燃煤電廠含碳廢棄物摻燒技術及其研究進展

焦乙梟 劉志華 李紫龍 閆洪遠 羅丹 于鑒蘭

（國家電投集團重慶遠達煙氣治理特許經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 年前達到碳達峰、2060 年前實現碳中和”已成為我國經濟社會發展的主導方向。據《中國長期低碳發展戰略與轉型路徑研究》顯示，我國2020 年CO2總排放量約113.5 億t，其中100.3 億t CO2排放與能源行業相關，占比88.4%。能源行業中CO2的排放主要來自于電力部門發電和工業企業生產，各占約40%［1］，相比其他碳排放源，在電力行業實現大幅碳減排具有較大的潛力和可能性?，F階段，我國電力行業的能源結構框架主要是以火力發電為主體，其中燃煤發電帶來的CO2排放是最大的碳排放源［2］。因此，針對燃煤火力發電行業的碳減排技術研究對實現“雙碳”目標具有重大意義。國外已成功的能源轉型案例表明，利用含碳廢棄物逐步取代部分煤炭進行耦合發電，能夠切實降低發電過程中的碳排放，是化石能源發電領域實現碳減排的關鍵技術之一［3］。

1 典型含碳廢棄物的利用現狀

含碳廢棄物種類繁多，包括農林廢棄物、活性污泥、油基巖屑、生活垃圾等生物質類；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電的含碳廢棄物為生物質類。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，結果導致摻燒后產生的污染物種類及含量也有所不同［5］。例如，典型的農林廢棄物——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組結渣、受熱面腐蝕等現象；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生HCl 和HF 等腐蝕性氣體，造成廢氣處理設施的腐蝕［6］。因此，需要對不同類型的含碳廢棄物進行具體分析，來確定其摻燒方式、摻燒比例與污染物處理流程，確保燃煤機組摻燒含碳廢棄物過程中的安全性與環保性。

根據《3060 零碳生物質能發展潛力藍皮書》，我國生物質類含碳廢棄物資源年產生量約為34.94 億t，可作為能源利用的開發潛力約為4.6 億t 標準煤。其中，能利用的主要資源為農林廢棄物、動物糞便、生活垃圾、污泥等［7］，利用現狀見表1。

2 燃煤機組摻燒含碳廢棄物的技術方式

燃煤機組摻燒含碳廢棄物的技術主要有3 種，即直接摻燒、間接摻燒和并聯摻燒［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還應考慮含碳廢棄物的種類、燃煤機組的情況以及投資經濟性等因素。

2.1 直接摻燒

直接摻燒技術與煤燃燒技術最為接近，燃煤機組不需要進行較大的改造就能使用，建設成本較低、經濟性高，是燃煤電廠摻燒含碳廢棄物的首選技術［11］。其中，根據含碳廢棄物與燃煤預處理方式、摻燒位置與燃燒位置的不同，可以將直接摻燒技術細分為以下4 種方案［12］。

2.1.1 制粉耦合方案

預處理階段將含碳廢棄物與煤炭在堆場預混，再將混合后的燃料一起送入磨煤機內，碾磨后借助燃煤機組原有的煤粉管道和煤粉燃燒器進入爐膛燃燒。這種方案幾乎不需要對現有的燃煤機組進行改造，成本很低，但由于含碳廢棄物顆粒一般較輕，會漂浮在磨煤機內，有一定的安全隱患。同時，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，輸送時可能會堵塞煤粉管道，對原制粉系統的輸出功率產生影響。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，含碳廢棄物不進入磨煤機內碾磨，而是使用專門的破碎器進行破碎，然后在煤粉輸送管道中與煤粉均勻混合，再一同進入燃燒器內進行燃燒。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 燃燒器內耦合方案

該方案是在給料耦合方案的基礎上，新增獨立的含碳廢棄物輸送管道，在燃燒器內與煤粉混合燃燒。這樣可以進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組進行較大的改造，包括新建含碳廢棄物輸送管道與原有煤粉燃燒器的技術改造，成本較高。

2.1.4 爐內耦合方案

爐內耦合方案即購置一整套獨立的含碳廢棄物燃燒生產線，包括破碎機、輸粉管道和專用燃燒器，燃燒完成后再進入鍋爐中與燃煤蒸汽耦合。此時，含碳廢棄物的燃燒完全獨立于燃煤系統，互不干擾，摻燒比例可達到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行預處理后，通過氣化爐將其轉化為氣體燃料，然后將氣體燃料噴入燃煤燃燒器中進行耦合燃燒的技術。該技術可以有效提高能量轉換效率，實現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備腐蝕、結渣等問題。缺點是建設成本高，且在大比例摻燒時，可能因為氣體燃料熱值較低，引起鍋爐熱效率下降［15］。

2.3 并聯摻燒

并聯摻燒是在燃煤機組旁新建1 條完全獨立的含碳廢棄物燃燒鍋爐，與燃煤鍋爐產生的蒸汽進行耦合并送入汽輪機內進行發帶電。并聯摻燒新增的設備多，建設成本和運營成本都很高，因此不適合對原有燃煤機組進行改造，項目應用較少。

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，農林類含碳廢棄物揮發分/固定碳比例更高，摻燒后可以降低混合燃料的燃點，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，實驗結果表明：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，揮發分含量更高，直接摻燒比例超過20%時，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，會影響鍋爐的穩定運行［11］。污泥在經過脫水干化后，其熱值已與褐煤相當［9］，是良好的摻燒燃料。與農林類含碳廢棄物一樣，污泥揮發分高固定碳少，摻燒后會使得著火點、燃盡溫度降低與燃盡時間提前，改善燃料的著火和燃盡性能。大比例摻燒時，燃燒特性會趨于污泥，不利于穩定燃燒［18］。摻燒畜禽糞便、生活垃圾等含碳廢棄物時，通常先經過氣化處理，后將生成的生物質氣通入爐膛中進行耦合燃燒。生物質氣與揮發分類似，均有著降低點火溫度、改善燃燒特性的作用［19］。

3.2 對鍋爐結渣的影響

由于生物質類含碳廢棄物中含有大量的無機元素，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，從而導致受熱面腐蝕或結渣［20］。據嵇順［21］的研究，耦合燃燒比燃煤單獨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，在燃燒時以氯化物和硫酸鹽的形式凝結在飛灰顆粒上，導致飛灰顆粒的熔點降低，黏性增加，進而黏結在受熱面上形成結渣［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礦物，從而導致結渣和腐蝕問題的出現［4］。因此，為了燃煤機組的安全，直接摻燒應嚴格控制摻燒比例，若要提高摻燒比，可考慮加入抗結渣添加劑、Ca（OH）2、富硅酸鹽物質 等［22］，或更改摻燒 方式，使用間接耦合摻燒或并聯耦合摻燒。

3.3 對污染排放物的影響

燃燒過程中產生的NOx 根據生成途徑分為3 種，即熱力型NOx，瞬態型NOx 和燃料型NOx［23］。含碳廢棄物摻燒燃煤發電過程中產生的氮氧化物75%左右為燃料型NOx，20%左右為熱力型NOx，瞬態型NOx 產生極少［24］，因此NOx 的排放濃度主要與摻燒的含碳廢棄物種類有關。農林廢棄物中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%，燃燒產生的NOx 釋放量只有燃煤的1/3 至1/2［25］。在與燃煤摻燒時，產生的HCN 和NH3等產物，都不易向NOx 轉化；且該類含碳廢棄物一般熱值較低，摻燃時爐膛溫度較低，不利于NOx 的生成，因此摻燒農林生物質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，少量摻燒時熱力型NOx 排放降低，大量摻燒時燃料型NOx 排放增加［8］。

SO2的排放也與摻燒物質中S 元素的含量相關。一般來說，農林類含碳廢棄物中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反應生成硫酸鹽沉積下來，進一步降低煙氣中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，當含水率大于40%時，SO2的排放急劇下降?？偟膩碚f，摻燒生物質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，通常無機成分越多，煙氣中顆粒物濃度越高［28］。農林廢棄物類燃料中灰含量低，玉米秸稈和松木單獨燃燒產生的顆粒物只有傳統燃煤燃燒產生顆粒物的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］，因此需要根據污泥摻燒量來調整燃煤電廠的除塵設備。

污泥在耦合摻燒發電時還應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 等揮發性弱的重金屬會富集在灰渣中，其中Pb 的質量濃度相比于原煤增加約3.3～3.8 倍；As、Hg、Se 等揮發性強的重金屬則富集到煙氣中，其中煙氣中Hg 的質量濃度增加約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，結果表明當摻燒比<8%時，對燃煤機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%的污泥與燃煤進行耦合燃燒后檢測二噁英的排放濃度，結果發現原煤燃燒二噁英排放質量濃度為0.096 ng/m3，而混合燃料二噁英排放質量濃度為0.232 ng/m3。因此，燃煤電廠在摻燒污泥時應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間，尾部煙道處采取煙氣急冷和飛灰高效脫除等技術措施［2］。

4 結論與展望

在“雙碳”減排的政策背景下，我國優化火力發電能源產業結構勢在必行，含碳廢棄物具有來源廣泛、產量豐富等優點，進行耦合摻燒可以快速實現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組腐蝕結渣與燃燒效率低下，灰渣的分類及處理等問題。間接耦合摻燒和并聯耦合摻燒雖然能夠解決部分問題，但需要對原燃煤機組進行大規模改建，經濟性很低，加上目前國內尚未出臺相應的燃煤電廠碳減排補貼政策，電廠進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標準，并出臺相應政策進行扶持，推動技術落地，助力火力發電領域的大規模碳減排能夠早日實現。