循環流化床燃燒低污染排放技術研究展望

柯希瑋 ，蔣苓 ，呂俊復 ，岳光溪

（1.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；2.熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084）

一、前言

2019年，我國一次能源消費總量約為3.97× 109tce，煤炭消費占比達68.6%，遠超同期全球煤炭消費比重（27%） [1,2]。盡管在“雙碳”目標壓力下必須控制煤炭等化石能源消耗，但出于能源安全、調峰等角度考慮，仍需保有一定的火力發電機組及供熱機組。因此，煤炭資源的清潔開發利用是我國能源行業的必然發展趨勢與長期研究熱點 [3]。在各類潔凈煤技術中，循環流化床（CFB）燃燒技術因其燃燒效率高、負荷調節性能好、燃料適應性廣等特點，逐步發展成為主流的燃煤發電技術。我國自20世紀80年代從國外引進小型中壓CFB鍋爐技術開始，經過持續努力，在CFB燃燒技術方面取得長足進步。2009年，世界首臺600 MW超臨界CFB鍋爐在國電四川電力股份有限公司白馬電廠成功投運；近年來百兆瓦級CFB鍋爐機組投產容量增長約為6 GW/a，未來仍有寬闊的市場空間[4,5]。

CFB鍋爐的突出優勢在于以較低成本實現污染物排放控制 [6,7]。在燃燒過程中，向爐內添加合適粒度的石灰石顆粒來引發固硫反應，可脫出煙氣中的絕大部分SO2。對于NOx排放，CFB鍋爐與煤粉爐相比，因燃燒溫度適中且爐內溫度分布均勻、燃燒區還原性氣氛明顯、存有大量還原性物料，具有低NOx排放的天然優勢。大量運行實踐表明，在床溫設計合理、氧量調節得當、鈣硫比適中的條件下，CFB鍋爐的爐內脫硫效率通常為85%～95%，NOx原始排放可控制在200 mg/m3以內，能夠滿足大多數國家和地區的污染物排放要求。

也要注意到，隨著生態文明建設得到更多重視，特別是CO2減排形勢嚴峻，近年來對傳統化石能源的利用收緊且逐步朝著精細化方向發展。在我國，淘汰落后產能、推進煤電機組綜合節能改造的步伐不斷加快，燃煤大氣污染物排放標準更為嚴格；2013年興起的超低排放標準（NOx＜50 mg/Nm3、SO2＜35 mg/Nm3、煙塵＜10 mg/Nm3）已成為新增發電項目核準、現有火電廠繼續運行的“通行卡”。以盡可能低的成本來降低各種污染物的排放水平，成為驅動CFB燃燒技術未來發展的主要動力。

本文對主流CFB鍋爐污染物排放控制技術進行梳理，重點分析新形勢下CFB燃燒技術需求及相應的污染物排放問題，就CFB技術應用方向進行探討，提出相關發展建議。

二、CFB燃燒低污染排放技術的發展現狀

（一）低氮燃燒和爐內脫硫

面對極為嚴格的超低排放要求，傳統的低氮燃燒、爐內脫硫技術面臨挑戰。燃用高硫煤時僅靠爐內脫硫難以保證SO2達標排放；當設計偏差導致床溫過高、一次風比例過大或燃用高揮發分褐煤時，NOx原始排放可能遠超限值。此外，低氮燃燒和爐內脫硫之間存在一定矛盾，前者重在降低燃燒中氧量并盡量強化還原性氣氛，后者則需要盡可能在氧化性條件下進行。在實際運行中發現，向CFB鍋爐內投放石灰石會造成NOx排放升高，特別是燃用高揮發分煤種 [8,9]。

強化低氮燃燒，優化爐內噴鈣脫硫工藝，從源頭上同步降低爐膛出口處NOx、SO2排放濃度，仍是當前研究和工程實踐中的首選減排方案。例如，某超超臨界CFB鍋爐完全依靠爐內石灰石脫硫實現了SO2達標排放，無任何尾部煙氣脫硫措施 [10]，這對爐內脫硫效率提出高要求。已有研究 [11～13]表明，通過流態重構、燃燒組織并配合采用超細石灰石，有可能實現NOx、SO2原始雙超低排放。這將明顯提高CFB鍋爐在低成本污染控制方面的競爭力。

（二）煙氣再循環

引入煙氣再循環（FGR）系統后，利用尾部煙氣低溫低氧的特點，可在一定程度上降低爐膛底部燃燒區的溫度、強化還原性氣氛，從而有效抑制NOx的原始生成。更重要的是，這種做法改善了CFB鍋爐在低負荷工況下的運行性能，拓寬了深度調峰能力 [14,15]。FGR系統已在一批工業CFB鍋爐上得到成功應用。

需要注意的是，隨著再循環煙氣量的增加，流化風速增大，爐內設備的磨損有所加重；由于床溫和密相區氧濃度的降低，可能導致未完全燃燒熱損失增加，從而降低鍋爐效率；再循環煙道、一次風室等處的腐蝕問題也需關注，避免風煙混合后溫度低于酸露點；循環風機運行帶來的額外電耗也是影響因素。為此，應綜合考慮低負荷運行性能、低氮燃燒和運行經濟性等因素，合理設計再循環煙氣量范圍。

（三）尾部煙氣污染治理技術

為確保電廠在所有工況下都能穩定維持污染物的超低排放水平，大多數CFB鍋爐機組，尤其是大型超臨界/超超臨界鍋爐都配有尾部煙氣脫硫脫硝和除塵裝置。常見的CFB鍋爐脫硫脫硝技術路線如圖1所示。

圖1 常見的循環流化床鍋爐整體脫硫脫硝和除塵技術路線

獲得推廣應用的煙氣脫硝技術主要有：選擇性非催化還原（SNCR）、選擇性催化還原（SCR）、循環氧化吸收協同脫硝（COA）。SNCR技術因其投資和運行成本較低、系統簡單，配合爐內低氮燃燒后基本能夠實現NOx達標排放，特別適合于存量鍋爐的技術改造。相較而言，SCR技術雖然投資成本偏高、系統布置比較復雜、存在催化劑中毒失效等問題，但脫硝效率高、效果穩定，對溫度要求較低，工況適應性更好，尤其在低負荷下也能實現對NOx的有效脫除。COA工藝通常作為二級脫硝系統，搭配半干法脫硫塔等來進行組合使用，在中小型CFB鍋爐上已有不少應用，但關于大型燃煤電站鍋爐的報道尚不常見。

煙氣脫硫技術中，石灰石-石膏濕法脫硫工藝因其技術成熟、脫硫效率很高、脫硫效果穩定、副產物石膏可以二次利用，在燃煤鍋爐煙氣脫硫市場中占有率最高 [16]。煙氣循環流化床半干法（CFBFGD）脫硫工藝雖然相較濕法脫硫效率略低，但占地面積小、耗水量低，無脫硫廢水和煙羽問題；可同時脫除SO3、重金屬等，可直接利用爐內脫硫未反應完全的CaO顆粒，適合于CFB鍋爐的超低排放技術路線 [17]。其他一些煙氣脫硫技術，如海水法、噴霧干燥法、電子束法、氨法等，雖已有部分煤粉爐、工業窯爐采用，但很少有CFB鍋爐應用的工程案例報道。

此外，解耦燃燒、高溫低氧空氣燃燒、雙床-多床組合、多流程循環流化床等非常規CFB燃燒技術，雖然未達到工程成熟應用的程度，但也吸引了大批學者的關注 [18,19]；已有一些實驗室研究和小規模中試實驗表明，這些新興技術具有原始低污染排放的潛力。

三、CFB燃燒低污染排放技術的應用方向探討

（一）降低污染物排放治理成本

隨著超低排放要求的推行，加之未來可能面臨更加嚴格的污染物排放標準，大批存量CFB鍋爐，特別是中小型鍋爐需要進行低污染排放技術改造。尾部煙氣高效脫硫脫硝和除塵技術盡管能夠保證絕大多數鍋爐穩定達標排放，但明顯增加了電廠投資規模和運行成本。如某燃用褐煤的大型CFB鍋爐電廠，NOx原始排放高達350～450 mg/Nm3，需要增設尾部SCR系統脫硝，運行費用約1000萬元/年。這與CFB鍋爐低污染排放控制的優勢相悖，不利于電廠的可持續發展。因此，有必要探索適應性良好的CFB鍋爐工程減排技術，盡可能以低的成本進行存量鍋爐超低排放改造；同時尋求CFB燃燒技術的原理突破，開發新型低成本污染物控制技術。

（二）脫硫灰渣利用

長期以來，燃煤電廠灰渣采用簡單的堆放或填埋處理，占用了大量土地資源，增加了電廠運行費用和發電成本（土地征用費、填埋費等）。廢渣含有的堿土金屬、少量重金屬物質等，對土壤、水體也有不同程度的污染，可能帶來一系列環境和社會問題。灰渣含有大量有效成分而未得到充分回收利用，造成資源的潛在浪費。隨著能源消費量、燃煤發電機組數量的增加，處理持續增多的固體廢棄物已成為電力行業必須考慮的迫切問題。

隨著SO2氣體排放受控力度的不斷加大，越來越多的CFB鍋爐通過向爐內噴入石灰石等鈣基脫硫劑來脫除部分SO2，同時大量投運CFB半干法、石灰石-石膏濕法等尾部煙氣脫硫系統。爐內脫硫、尾部干法或濕法脫硫，都會產生大量的脫硫灰副產物。鈣基脫硫劑的使用不僅使灰渣量增加，在理化性質上也與普通煤粉爐灰渣表現出明顯不同，這就導致很多適用于煤粉爐粉煤灰的技術路線可能不再適用于脫硫灰渣處理。例如，受限于燒失量、粒度、化學組成，CFB鍋爐脫硫灰渣直接用于生產水泥制品、回填材料、混凝土等均受到限制 [20]。

（三）N2O排放問題

CFB燃燒具有低NOx排放優勢，然而在很多工況下的N2O排放濃度較高，有時甚至高達數百毫克/立方米，超過了NO排放濃度 [21]。盡管N2O對人體健康和環境的危害尚不及NOx、SO2，《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）、《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》等也未將之列入大氣污染源予以控制，但作為主要的溫室氣體之一，相關排放問題在全球氣候變化的大背景下日益受到關注。

CFB燃燒條件下的N2O排放特性在很多方面的表現與NOx相反。例如，在高溫條件下N2O分解速率顯著加快，通常N2O排放隨著溫度升高而降低，這是高溫煤粉爐N2O排放濃度低于CFB鍋爐的重要原因。將N2O納入減排指標，實現與NOx、SO2等的同步脫除，成為CFB研究與應用方面越來越重要的問題。

（四）新能源發展背景下的CFB深度調峰問題

盡可能地降低煤炭等化石能源在一次能源消費中的占比，提高太陽能、風能、生物質能等可再生能源的比例，已經成為世界性共識。根據國際可再生能源署發布的《2020可再生能源統計》報告 [22]，2019年世界風能、太陽能的新增裝機容量分別為622 GW、579 GW，同比增加10.5 %、20.3 %。

在我國，盡管“多煤少油缺氣”的能源稟賦決定了煤炭在能源結構中的基礎性地位，但對各種新能源的支持力度從未放松。2019年我國風能、太陽能的新增裝機容量分別為210 GW、205 GW，均位居世界第一；2008—2018年，我國生物質產能年均增長率約為5.3 % [2]。在大力發展新能源的背景下，以煤炭為基礎的CFB燃燒及其低污染排放控制技術的發展面臨更高要求；在追求煤炭更加清潔高效利用的同時，亟需開發新的技術增長點，保持CFB技術的轉型升級態勢。

發展新能源的關鍵舉措之一是提升對新能源的消納和存儲能力，為此需要一定數量的燃煤發電機組來承擔深度調峰任務，提升能源系統的彈性運行能力并確保電網安全性。CFB鍋爐由于采用大量固體床料，蓄熱量大、爐膛溫度分布均勻、穩燃性能好，具有低負荷運行的天然優勢；但因其熱慣性大、燃燒滯后、主汽壓力響應慢，變負荷能力略不及煤粉鍋爐 [23]。NOx、SO2等排放的污染物也會隨著CFB鍋爐負荷的升降而發生變化。以NOx為例，低負荷可能使噴氨處的煙溫偏離SNCR最佳溫度窗口，降低脫硝效率；循環物料量的減少也會使床質量下降，爐底存在超溫的風險，使得NOx原始生成量增加。在CFB鍋爐啟停或快速變負荷的過程中，NOx、SO2排放濃度往往出現明顯波動，嚴重時可瞬時超限 [24,25]。

（五）其他污染物治理

工業生產、日常生活會產生大量廢水、廢氣、固體廢棄物（“三廢”）。隨著經濟發展、城市人口快速增長，“三廢”和城市垃圾制造與日俱增，如不妥善處置，將嚴重影響生態環境和居民健康。據統計，2017年我國廢水排放總量接近7×1010t，城市生活垃圾清運量超過2×108t；用于環境污染治理的投資總額約為9500億元，其中工業污染源治理投資約為680億元。

CFB燃燒具有燃料適應性廣、燃燒穩定、低NOx和低SO2原始排放等優勢，在工作原理上特別適合“三廢”和城市垃圾的無害化處理。在此狀態下，發電或供熱不再是鍋爐的主要任務，垃圾處理量成為衡量運行效率的主要指標。

四、碳達峰和碳中和背景下的新一代CFB燃燒技術

當前，全球變暖、環境問題越發受到重視，減少CO2排放成為世界性的焦點問題。中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。新的宏觀形勢，要求能源系統及時開展顛覆性變革，也要求我國煤炭需求提前達峰。CFB燃燒技術可在節能、替代、捕集三方面同時發力，更好支持國家重大戰略目標的實現。

（一）開發超臨界/超超臨界CFB鍋爐機組，推進中小型機組的節能減排改造

盡可能提高發電效率、減少煤耗，這是節能的主要方面之一。將低成本污染控制的CFB燃燒與高效發電的超臨界蒸汽循環結合，開發大容量、高參數的超臨界/超超臨界CFB鍋爐技術；對標已有的百萬兆瓦等級超超臨界煤粉鍋爐（如外高橋三期1000 MW超超臨界燃煤發電機組），開展相應示范工程特別是坑口電站建設仍顯必要。

由于蒸汽參數提高，爐膛尺寸放大，分離器、外置床等結構調整，超臨界/超超臨界CFB鍋爐的物料平衡、爐內燃燒、污染物排放特性，與小容量CFB鍋爐相比有著明顯區別；特別是大容量CFB鍋爐普遍面臨的爐膛均勻性問題，可能會成為限制SO2、NOx等污染物原始低排放的主要因素。

以新技術對現有的CFB鍋爐機組進行全面節能減排和靈活性改造以實現存量優化，必要時做到有序退出，也是節能的重要方面。值得注意的是，小容量鍋爐在靈活性方面可能優于大鍋爐機組，加之我國大多數大型燃煤電站常處于低負荷運行狀態，因此在同等輸出功率下高負荷運行的小型亞臨界CFB鍋爐的經濟性往往更優。從能源安全角度考慮，保留一定數量的分布式小機組也是必要的。

（二）發展生物質CFB燃燒技術，合理分配煤炭資源

從宏觀上看，生物質燃料可視為CO2零排放，屬于環境友好型的可再生能源，將是化石能源退出后的主要替代燃料之一。與之相應的生物質CFB燃燒或氣化技術具有廣闊的市場前景。然而，“替代”對煤炭而言不是完全取代，短期內在我國尚不現實；另一層含義是對煤炭資源合理分配，做到物盡其用。如圖2所示，對于低灰低硫的優質煤種，可用作煉焦、煤化工等，或用于高效煤粉鍋爐；對其他劣質燃料（如高硫無煙煤），煤炭開采和加工過程中產生的大量煤矸石、煤泥、洗中煤等低熱值副產物，CFB燃燒技術是規模化利用的優選方式。這種處理方式，既可滿足能源需求，又將避免劣質燃料資源的浪費，還可支持保護環境，實現廣義上的節能與碳排放降低。

圖2 CFB燃燒技術處理劣質燃料

需要指出的是，這些劣質燃料的燃燒、成灰、污染物生成特性，與煤相比又有很大區別。若不進行針對性的設計調整，有些燃料投入CFB鍋爐燃燒后的NOx、SO2原始排放濃度甚至高于常規煤種，達不到超低排放要求。為此，需要單獨研究各種劣質燃料與CFB燃燒技術的結合特性。

（三）與碳捕集、利用與封存技術相結合

碳捕集、利用與封存（CCUS）技術是煤電實現碳中和的潛在有效方式。將高效低污染的CFB燃燒與CCUS技術相結合，將是我國以化石能源為主的高碳經濟向低碳能源體系轉型的重要支撐技術，相關研究包括以下三方面。①推動開發高效低能耗的CFB富氧燃燒技術、化學鏈燃燒技術等CCUS前端技術，實現煙氣中CO2富集，有利于后續CO2捕集封存和再利用。②通過爐內流態重構和燃燒調整，強化污染物原始低排放，輔以尾部高效脫硫脫硝和除塵系統，減少煙氣中的NOx、SO2、粉塵、重金屬等污染物雜質，利于富CO2煙氣的后續利用。③基于CFB燃燒燃料適應性廣的優勢，在燃用生物質、城市垃圾等的CFB鍋爐上加裝碳捕集與封存裝置，實現CO2零排放甚至負排放。

特別的是，對于兼具工業廢棄物處理需求、CO2利用前景的場合，CFB燃燒是支持綠色碳循環產業園建設和運行的優選方式。例如，在石油生產及加工過程中產生的大量石油焦等副產物，可利用CFB鍋爐燃燒來消化；在提供熱能或電力的同時，鍋爐尾氣CO2富集后直接打入地下，利用CO2驅油來提高采收率，實現雙贏。

（四）提高電廠運行靈活性，與新能源電力協調發展

需充分考慮風能、太陽能、水能、核能、燃氣機組、煤粉鍋爐、CFB鍋爐等各發電系統及用電側電力需求特點，在全網范圍內合理安排各發電單元負荷，盡量保證機組在最高效率點運行，減少負荷快速變動。可考慮引入大數據、人工智能等新理念、新技術手段，實現智慧調度。對CFB鍋爐機組而言，了解并掌握其在低負荷、變負荷工況下的燃燒、污染物排放、水動力等特性，為實施智能優化控制提供良好基礎。

另外，可將CFB發電技術與儲能技術相結合，開發高效、安全、便捷的大規模或分布式儲能技術，以彌補CFB鍋爐在變負荷能力方面的不足，提高機組運行靈活性、深度調峰能力，支持對新能源電力的消納，促進“新舊”能源協調發展。

五、CFB燃燒技術發展與應用建議

（一）重點發展爐內原始低排放技術

以分離器效率為代表的循環系統性能，與過量空氣系數、分級配風等密切相關的爐內氧量控制，與受熱面布置、排渣等運行條件有關的爐膛溫度調節，入爐煤與石灰石粒徑，燃料與石灰石給入位置等因素，均對NOx原始生成量、爐內脫硫效率構成不同程度的影響。相關設計或運行參數的變化，都可能影響到爐膛出口處的NOx、SO2排放水平，自然存在污染物源頭排放較低的優化參數組合 [26]。

建議繼續重點發展爐內原始低排放CFB燃燒技術，通過流態重構、燃燒組織來突破傳統CFB鍋爐的NOx、SO2排放極限，實現CFB燃燒自身低污染排放的深度挖潛。探索燃料再燃、混燃、分級燃燒、添加催化劑等多種方式，在弱化對NOx排放影響的前提下降低N2O原始排放濃度，進一步提高CFB鍋爐的應用可靠性、技術先進性、市場競爭力。

需要強調的是，在追求低污染排放的同時，不宜以明顯降低CFB鍋爐熱效率為代價，否則增加能源消耗，從全局來看存在污染物排放總量無法降低的可能。因此，在發展新型污染排放控制技術的同時，仍需全面、客觀地評估新技術對鍋爐及電廠效率的影響，盡量追求節能與減排的“雙贏”。

CFB鍋爐污染物排放除了受爐內氧量、溫度的影響之外，還與循環系統性能、床料流化狀態、給料粒度、風煤混合均勻性等多種因素有關。這些因素與鍋爐效率之間也并非簡單的“此消彼長”式關系；在一些情況下，采用低氮燃燒、爐內脫硫技術，可以同時滿足原始超低排放與高效燃燒的需求。因此，針對不同容量的CFB鍋爐、復雜的燃料來源，首先應探索合適的設計及運行參數組合，在不明顯影響鍋爐效率的前提下盡可能降低污染物原始排放水平（不一定需要直接超低排放），由此降低整體治理成本；然后根據各電廠的鍋爐狀態及現場情況，考慮各種脫硫脫硝工藝的特點，按照經濟性原則來優選下游污染物處理技術，由此滿足當地環保要求。

（二）高效利用脫硫灰渣，拓展CFB燃燒技術在污染治理方向的應用

推動CFB鍋爐脫硫灰渣在堿性土壤改良、復合肥料、路基材料、石膏和燒結磚生產、廢水治理等方向的高效利用，兼顧資源節約、環境保護、電廠運行經濟性。例如，對焙燒工藝和配方做適當調整后，脫硫灰可作為骨料來生產燒結磚、陶粒等燒結品，從而替代粘土磚；利用脫硫石膏替代天然石膏，進一步制備硫酸鈣晶須等高附加值材料；還有嘗試將脫硫灰改性后作混凝劑用于磷化廢水的治理等。

發揮CFB燃燒的燃料適應性優勢，推廣應用到污染物治理，如鋼廠燒結煙氣、城市污泥、含鹽廢水等，實現“三廢”、城市垃圾的低成本高效清潔利用。流化床料可以是惰性石英砂、煤顆粒，也可添加各類催化劑、氧化/還原劑、吸收劑、助燃劑等，從而變CFB燃煤鍋爐“污染源”為CFB反應器“污染治理點”。高效、安全、環保的流化床反應裝置，尤其是小型化、分布式設備具有迫切的現實需求和廣闊的市場前景。在開展CFB燃燒處理的同時，也需關注各類垃圾自身的燃燒和污染物排放特性，避免造成新的大氣污染，如二噁英、氯化氫、重金屬污染物等。

（三）合理制定污染物排放標準

我國現行《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）已是世界上最嚴格的環保標準，更不必說其后推行的燃煤超低排放要求；近年來又陸續提出了“超超低排放”“近零排放”等概念，各類污染物排放空間被進一步壓縮。嚴格的污染物排放標準有效推動了煤電行業節能減排改造，促進低污染排放技術進步，為生態環境改善作出了顯著貢獻，如2016年全國煤電行業SO2、NOx、煙塵排放量分別降至1.7×106t、1.55×104t、3.5×105t [27]。

需要指出的是，在沒有出現技術重大突破的條件下，相關治理成本隨污染物排放限值的降低幾乎呈指數增加。從全局來看，燃煤電廠在有限的發電負荷下為了降低數毫克的排放，可能造成更大的資源浪費和環境污染，如尿素、石灰石等脫硫脫硝劑的生產、運輸、存儲所伴生的問題。這種局面可能不是真正意義上的節能減排。已有研究 [27]也表明，2015年煤電行業的SO2、NOx、煙塵排放量分別僅占全國排放總量的12%、9.8%、3%，已不再是大氣污染物排放“大戶”。相比之下，熱力、鋼鐵、水泥等高耗能行業以及生活排放逐漸成為排放源頭的主要方面，而這些行業的排放標準還比較低。

因此，建議根據經濟性原則，從產業發展和技術進展的實際情況出發，站位于全局角度，制定相關行業的排放標準，綜合解決環境污染和資源消耗問題，積極引導包括CFB燃燒技術在內的能源行業健康發展。