煤粉爐摻燒固體替代燃料的現狀及展望

張彥軍，謝志成，劉海龍，馮鳴鳳，張艷賓，梅雪

（1.天津大唐國際盤山發電有限責任公司，天津 301907；2.天津市生態環境科學研究院，天津 300191；3.天津環科環境咨詢有限公司，天津 300450）

目前，火力發電煤炭消費量超過總煤炭消費量的一半，其碳排放量約占全國碳排放總量的50%，是我國最大的碳排放來源；同時，電力行業是未來10 年能源增長主體，是支撐我國經濟轉型升級和提高未來居民生活水平的重要保障?！?030 年前碳達峰行動方案》《全國煤電機組改造升級實施方案》等先后出臺，明確提出到2025 年，非化石能源消費比重達到20%左右，單位國內生產總值二氧化碳排放比2020 年下降18%，全國火電平均供電煤耗降至300 g 標準煤/（kW·h）以下，為實現碳達峰奠定堅實基礎。煤粉爐具有燃料燃盡率高、熱量釋放充分、煙氣熱損失低等一系列優點，是目前我國大型電站機組的主力爐型。截至2020 年底，我國電站鍋爐約8 000 臺，以煤粉鍋爐和循環流化床鍋爐為主，其中煤粉爐占80%以上。因此，研究先進的煤粉爐減煤降碳技術，對于推動電力行業綠色轉型，實現雙碳目標具有重要意義。

固體替代燃料（SRF）是一種以生產、生活等活動過程中產生的非危險廢物類可燃性固體廢物為主要原料，通過預處理、除雜、破碎、篩分、分選、成型等工藝制備，為各類用能單元提供熱能的燃料[1]。2021 年4 項團體標準的發布實施，使SRF 成為國內唯一的標準化替代燃料。用于制備SRF 的原料可來自生活垃圾、一般固體廢物、農林廢棄物、綠化植物廢棄物、建筑垃圾、水域垃圾以及其他各類可燃性固體廢物[1]，目前研究較多的生物質、垃圾衍生燃料、高熱值污泥均屬于非標準化替代燃料范疇。

燃煤電廠摻燒SRF 可以替代燃煤，減少化石燃料CO2排放，同時實現固廢的資源化、清潔化高效利用。文章對國內外煤粉爐摻燒替代燃料現狀、用于煤粉爐的SRF 制備技術和摻燒技術進行研究，在此基礎上分析SRF 在政策、技術、市場方面的制約因素并提出建議，以期為SRF 在煤粉爐中的推廣應用提供理論和技術支持。

1 煤粉爐摻燒替代燃料應用現狀

20 世紀80 年代，美國、歐洲等國家開始研究燃煤電廠摻燒廢棄物的技術應用[2]，從簡單預處理的粗放利用逐漸發展為細化的加工工序以及高質量替代燃料，主要原料包括生活垃圾、一般固體廢物、農林廢棄物、污泥等，現已成為發達國家處理廢棄物的重要途徑。2010 年，美國560 個燃煤機組中有40 個混燒替代燃料，所有的混燒機組均為煤粉爐，原料來源主要為木質產品、廢舊鐵路枕木等[3]。英國是目前唯一實現從大型燃煤電廠生物質耦合發電到大型燃煤電廠100%純燒生物質燃料的國家，并計劃于2025 年全部關閉燃煤發電廠，屆時英國將成為全球最早實現零煤發電的國家。目前英國全部16 座大型火電廠均進行生物質混燒發電，其中13 座均為容量超過1 000 MW 的大型燃煤火電廠煤粉爐，總裝機容量為25 366 MW。目前德國在役的替代燃料耦合發電廠大部分以污泥為主，其次包括秸稈和廢木屑，爐型主要為煤粉爐，少數為流化床。荷蘭N+P 回收公司及美國SSI 工程公司通過篩選熱值更高、水分更低的原料，制備出次煤及紙塑類替代燃料，磨粉后與燃煤十分接近[4]。

中國對替代燃料的研究起步較晚，最早在1996 年由中科院廣州能源所和太原理工大學利用生活垃圾制備替代燃料[5]。目前燃煤電廠摻燒替代燃料原料來源主要為生物質和污泥，如浙能長興電廠、浙能嘉興電廠、南京化學工業園熱電廠、常熟發電廠利用煤粉爐摻燒污泥，機組容量為330～1 000 MW，摻燒比為1%～8%[6]；華能山東日照電廠680 MW 機組（在建）采用直燃耦合的方式，將秸稈先進行制粉處理，再通過氣相輸送進入煤粉爐，熱量混燃比為5%[7]。目前燃煤電廠摻燒替代燃料處于探索性實踐階段，應用案例較少，且多為循環流化床鍋爐，摻燒比例較低，均為非標準化替代燃料。

2 煤粉爐適用固體替代燃料制備技術研究

2.1 物理屬性

根據煤粉爐的特點，煤粉爐對于用煤的熱值、灰分、全水分、粒徑都有相應要求。煤粉爐用煤按發熱量進行質量等級劃分，發熱量等級根據煤種和發熱量不同劃為16 個等級，最低要求為12.54 MJ/kg。為保證煤粉爐爐膛溫度及燃料燃燒的穩定性，SRF 熱值不宜與煤相差過大?；曳趾吭礁?，可燃成分越少，影響燃料發熱量?！渡唐访嘿|量發電煤粉鍋爐用煤》標準中指出灰分（Ad）應不大于35%，當35%＜Ad≤40%時，燃煤發熱量應不小于16.5 MJ/kg[8]。因此SRF 應限制灰分含量，并滿足相應熱值要求，避免對鍋爐系統的磨損及不良影響。水分含量會影響替代燃料的熱值，增加著火熱使著火困難，降低鍋爐效率，因此應限制SRF 水分含量。目前，團體標準《火力發電用固體替代燃料》中對煤粉爐用SRF 的低位熱值、粒徑、全水分、灰分等物理屬性提出指標要求，詳見表1[9]。

表1 煤粉爐用SRF 主要物理屬性指標

燃料的粒度對煤粉爐燃燒有著重要的意義，合適的粒徑可以提高煤粉爐燃燒效率，降低鍋爐飛灰可燃物損失。針對煤粉爐對粒徑要求嚴格的特點，應嚴格控制SRF 粒徑，團體標準《火力發電用固體替代燃料》中要求SRF 的粒徑應不大于1 mm[9]。對于難以破碎的SRF，需采取合適的制粉設備，如錘磨機、輥式磨煤機以滿足制粉需求，或對原料進行烘焙處理以增加能量密度和可磨性[10]。為提高SRF 對制粉系統的適應性，還可以將SRF 進行壓棒處理，便于磨制、運輸和儲存。

2.2 化學屬性

煤粉爐對燃料中有害元素含量也有一定要求。全硫、氯、磷元素的危害主要表現在對鍋爐設備及管道的腐蝕和玷污堵塞，降低鍋爐燃燒效率，增加大氣污染。汞和砷元素由于其極易揮發性和致癌毒性，通過燃煤燃燒排入大氣會對人類身體健康和環境造成很大危害。根據《商品煤質量發電煤粉鍋爐用煤》標準，對煤粉爐用煤的全硫含量、磷含量、氯含量、砷含量、汞含量提出了嚴格的要求[8]。

燃煤電廠的煙氣處理設施主要包括脫硫、脫硝和除塵設備。由于煙氣量大，較難進行改造，因此在SRF的制備過程中，需注重原料中污染物的源頭控制，嚴格控制SRF 中有害元素入爐量?！痘鹆Πl電用固體替代燃料》團體標準中對煤粉爐用SRF 提出化學屬性指標要求，詳見表2[9]。在SRF 制備完成后，應按規范進行采樣檢測，對標分析有害元素含量，確保有害元素含量達標入爐。

表2 煤粉爐用SRF 主要化學屬性指標

3 煤粉爐固體替代燃料摻燒技術研究

3.1 摻燒方式

煤粉爐摻燒SRF 發電通常有3 種技術路線，直燃耦合、氣化和蒸汽耦合[11]。直燃耦合是將磨粉后的SRF與煤粉一起送入鍋爐燃燒；氣化耦合是將SRF 燃燒或氣化后生成的氣體引入鍋爐發電；蒸汽耦合是煤與SRF 分別采用各自的燃燒系統即煤粉爐和SRF 鍋爐，兩者產生的蒸氣進入機組熱力系統耦合發電。氣化耦合和蒸汽耦合改造成本及運行成本都較高，是直燃耦合的4～9 倍[10]。直燃耦合技術和煤燃燒技術最接近，改造成本最低，更適合我國燃煤機組的現狀改造。

揮發分和水分含量是影響燃燒的關鍵因素，在直燃耦合中，對于揮發分較高的SRF，應控制送風溫度，適當調節一、二次風的風速，避免燃燒器提前著火進而造成燃燒器表面結焦或燒毀；對于含水率較高的SRF，應控制摻燒量并且與煤進行充分混合，避免堵塞煤倉下料口及磨煤機入口。考慮降低改造成本及減小對煤粉燃燒系統的影響，在實際改造過程中，SRF 通常從最上層噴入煤粉爐[12]。

3.2 摻燒比例

SRF 相對煤具有低灰分、高揮發分的特點，適量摻燒SRF 可以降低混合燃料的燃點、提高反應活性、提高燃燒速率，從而改善煤粉爐燃燒特性，提高燃燒穩定性。根據摻燒工藝，直燃耦合中利用備用磨煤機單獨磨制和共用磨煤機磨制的摻燒量質量比為5%～10%，利用SRF 專用磨煤機磨制摻燒量質量比最高為20%[13]。根據文獻調研國內燃煤電廠摻燒污泥、生物質的摻燒比情況，見表3[6，7]。由表3 可知，摻燒比例大都小于10%。綜合考慮煤粉爐對粒徑的要求及對制粉系統出力的影響，直燃耦合初期摻燒比例控制在10%以下，待鍋爐系統能夠穩定運行后可逐漸提高。

表3 燃煤電廠摻燒替代燃料比例

3.3 污染控制

摻燒SRF 后產生的主要污染物包括顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氯化氫、汞及其化合物、二惡英、重金屬等，目前燃煤電廠的環保設施為除塵、脫硫、脫硝，對其他污染物缺少相應治理措施，在摻燒后應重點關注污染物排放情況。應對照相關排放標準，分析摻燒SRF對污染物污染濃度產生的影響；按照規范要求選取爐渣、粉煤灰，檢測其成分判斷摻燒產生的影響。在SRF摻燒過程中，應同步進行鍋爐排放污染物測試，在除塵器出口監測各項污染物排放濃度，以滿足達標排放要求。由于鍋爐煙氣量、爐渣、煤粉灰等產生量巨大，并且燃煤及SRF 的來源不固定，單個采樣結果無法拓展到其他時段，因此應該通過控制入爐燃料的特征污染物滿足相關控制指標，同時再配合企業自行檢測的方式進行控制。

國內現階段缺少燃煤電廠摻燒SRF 的專用排放控制標準，目前排放標準引用不同行業標準，一般參照《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB 18485—2014）或《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020）。2020 年7 月，生態環境部立項《燃煤鍋爐協同處理固體廢物污染控制標準》的制定，預計2023 年發布。

4 制約因素分析及建議

4.1 政策方面

鼓勵政策方面，近年來國家及地方從政策層面不斷推進燃煤電廠摻燒替代燃料發電，現有政策主要以協同處置為目的，現狀利用方式粗放，對廢棄物的熱值利用效率較低。相關研究表明，一般替代燃料的平均化石CO2排放量約為普通煤炭的30%，可有效降低化石能源碳排放。針對生物質、污泥，目前已有明確的碳減排核算、稅收補貼等支持政策。隨雙碳目標的提出，通過實現替代燃料標準化，SRF 將成為巨大潛力的燃料資源，為促進替代燃料的資源化利用，建議從碳指標、稅收優惠等方面給予政策支持。

標準體系方面，歐盟、美國、日本等國家已針對替代燃料建立了系統、成熟的標準體系，國內標準體系建設剛剛起步，目前出臺了關于SRF 4 項團體標準，但由于在產品、檢驗監測、污染物排放等方面缺乏相應的強制性標準，制約其應用推廣，建議盡快出臺高層次強制性標準。

4.2 技術方面

前端技術方面，目前煤粉爐摻燒SRF 在技術上可行，但缺乏成熟高效、摻混比例靈活可調且高效的燃燒技術[7]。由于SRF 物料復雜、韌性較強，具有一定破碎難度[14]，在物料輸送過程中易發生磨制粒徑不均、燃料堵塞搭橋、影響制粉系統出力等情況[15]。建議大力開展SRF 摻燒的相關基礎研究，解決SRF 粉碎、上料、高效燃燒及SRF 摻燒比例等方面的技術難題。同時加強燃煤電廠煤粉爐摻燒SRF 示范試點，在國家試點項目的推動下更快地發展。

末端技術方面，針對SRF 摻燒的污染物管理與排放控制要求有待完善，缺少對摻燒產生的新增污染物的自行監測管理要求，建議加強環境監管，明確監測要求，確保污染物達標排放。燃煤電廠缺少針對摻燒新增污染物的煙氣治理措施，缺少對煙氣治理措施的適應性與有效性評估[2]，建議燃煤電廠實施規模化摻燒前開展小規模摻燒實驗，通過對排放煙氣現場監測，對現有煙氣治理設施有效性進行評估。

4.3 市場方面

供給方面，替代燃料供給市場處于起步階段，原料供應量及產品價格波動較大，同時電廠對于替代燃料的供應可靠性和品質穩定性要求較高，因此需建立健全農、林、工等廢棄物的集、收、儲、運和初加工產業鏈，促進其全面均衡發展，推動建立全國性替代燃料供需市場。

需求方面，目前替代燃料單位熱值價格低廉，可節省一定的燃煤成本，隨著雙碳要求的落地，考慮未來碳交易背景，較高的碳稅及碳配額差額可產生顯著的經濟效益，將促進需求市場的大力發展。

5 結語與展望

面對雙碳壓力，電力行業綠色低碳轉型勢在必行，煤粉爐摻燒SRF 在國外已有廣泛應用，具備技術可行性。我國可燃性固體廢物來源廣泛、產量豐富，摻燒SRF 在減少CO2排放和替代燃煤方面的潛力巨大。目前國內利用煤粉爐摻燒SRF 處于初期探索、試錯階段，主要制約因素包括摻混技術有待開發、摻燒環境管理與排放控制要求有待完善、缺少補貼政策和強制性產品標準以及SRF 供需市場尚未建立。建議加強摻混技術研究，通過燃煤電廠煤粉爐摻燒SRF 示范試點，對燃煤電廠摻燒SRF 進行煙氣排放及環境影響評估；加強環境監管，盡快出臺相關排放標準、強制性產品標準以及激勵政策，積極推進燃煤電廠摻燒科學、規范、綠色發展。