物粪便、生活垃圾、污泥等［7］，利用现状见表1。

2 燃煤机组掺烧含碳废弃物的技术方式

燃煤机组掺烧含碳废弃物的技术主要有3 种，即直接掺烧、间接掺烧和并联掺烧［10］。这3 种共燃方式都能有效减少CO2的排放，但具体使用哪种技术还应考虑含碳废弃物的种类、燃煤机组的情况以及投资经济性等因素。

2.1 直接掺烧

直接掺烧技术与煤燃烧技术最为接近，燃煤机组不需要进行较大的改造就能使用，建设成本较低、经济性高，是燃煤电厂掺烧含碳废弃物的首选技术［11］。其中，根据含碳废弃物与燃煤预处理方式、掺烧位置与燃烧位置的不同，可以将直接掺烧技术细分为以下4 种方案［12］。

2.1.1 制粉耦合方案

预处理阶段将含碳废弃物与煤炭在堆场预混，再将混合后的燃料一起送入磨煤机内，碾磨后借助燃煤机组原有的煤粉管道和煤粉燃烧器进入炉膛燃烧。这种方案几乎不需要对现有的燃煤机组进行改造，成本很低，但由于含碳废弃物颗粒一般较轻，会漂浮在磨煤机内，有一定的安全隐患。同时，在碾磨过程中，含碳废弃物与煤炭的可磨性也不同，因此很难将它们碾磨成相同粒径大小的颗粒，输送时可能会堵塞煤粉管道，对原制粉系统的输出功率产生影响。因此该方案不适合大比例的含碳废弃物掺烧，一般掺烧比例控制在10%以下［13］。

2.1.2 给料耦合方案

预处理阶段将含碳废弃物与煤炭的碾磨分开，含碳废弃物不进入磨煤机内碾磨，而是使用专门的破碎器进行破碎，然后在煤粉输送管道中与煤粉均匀混合，再一同进入燃烧器内进行燃烧。相比于制粉耦合方案，该方案的安全性较好，含碳废弃物颗粒粒径均匀，能够解决一定的煤粉输送管道堵塞问题，掺烧比例可提高至20%。

2.1.3 燃烧器内耦合方案

该方案是在给料耦合方案的基础上，新增独立的含碳废弃物输送管道，在燃烧器内与煤粉混合燃烧。这样可以进一步降低煤粉输送管道的堵塞率，提高掺烧比例至50%。但需要对原有的燃煤机组进行较大的改造，包括新建含碳废弃物输送管道与原有煤粉燃烧器的技术改造，成本较高。

2.1.4 炉内耦合方案

炉内耦合方案即购置一整套独立的含碳废弃物燃烧生产线，包括破碎机、输粉管道和专用燃烧器，燃烧完成后再进入锅炉中与燃煤蒸汽耦合。此时，含碳废弃物的燃烧完全独立于燃煤系统，互不干扰，掺烧比例可达到100%。

2.2 间接掺烧

间接掺烧又称气化耦合掺烧，是指将含碳废弃物原料进行预处理后，通过气化炉将其转化为气体燃料，然后将气体燃料喷入燃煤燃烧器中进行耦合燃烧的技术。该技术可以有效提高能量转换效率，实现了含碳废弃物与原煤灰渣的分离［14］，解决含碳废弃物直接掺烧带来的设备腐蚀、结渣等问题。缺点是建设成本高，且在大比例掺烧时，可能因为气体燃料热值较低，引起锅炉热效率下降［15］。

2.3 并联掺烧

并联掺烧是在燃煤机组旁新建1 条完全独立的含碳废弃物燃烧锅炉，与燃煤锅炉产生的蒸汽进行耦合并送入汽轮机内进行发带电。并联掺烧新增的设备多，建设成本和运营成本都很高，因此不适合对原有燃煤机组进行改造，项目应用较少。

3 燃煤电厂掺烧含碳废弃物的影响分析

3.1 对锅炉燃烧的影响

与燃煤相比，农林类含碳废弃物挥发分/固定碳比例更高，掺烧后可以降低混合燃料的燃点，更容易燃烧［16］。任琼等［17］研究了从室温加热到1 000 ℃，杉木与燃煤混合后在不同升温速率与掺混比例下的燃烧特性，实验结果表明：随着杉木掺混比例增加，平均燃烧速率和燃烧特性参数增加，着火温度、燃尽温度与活化能减小，煤的燃烧性能得到改善。但此类含碳废弃物的热值一般比燃煤低，挥发分含量更高，直接掺烧比例超过20%时，燃烧器附近温度会降低，CO 浓度升高，炉膛出口烟道的排烟温度升高，会影响锅炉的稳定运行［11］。污泥在经过脱水干化后，其热值已与褐煤相当［9］，是良好的掺烧燃料。与农林类含碳废弃物一样，污泥挥发分高固定碳少，掺烧后会使得着火点、燃尽温度降低与燃尽时间提前，改善燃料的着火和燃尽性能。大比例掺烧时，燃烧特性会趋于污泥，不利于稳定燃烧［18］。掺烧畜禽粪便、生活垃圾等含碳废弃物时，通常先经过气化处理，后将生成的生物质气通入炉膛中进行耦合燃烧。生物质气与挥发分类似，均有着降低点火温度、改善燃烧特性的作用［19］。

3.2 对锅炉结渣的影响

由于生物质类含碳废弃物中含有大量的无机元素，在与燃煤混燃的过程中，容易生成低温共熔体和气象冷凝灰，从而导致受热面腐蚀或结渣［20］。据嵇顺［21］的研究，耦合燃烧比燃煤单独燃烧更容易造成飞灰的沉积，且在温度超过500 ℃后腐蚀急剧增加。其中，农林废弃物类含碳废弃物中K、Na 等碱金属含量较高，在燃烧时以氯化物和硫酸盐的形式凝结在飞灰颗粒上，导致飞灰颗粒的熔点降低，黏性增加，进而黏结在受热面上形成结渣［9］。污泥中含有相对较高的Cl 元素和S 元素，会加速生成碱金属氯化盐和硫化盐等一系列的低熔点矿物，从而导致结渣和腐蚀问题的出现［4］。因此，为了燃煤机组的安全，直接掺烧应严格控制掺烧比例，若要提高掺烧比，可考虑加入抗结渣添加剂、Ca（OH）2、富硅酸盐物质 等［22］，或更改掺烧 方式，使用间接耦合掺烧或并联耦合掺烧。

3.3 对污染排放物的影响

燃烧过程中产生的NOx 根据生成途径分为3 种，即热力型NOx，瞬态型NOx 和燃料型NOx［23］。含碳废弃物掺烧燃煤发电过程中产生的氮氧化物75%左右为燃料型NOx，20%左右为热力型NOx，瞬态型NOx 产生极少［24］，因此NOx 的排放浓度主要与掺烧的含碳废弃物种类有关。农林废弃物中N 元素的含量很低，秸秆和木材中N 元素的含量只占元素总量的0.2%，燃烧产生的NOx 释放量只有燃煤的1/3 至1/2［25］。在与燃煤掺烧时，产生的HCN 和NH3等产物，都不易向NOx 转化；且该类含碳废弃物一般热值较低，掺燃时炉膛温度较低，不利于NOx 的生成，因此掺烧农林生物质类含碳废弃物可以有效抑制NOx 的排放［13］。而污泥中N 元素含量较高，少量掺烧时热力型NOx 排放降低，大量掺烧时燃料型NOx 排放增加［8］。

SO2的排放也与掺烧物质中S 元素的含量相关。一般来说，农林类含碳废弃物中S 含量较低，掺烧后能够降低SO2的排放，且在与燃煤共燃烧的过程中，废弃物中的碱金属元素（K、Ca、Na 等）会与烟气中的SO2反应生成硫酸盐沉积下来，进一步降低烟气中SO2的排放浓度［26］。污泥中除了S 元素影响SO2排放以外，污泥含水率对烟气中SO2排放浓度影响也较大，有研究表明［27］，含水率高的污泥SO2排放少，当含水率大于40%时，SO2的排放急剧下降。总的来说，掺烧生物质类的含碳废弃物不会使烟气中SO2的排放浓度增高，反而可以有效降低SO2的排放，掺烧具有更好的环境友好性。

颗粒物的排放主要来自于燃料中的灰分，通常无机成分越多，烟气中颗粒物浓度越高［28］。农林废弃物类燃料中灰含量低，玉米秸秆和松木单独燃烧产生的颗粒物只有传统燃煤燃烧产生颗粒物的30%［29］，混合掺烧后颗粒物排放降低。污泥中灰分含量高，耦合掺烧后颗粒物排放增加［30］，因此需要根据污泥掺烧量来调整燃煤电厂的除尘设备。

污泥在耦合掺烧发电时还应考虑重金属与二噁英的排放。大部分的污泥中重金属含量较高，掺烧后Pb、Cu、Cr、Ni 等挥发性弱的重金属会富集在灰渣中，其中Pb 的质量浓度相比于原煤增加约3.3～3.8 倍；As、Hg、Se 等挥发性强的重金属则富集到烟气中，其中烟气中Hg 的质量浓度增加约30%［2］。李德波等［31］研究了330 MW 锅炉掺烧不同比例污泥后重金属的排放情况，结果表明当掺烧比<8%时，对燃煤机组重金属排放无明显影响。污泥中Cl 元素与灰分含量较高，是造成二噁英排放增加的主要原因［32］。据童敏等［33］研究，在20 kW 的沉降炉中，掺混10%含水率为30%的污泥与燃煤进行耦合燃烧后检测二噁英的排放浓度，结果发现原煤燃烧二噁英排放质量浓度为0.096 ng/m3，而混合燃料二噁英排放质量浓度为0.232 ng/m3。因此，燃煤电厂在掺烧污泥时应该采取合适的措施来限制二噁英的生成，例如提高炉膛燃烧温度与停留时间，尾部烟道处采取烟气急冷和飞灰高效脱除等技术措施［2］。

4 结论与展望

在“双碳”减排的政策背景下，我国优化火力发电能源产业结构势在必行，含碳废弃物具有来源广泛、产量丰富等优点，进行耦合掺烧可以快速实现CO2的减排。但目前大比例掺烧含碳废弃物还存在一些难题亟需解决，例如大比例直接掺混带来的燃煤机组腐蚀结渣与燃烧效率低下，灰渣的分类及处理等问题。间接耦合掺烧和并联耦合掺烧虽然能够解决部分问题，但需要对原燃煤机组进行大规模改建，经济性很低，加上目前国内尚未出台相应的燃煤电厂碳减排补贴政策，电厂进行改造的积极性不高。希望未来国家能够制定符合我国国情的含碳废弃物耦合掺烧技术标准，并出台相应政策进行扶持，推动技术落地，助力火力发电领域的大规模碳减排能够早日实现。