低熱值煤資源現狀與循環流化床發電應用分析

呂俊復，楊海瑞，楊方亮，劉丁赫，張縵，黃德洪

(1.清華大學能源與動力工程系熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京市海淀區，100084；2.中國煤炭加工利用協會，北京市朝陽區，100013；3.太原理工大學電氣與動力工程學院，山西省太原市，030024)

煤炭是重要的基礎能源，我國煤炭生產量和消費量多年均居世界第一。近年來，雖然煤炭在我國一次能源消費中的比例逐年下降，但2019年仍達到57.7%[1]，煤炭作為主體能源的地位在未來相當長時間內不會發生根本改變。發展煤炭洗選加工、推進煤炭資源分級利用是提高煤炭清潔高效利用水平的主要途徑，根據中國煤炭加工利用協會測算數據顯示，目前全國煤礦排放的煤矸石、煤泥的總量約為9億t/a，每年新增的煤矸石、煤泥中仍有較大部分無法得到充分利用，導致其存量逐年增大。根據國家發展改革委、國家能源局印發的《煤炭工業發展“十三五”規劃》目標[3]，到2020年全國原煤入選率達到75%以上，煤矸石、煤泥的產生量將進一步增加，如不能進行有效地利用和處置，長期堆存將會壓占大量土地資源，破壞礦區生態環境。因此，加大對煤矸石、煤泥等低熱值煤燃料大規模資源化利用對煤炭清潔高效綠色發展意義重大。

1 低熱值煤資源現狀

煤炭洗選可以提高煤炭終端利用環節的利用效率、促進煤炭的清潔高效利用，我國對煤炭洗選比例的要求也逐年提高，根據中國煤炭工業協會發布的《2019煤炭行業發展年度報告》顯示，從2012-2019年，我國原煤入選能力由21.5億t提高到28.2億t，原煤入選率由56.16%提高至73.2%[4]，2012-2019年我國原煤入選情況如圖1所示。

圖1 2012-2019年我國原煤入選情況

隨著我國原煤入選比例的不斷提高，由此產生的副產品——煤矸石和煤泥等低熱值煤燃料的排放量也日益增加，未來隨著煤炭產量的增長以及入選率的進一步提高，煤矸石、煤泥等低熱值煤燃料的產生量也將進一步增大。我國煤泥的產量由2012年的1.5億t增長到2019年的1.95億t，煤泥利用量由2012年的0.28億t增長到2019年的0.48億t[4]。2012-2019年我國煤泥的產量及利用情況如圖2所示。

圖2 2012-2019年我國煤泥的產量及利用情況

由圖2可以看出，一直以來我國煤泥的利用量和利用率均相對較低，整體利用率均低于25%。大量得不到有效利用的煤泥被摻回到混煤中出售，或堆放著地面和矸石山上，不僅使得原煤洗選的效果不佳，而且煤泥的堆放還占用土地、污染環境。隨著環保要求和標準的提高，煤泥堆存越來越困難，一些選煤廠因為煤泥無法處理而不得不限產或停產，因此煤泥的有效處置問題成為了困擾煤炭企業的難題。

由于我國煤泥的消費結構與動力煤的消費結構高度重合，煤泥的價格受動力煤市場價格的影響較大，2012-2019年我國煤泥平均價格以及市場規模如圖3所示[4]。

圖3 2012-2019年我國煤泥平均價格以及市場規模

由圖3可以看出，隨著近幾年煤炭價格的回升，煤泥的平均價格也隨之增長，煤泥的整體市場規模從2012年的43.24億元增長至2019年的108.15億元，市場的規模較大。

我國煤炭生產企業的煤矸石年均排放量約為7億t，在國家實施的煤炭資源綜合利用相關政策的鼓勵下，煤矸石的整體綜合利用水平也不斷提高，煤矸石綜合利用率從2012年的63%提高到2019年的70%，但與2012年原國土資源部提出的關于煤炭礦山企業的煤矸石綜合利用率應達到75%以上的目標仍有一定差距。2012-2019年我國煤矸石產量及利用情況如圖4所示[5-6]。

圖4 2012-2019年我國煤矸石產量及利用情況

2 低熱值煤資源利用情況分析

煤矸石和煤泥作為煤炭生產的固體廢棄物，其綜合利用一直是行業內的重要研究課題。國外煤矸石主要用于復田造地和制作建材[7]，我國煤矸石綜合利用的方式主要是燃燒發電、筑路填坑、土地復墾和建筑材料等，近年來也出現了有色金屬提取、礦物分選、新型材料生產等高附加值的利用方式[8-10]。煤泥的資源化利用主要與其特性有關，低灰高熱值煤泥的利用途徑主要有直接燃燒發電或者制備鍋爐燃料(水煤漿、型煤)，而對于高灰低熱值的煤泥則主要用作建筑摻合料和工業填料等，但是煤泥用作填料、制磚、制水泥的附加值較低，并不能帶來較大的社會效益和經濟效益[11]。近年來，針對煤矸石和煤泥的高附加值資源化利用方法的研究很多[12-13]，但是利用量較小，不能實現大規模的快速減量。

3 低熱值煤資源發電現狀

由圖2和圖4也可以看出，我國煤泥的產生量和利用量之間有較大差距，目前的利用量不足產量的25%；雖然近年來煤矸石的綜合利用率不斷提高，達到了70%，但由于煤矸石的排放體量更大，仍有大量的煤矸石得不到較好的應用。

雖然煤矸石和煤泥屬于煤炭生產的廢棄物，但是其本質上仍屬于低熱值煤燃料，從煤炭資源綜合利用的行業背景和技術成熟度上來看，煤矸石和煤泥直接用于燃燒發電仍然是能夠實現其大規模處理的有效途徑，不僅可以大幅度的減量，而且可以替代部分優質煤炭的消耗。

我國在20世紀70年代就開始建立示范性的煤矸石發電項目[14]，經過40多年的發展，低熱值煤資源發電產業不斷壯大，截至2019年底，煤炭行業資源綜合利用發電機組裝機規模達4 100萬kW，其中煤矸石、煤泥資源綜合利用裝機規模約3 000萬kW，低熱值煤發電裝機規模近1 100萬kW，根據中電聯發布的數據顯示，2019年底全國煤電裝機規模約為10.5億kW，按此計算煤炭資源綜合利用發電裝機占全國煤電裝機的比重仍不足4%，因此在低熱值煤資源燃燒發電的市場潛力巨大。2010-2019年我國煤矸石和煤泥發電情況如圖5所示[15]。

圖5 2010-2019年我國煤矸石和煤泥發電情況

煤矸石和煤泥等低熱值煤燃料用于發電，可以減少原煤的消耗，對于火電企業具有一定的降成本作用，根據圖5的數據測算，2010年煤炭資源綜合利用電廠當年消耗處置煤矸石(煤泥)量在1.06億t左右，占當年利用總量的29%，回收能量折合標煤3 300萬t；2019年煤炭資源綜合利用電廠消耗煤矸石(煤泥)量增加至1.51億t，占總量的比重為28.8%，回收利用能量折合標煤4 700萬t[15]。

隨著火電市場壓力加大，煤電一體化的推進、產業集中度上升以及資源節約利用與環保政策的要求，預計未來我國煤矸石和煤泥的發電量將會保持持續穩定的增長態勢[16]。此外，這些低熱值煤完全用于發電，將為當地節約可觀的運力資源和土地資源，為進一步提升煤炭終端消費環節產品質量提供保障，大力發展低熱值煤資源發電非常迫切且十分必要。

4 低熱值煤的循環流化床燃燒技術

目前對于灰分相對較低、熱值相對較高的煤矸石和煤泥基本上可以實現直接燃燒發電，但對于大量高灰分、低熱值的煤矸石和煤泥，直接用于燃燒發電在運行穩定性方面仍存在一定技術難度。根據我國《煤矸石綜合利用管理辦法(2014年修訂版)》中提出的要求，用于CFB燃燒發電的煤矸石混合燃料熱值應低于12.56 kJ/kg。對于發熱量在3.35～6.28 kJ/kg之間的超低熱值煤矸石直接用于燃燒發電則非常困難[17]，而對于高水分、高灰分、固體粒度很細的煤泥直接燃燒也存在燃燒穩定性差、燃燒效率低下以及污染物排放高的問題。進一步探索低熱值甚至超低熱值煤矸石和煤泥的直接燃燒發電，是行業內亟待解決的關鍵問題。

4.1 循環流化床燃燒低熱值煤的優勢

循環流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)技術，作為重要的清潔煤燃燒技術，具有燃料適應性廣、負荷調節能力強、燃燒效率高、污染物排放低等優點[18-22]，CFB鍋爐爐膛內的流態化燃燒特點使其成為燃用矸石和煤泥等低熱值燃料的燃燒創造了有利條件，使其成為了目前工業化綜合利用低熱值煤資源的最佳途徑。煤矸石和煤泥在CFB鍋爐中摻燒的方式非常普遍，技術也非常成熟，近年來也有報道關于CFB鍋爐純燒超低熱值煤矸石和高水分煤泥的案例[23]，通過在CFB鍋爐上采用特殊的設計以適應更低熱值燃料的燃燒，取得了良好的應用效果。

4.2 循環流化床燃燒低熱值煤的關鍵設計

循環流化床作為“一進二出”的寬篩分物料平衡體系[24]，系統的平衡是指各個粒徑的顆粒進出流率均達到平衡。爐膛內的顆粒粒徑分布、燃料分布是影響鍋爐運行及其性能的關鍵因素[25]。根據理論研究和實踐經驗，YUE[26]等研究專家提出了CFB流態圖譜，使用流化風速和循環流率這2個物理量，來描述密相區以上的快速床狀態。CFB鍋爐在燃燒低熱值煤矸石和煤泥時，需要針對其燃料的特點進行特殊的考慮，其中最重要的是燃料在燃燒過程中的成灰特性，這影響了爐膛內的流態結構以及循環回路中的物料平衡，而在實際的操作過程中分離器效率、排渣效率以及回料閥的性能是其中的關鍵點[27]。

燃料在CFB鍋爐爐膛內的燃燒以及顆粒之間的不斷碰撞會形成不同粒徑的顆粒，雖然煤矸石和煤泥等低熱值燃料的特性與一般的原煤差別較大，但仍可以采用煤的本征成灰特性進行研究，根據燃料的本征成灰特性研究方法[28]，獲得了某典型低熱值煤矸石生成的不同粒徑顆粒的比例，矸石本征成灰特性如圖6所示。

圖6 矸石本征成灰特性

由圖6可以看出，不同粒徑檔位的矸石生成的不同粒徑灰樣的比例各不相同，0～0.3 mm粒徑檔位的矸石顆粒燃燒后得到的細顆粒(小于0.03 mm)最多，約為18%，其他粒徑檔位的矸石顆粒燃燒后得到的細顆粒相對較少，這主要是由于煤矸石中水分含量低且灰層較硬，因此相比于原煤，其磨損特性較差。根據圖中對寬篩分原始煤矸石中6個檔位粒徑的本征成灰特性結果進行計算，原始煤矸石燃燒后顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的顆粒所占比例約為14%，而這部分粒徑的顆粒屬于構成CFB鍋爐循環物料的關鍵粒徑范圍。

此外，煤矸石特別是高灰分含量的超低熱值煤矸石揮發分較低，煤矸石熱解后難以形成多孔的焦炭，又由于其燃燒過程中形成的較厚的灰殼，增加了傳質阻力，阻礙了氧氣與內部焦炭的反應，導致了煤矸石內部燃燒不完全[17]。因此，在CFB鍋爐燃燒超低熱值煤矸石時，需同時考慮煤矸石的燃盡以及外部循環物料濃度的構建，必須考慮優化入爐煤矸石粒徑以及與之匹配旋風分離器的效率等關鍵因素。

根據燃料的本征成灰特性研究方法，獲得了某典型低熱值煤泥生成的不同粒徑顆粒的比例。煤泥本征成灰特性如圖7所示。

圖7 煤泥本征成灰特性

由圖7可以看出，原始煤泥的粒徑比較細，顆粒粒徑都在0.3 mm以下，煤泥燃燒后生成的細顆粒(小于0.03 mm)比例很高，達71%。由于原始煤泥的整體顆粒粒徑較細，因此只取其中一個檔位的原始煤泥粒徑進行分析，經過計算可知，原始煤泥燃燒后生成顆粒粒徑在0.06～0.20 mm檔位的顆粒比例只有7%，這并不利于常規CFB鍋爐快速形成外部循環物料的濃度。

CFB鍋爐燃燒低熱值煤泥，則需要重點考慮旋風分離器的效率，充分利用高效分離器的飽和夾帶能力，提升外部循環物料的濃度，同時優化床料存量，避免高灰分煤泥可能帶來的循環流率增高引起的返料器波動問題[29]。曾有報道某300 MW的CFB鍋爐大比例摻燒煤泥后出現返料器震動的現象。另外，高水分團狀煤泥在爐膛內的燃燒形態變化，涉及的煤泥給入位置也是需要重點關注的研究內容。

因此，針對CFB鍋爐燃燒矸石和煤泥等低熱值燃料，主要關注的技術要點包括，合理的匹配旋風分離器效率，提高床料質量；高通量回料閥，保證穩定返料；低阻防漏風帽，同時保證布風均勻；優化受熱面結構，提高換熱效率及防磨；合適的燃料粒徑控制及燃料給入位置等。

4.3 循環流化床燃燒低熱值煤的污染物控制

CFB鍋爐在污染物控制方面具有先天的優勢，由于其爐膛內均勻的中溫燃燒方式，避免了熱力型NOx的生成，且爐內存在大量的還原性循環物料，使得NOx原始排放濃度遠低于其他燃燒方式；而通過爐內添加石灰石的干法脫硫方式，CFB鍋爐也能實現90%以上的脫硫效率[30]，因此在國家新的大氣污染物排放標準(GB13223-2011)發布前，CFB鍋爐在主要大氣污染物(NOx、SO2)的排放方面幾乎沒有壓力。

近年來我國大氣環保標準的要求日趨嚴格，隨著常規燃煤電廠超低排放要求的實施，CFB鍋爐也面臨著巨大的排放壓力，特別是燃用煤矸石和煤泥的低熱值電廠，存在入爐燃料高灰分、高水分、高硫分以及燃料粒度變化較大的特征，導致CFB鍋爐的NOx和SO2排放量較大，難以實現清潔排放[31]。

影響CFB鍋爐主要大氣污染物(NOx和SO2)排放的因素很多，除了燃料的固有特性外，鍋爐的運行參數對于其排放的影響較大，主要體現在鍋爐負荷、運行床溫、一二次風配比、燃燒氧量、給煤粒度等，目前在這方面的研究也取得了大量有價值的成果[32]，使得CFB鍋爐在控制污染物排放方面的能力不斷提高，可以指導CFB鍋爐的優化設計和運行。現階段對于CFB鍋爐中NOx和SO2的爐內協同控制成為了研究的重點問題，在CFB燃燒過程中氧量對于NOx和SO2原始排放濃度的影響趨勢相反[29]，同時作為爐內脫硫劑的石灰石，也會顯著影響NOx的原始排放濃度，CFB鍋爐在實際運行過程中，NOx和SO2排放呈現“峰谷相對”的特征，CFB鍋爐NOx與SO2排放關系如圖8所示。

圖8 CFB鍋爐NOx與SO2排放關系

由圖8可以看出，當投入石灰石過量時，SO2可以實現近零排放，但與此同時NOx的排放出現峰值，表現為循環流化床鍋爐NOx排放水平隨Ca/S的增加而上升[33]。因此，在協同控制SO2和NOx這2種污染物時，需關注此種效應，不可因片面追求高脫硫效率而忽視其對NOx生成的促進作用。

隨著對CFB燃燒技術低排放潛力的進一步挖掘，通過改善CFB爐膛內的床料質量，包括提高爐膛內循環物料均勻性、降低循環物料粒徑以及增加循環顆粒濃度[34-35]，均可有效地降低燃燒過程中NOx的生成。同時，采用細顆粒石灰石的爐內脫硫方式，也可以避免對于NOx排放濃度的增加[36]。

從目前已經運行的燃用煤矸石和煤泥的CFB鍋爐來看，雖然煤泥、煤矸石等低熱值燃料對循環流化床鍋爐的環保性能有一定的影響，但仍可以通過CFB燃燒技術的進步以及運行技術的優化來實現較低的原始污染物排放，此外配合爐外的脫硫、脫硝與除塵設備實現燃用低熱值燃料條件下的超低排放效果。

5 循環流化床發電應用前景分析

5.1 發展循環流化床發電的重要意義

從循環流化床發電技術發展現狀看，對于低熱值燃料的適應性、鍋爐大氣污染物控制等方面，均已達到國家相關標準的要求。以2019年為例，煤炭行業現有的4 100萬kW煤矸石綜合利用電廠和低熱值煤電廠，每年利用的低熱值煤資源量為1.51億t(不含中煤)，不到全國當年產生量的50%，與2011年國家能源局在《關于促進低熱值煤發電產業健康發展的通知》文件中確定的低熱值煤發電裝機7 600萬kW的目標，仍有較大的差距。

隨著2030年碳達峰目標和2060年實現碳中和愿景的能源戰略確立，在煤炭基礎能源地位短期難以改變的情況下，“十四五”及今后一個時期，國家對提高煤炭清潔高效水平的要求必將進一步提高，終端消費環節對煤炭產品質量的要求在環保排放、能源雙控約束和碳減排等條件下也會隨之提高，通過提高煤炭利用效率實現降低煤炭能源消費占比和減碳目標。可以預見，繼續擴大和發展煤炭洗選加工，提高遠距離運輸煤炭產品的質量，實現精煤外運、低熱值煤資源就地轉化，降低運輸損耗將是大勢所趨。在主要產煤地區的大型煤炭礦區，發展以低熱值煤為主要燃料的循環流化床綜合利用發電項目，是實現煤炭綠色高質量發展的重要舉措。

5.2 低熱值煤資源排放日趨集中且大量資源有待利用

近年來，隨著煤炭供給側結構性改革和煤炭行業去產能工作的推進，煤炭生產格局發生了較大的變化。根據國家統計局和各地發布的煤炭產量數據，分析排名前10的主要產煤省份煤炭產量情況變化可以看到，2010年排名前10的省份煤炭產量占全國煤炭產量的81.8%，晉陜蒙寧新五省(區)占全國產量的60%；2015年排名前10的省份煤炭產量占比上升至87.9%，晉陜蒙寧新五省(區)占比上升至70.3%；2019年排名前10省份煤炭產量占比增至92.7%，晉陜蒙寧新五省(區)占比上升至78.9%。煤炭產能進一步向煤炭大省集中，這也意味著洗選比例進一步提高后新增的低熱值煤資源排放也向這些區域進一步集聚，當地現有的煤矸石綜合利用電廠和低熱值煤電廠對低熱值煤資源的消納能力完全無法滿足當地的需求，大量低熱值煤資源有待資源化利用。

5.3 應用前景分析

從技術發展的角度看，困擾循環流化床發電技術在低熱值煤消納利用和處置方面的問題，目前已基本得到解決，污染物超低排放、空冷技術應用、安全穩定和機組效率等方面已得到實踐驗證，在滿足環境容量和生態承載力、電網消納空間的前提下，優先建設循環流化床低熱值煤綜合利用一體化發電項目，可以有效緩解煤炭資源分布與煤炭主要消費區逆向分布的矛盾，提高煤炭清潔利用水平。從能源稟賦條件和能源產業發展的趨勢判斷，我國的煤炭生產和消費需求在“十四五”期間仍將保持在較高水平。隨著煤炭產能進一步向晉陜蒙寧新等主要產煤省(區)集中，在煤炭入選比例繼續增長的情況下，每年的新增低熱值煤資源量也將保持高位。以2019年煤炭產量、原煤入選情況測算，當年未進入煤矸石綜合利用電廠和低熱值煤電廠進行燃燒發電的低熱值煤量在1.7億t左右。這部分資源主要以堆存的方式棄置不用，部分通過各種渠道進入如民用散煤、工業散煤等流通環節，存在較大的環境污染隱患。綜合技術現狀和資源情況可以看到，發展低熱值煤循環流化床發電仍有較大的潛力和空間。

6 結語

(1)我國煤炭資源大規模開發利用規模和原煤入選率的不斷提高，產生了大量的煤矸石、煤泥等低熱值煤資源，其總體利用率仍然較低，導致煤矸石、煤泥的歷史存量不斷累積，煤矸石、煤泥長期堆放嚴重影響礦區生態環境，占壓土地資源，影響煤炭行業綠色高質量發展。

(2)燃燒發電是大規模資源化處理低熱值煤資源的主要途徑，可以大量、快速地實現煤矸石和煤泥的消納，提高煤炭的整體利用價值。我國現有低熱值煤資源發電機組的容量占全國火電總裝機容量的比例很低，大力發展低熱值煤資源發電十分迫切，市場潛力很大。

(3)CFB鍋爐在低熱值煤資源燃燒發電方面具有獨特的優勢，通過進一步的CFB燃燒技術基礎研究及關鍵技術研發，可實現CFB鍋爐直接燃燒超低熱值的煤矸石和煤泥，同時解決燃燒過程中污染物排放的問題，在更大的范圍內實現對低熱值煤資源的清潔高效利用。

因此，大力發展低熱值煤資源的CFB燃燒發電，實現對煤矸石、煤泥等低熱值煤燃料的大規模資源化利用對提升我國煤炭清潔高效綠色發展水平、推動產業綠色高質量發展具有重要的意義。