高建强， 宋铜铜， 张 雪

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 河北保定 071003；2. 国网秦皇岛供电公司， 河北秦皇岛 066000)

中国是煤炭生产和消费大国，年碳排放量世界第一。燃煤发电行业是我国主要碳排放源之一，其煤炭消耗量占全国煤炭消费总量的50%以上[1]。目前我国正逐步开展碳市场研究，碳交易与碳税政策的实施是大势所趋[2-4]。为降低燃煤发电行业的碳排放成本，提高其竞争能力，必须加快燃煤电厂碳减排技术的研究与应用。

采用循环流化床(CFB)锅炉机组是解决我国大量劣质燃煤利用难题的重要方式，同时也是实现洁净煤燃烧的重要途径[5-6]。CFB锅炉不仅能燃烧热值较低的劣质燃煤，还能利用炉内低温燃烧和加石灰石煅烧等途径实现NOx和SO2的低成本减排[7-9]。鉴于以上优势，CFB锅炉在我国得到了广泛应用，特别是在山西、陕西和内蒙古等低品质燃煤生产地区[10]。截至2018年底，我国CFB锅炉机组装机容量超过8 230万kW，占总煤电装机容量的8.16%左右[11]，因此研究其碳排放特性对实现燃煤电厂碳减排具有重要意义。

在燃煤电厂碳排放的相关研究中，针对煤粉锅炉机组碳排放特性[12]、碳排放强度计算方法[13]及其主要影响因素和碳减排措施[14-16]的研究成果较多，关于CFB锅炉机组碳排放的研究主要集中在从宏观角度给出碳减排的技术路线[17]以及碳捕集技术在CFB锅炉机组中的应用[18-19]等方面。对于CFB锅炉机组的碳排放源，除燃煤过程等常规碳排放源外，采用石灰石作为脱硫剂进行炉内脱硫也会产生一定的CO2排放，同时CFB锅炉配套辅机系统的高用电量会导致供电煤耗增加，最终影响机组的碳排放强度。目前国内针对CFB锅炉机组碳排放特性及碳排放强度计算方法的研究较少，笔者根据CFB锅炉的特点，具体分析CFB锅炉机组燃煤过程和炉内炉外脱硫过程的碳排放特性，针对CFB锅炉机组建立碳排放强度计算模型，并根据计算模型分析影响其碳排放强度的主要因素，为现场运行人员从运行角度降低机组碳排放强度提供思路。

1 碳排放特性分析

根据CFB锅炉系统构造、燃烧方式和脱硫方式的特点，对其燃煤过程、脱硫过程产生CO2的机理，以及锅炉配套辅机设备用电量对机组碳排放强度的影响进行研究。

1.1 燃煤过程的碳排放量

燃煤中的碳燃烧产生CO2的化学方程式为：

C+O2=CO2

(1)

由式(1)可知，C与CO2的物质的量比为1∶1，质量分数之比为12∶44。CFB锅炉的设计煤种一般为含碳量较低的劣质燃煤，单位质量煤燃烧产生的CO2质量取决于煤的含碳量与碳在锅炉中燃烧时的氧化程度。CFB锅炉机组的化石燃料包括燃煤和各种类型的燃油，但考虑到燃油消耗量相对于燃煤消耗量极少，可忽略不计，因此笔者将机组燃煤产生的碳排放量视为化石燃料消耗产生的碳排放量。

1.2 脱硫过程的碳排放量

1.2.1 炉内脱硫

CFB锅炉凭借炉内特殊的燃烧方式和较低的燃烧温度能够实现炉内脱硫，这也是CFB锅炉在实现SO2超低排放上具有的独特优势[20]。在机组正常运行时，向CFB锅炉投入燃料的同时也会投入大量的石灰石作为脱硫剂进行炉内脱硫。主要成分为CaCO3的石灰石在高温下煅烧吸热生成CaO和CO2，因此炉内脱硫过程是CFB锅炉机组的碳排放源之一。以石灰石作为脱硫剂进行炉内脱硫所涉及的化学方程式如下：

S+O2=SO2

(2)

CaCO3=CaO+CO2

(3)

(4)

由式(2)～式(4)可知，CaCO3与S的物质的量比(以下简称钙硫比，即n(Ca)/n(S))和CO2与S的物质的量比(以下简称碳硫比，即n(C)/n(S))相同，即n(Ca)/n(S)=n(C)/n(S)，S与CO2的质量分数比为32∶44。式(2)和式(3)可理解为炉内脱硫的“准备过程”，在一定条件下这2种化学反应能够完全进行，不受生成物的影响。式(4)是炉内脱硫最重要的反应，CaO在氧化性气氛下与烟气中的SO2和O2反应生成CaSO4，但反应一开始CaO表面就会生成致密的CaSO4薄层，薄层孔隙小于SO2分子，阻碍了SO2进一步扩散至CaO颗粒内部进行反应，基于这一反应特性，采用炉内干法脱硫方式时钙利用率较低[21]。炉内脱硫的钙硫比取值受多种因素的影响，通常情况下钙硫比大于2才能达到较高的脱硫效率。

1.2.2 炉外烟气脱硫

随着燃煤电厂大气污染物排放标准日益提高，CFB锅炉机组仅靠炉内脱硫方式已满足不了SO2超低排放的要求，因此目前多采用炉内脱硫与炉外烟气脱硫相结合的技术路线[22-23]。炉外烟气脱硫按脱硫剂的类型可划分为以CaCO3为基础的钙法和利用NH3为基础的氨法等5种脱硫方式，其中钙法烟气脱硫又可分为石灰石-石膏法烟气脱硫和半干法烟气脱硫等，其中钙法烟气脱硫工艺在消耗CaCO3时会通过不同的化学反应产生CO2，因此炉外钙法烟气脱硫过程也是CFB锅炉机组的碳排放源之一。

1.3 辅机设备耗能对碳排放强度的影响

CFB锅炉机组与常规煤粉锅炉机组用电量之间的差别主要体现在风烟系统和煤处理系统等辅机系统用电量的不同，2种类型锅炉的主要辅机设备配置对比见表1[24]。

表1 CFB锅炉与煤粉锅炉部分辅机设备对比

为保持炉内流化态燃烧和物料循环，CFB锅炉的烟风阻力很大，需要配套多个大功率高压头风机，风机耗能巨大。采用炉内干法脱硫，CFB锅炉需要配套石灰石制粉和输送系统，同时由于燃用低热值燃煤，在相同的热负荷下，需要更多的入炉煤量并产生相应的排渣量，这都会增加有关辅机设备的耗电量[25]。一般情况下，CFB锅炉辅机系统的高耗电量会导致机组的厂用电率比同容量煤粉锅炉机组高2%～3%，高厂用电率会直接导致供电煤耗增加，从而使CFB锅炉机组的碳排放强度处于较高水平。

2 碳排放强度计算模型

碳排放强度在数值上等于机组供给电网1 kW·h电能所产生的CO2排放量，可用MCO2表示，单位为g/(kW·h)。燃煤机组碳排放强度与供电煤耗之间存在线性关系，比例系数为单位标准煤CO2生成系数[12]。以下给出了CFB锅炉机组单位标准煤CO2生成系数的计算方法。

2.1 单位标准煤CO2生成系数

CFB锅炉机组的碳排放源包括燃煤过程、炉内干法脱硫过程和炉外钙法烟气脱硫过程，因此单位标准煤在这3个过程中对应的CO2生成系数之和即为CFB锅炉机组的单位标准煤CO2生成系数。

2.1.1 燃煤过程CO2生成系数

由式(1)可知，计算单位标准煤燃煤过程的CO2生成量时需要确定单位标准煤的折算含碳质量分数wc以及碳在炉内的燃尽情况，后者可用碳氧化率Om表示。

单位标准煤燃煤过程CO2生成系数K1的计算公式如下：

(5)

2.1.2 炉内干法脱硫过程CO2生成系数

单位标准煤炉内脱硫产生的CO2排放量主要取决于单位标准煤的折算含硫质量分数ws和碳硫比，后者可用炉内干法脱硫的钙硫比表示。

类比于式(5)的计算原理，单位标准煤炉内干法脱硫过程CO2生成系数K2的计算公式如下：

(6)

式中：Os为硫氧化率，%，表示煤粉中硫在炉内的燃尽程度；w(Sar)为实际燃煤的收到基含硫质量分数，%。

其中，钙硫比与炉内脱硫效率的关系如下：

(7)

式中：ηSO2为炉内脱硫效率，%；A为燃煤自脱硫能力系数；B为石灰石脱硫性能系数[26]。

2.1.3 炉外钙法烟气脱硫过程CO2生成系数

不同钙法烟气脱硫方式产生CO2的原理不同，因此需要根据具体脱硫方式选择CO2排放量计算方法。

当采用半干法烟气脱硫时，CO2来自脱硫剂Ca(OH)2的制备过程，CO2排放量受脱硫剂投入量的影响，取决于烟气中的含硫质量分数和钙硫比。此时单位标准煤炉外钙法烟气脱硫过程CO2生成系数K3的计算公式如下：

(n(Ca)/n(S))′

(8)

当采用石灰石-石膏法烟气脱硫时，CO2来自参与脱硫反应的CaCO3，CO2物质的量与脱硫过程中被吸收的SO2的物质的量比为1∶1，大小取决于烟气中的含硫质量分数和脱硫效率。此时单位标准煤炉外钙法烟气脱硫过程CO2生成系数的计算公式如下：

(9)

得到单位标准煤燃煤过程和两级脱硫过程各自对应的CO2生成系数后，CFB锅炉机组单位标准煤CO2生成系数K为：

K=K1+K2+K3

(10)

值得指出的是，当CFB锅炉机组炉外烟气脱硫未采用钙法烟气脱硫方式时，炉外烟气脱硫过程不产生CO2排放，单位标准煤CO2生成系数K为：

K=K1+K2

(11)

2.2 碳排放强度

单位标准煤CO2生成系数K的含义为机组消耗单位标准煤所产生的CO2质量，因此CFB锅炉机组的碳排放强度为：

(12)

式中：bcp,n为机组供电煤耗，g/(kW·h)；ηcp为机组发电效率，%；ζcp为机组厂用电率，%。

其中，机组发电效率及厂用电率主要取决于机组负荷和运行水平。

3 碳排放强度影响因素分析

CFB锅炉机组的碳排放强度受燃煤煤质、脱硫效率、钙硫比、脱硫剂性能、机组负荷、运行水平和厂用电率等一系列因素的影响，同时各因素之间还存在复杂的耦合关系。

3.1 燃煤煤质

CFB锅炉的设计煤种为低热值、低含碳量、高硫分的劣质燃煤，煤质对机组碳排放强度的影响主要体现在：对于K1来说，由于燃煤低发热值是由低含碳量导致的，综合下来煤质差异对K1的影响相对较小；对于K2和K3来说，燃煤热值越低、硫分越高，K2和K3就越大；煤质变差会使锅炉效率降低，制粉、脱硫系统的出力增大，从而使机组供电煤耗增加，碳排放强度随之升高。

3.2 脱硫效率

CFB锅炉机组配置炉内炉外两级联合脱硫系统，因此存在脱硫任务分配的问题，即两级脱硫效率大小设定的问题。根据式(7)，炉内炉外脱硫效率与对应的钙硫比密切相关，炉内干法脱硫对炉膛温度有严格要求，其高效脱硫区间位于锅炉中低负荷阶段，炉外烟气高效脱硫区间位于锅炉中高负荷阶段。在煤质和脱硫剂性能不变的情况下，不同负荷下两级脱硫效率取值的变化会直接导致K2、K3发生变化，同时也会造成相应辅机设备用电量的变化，最终对碳排放强度产生一定的影响。

3.3 钙硫比

当其他条件不变时，炉内脱硫的钙硫比与K2呈线性关系(见式(6))，钙硫比是影响脱硫过程碳排放量的重要因素。一般情况下，钙硫比越大则脱硫效率越高，因此国内部分机组在实际运行时，为保障烟气排放符合环保要求，常将炉内钙硫比设置得很高，从而造成大量CO2排放。当脱硫效率一定时，钙硫比取值的确定较为复杂，以炉内脱硫钙硫比为例，机组负荷或燃煤热值发生变化导致的炉内温度波动、煤粉含硫质量分数、脱硫剂的反应性能和颗粒大小以及锅炉流化速度和循环倍率等多种因素都会对钙硫比产生一定的影响。

3.4 机组负荷

机组负荷与发电效率密切相关，是机组碳排放强度的最重要影响因素。当机组处于低负荷状态时，汽轮机系统的效率较低，机组运行水平低，发电效率低，碳排放强度较高。当机组处于高负荷状态时，工质参数较高，机组运行水平高，发电效率高，碳排放强度较低。值得指出的是，CFB锅炉机组负荷升高时投入锅炉的煤量和石灰石量增大，燃烧生成的灰渣量也随之增大，锅炉的灰渣物理热损失Q6增大，锅炉系统效率会有所降低。

3.5 CFB锅炉辅机系统用电量及厂用电率

CFB锅炉辅机系统的耗电量较大，机组厂用电率较高，这会对碳排放强度产生直接影响。在低负荷时，为确保锅炉各部位正常流化和密封，部分风机出力不随负荷降低而降低，所以低负荷下厂用电率很高；在高负荷时，锅炉入炉煤量和石灰石消耗量增大，为保持炉内正常流化燃烧状态，各类风机出力较大，制粉排渣相关系统的耗电量增大，因此高负荷下的厂用电率也处于较高水平。CFB锅炉的可靠性较低，停启检修频率较高，而停启过程会消耗大量的电能，使厂用电率升高。

4 实例计算

以山西某300 MW CFB锅炉机组为例，应用碳排放强度计算模型分析其碳排放特性。该锅炉为1 060 t/h亚临界、中间再热、自然循环CFB锅炉，锅炉设计煤种和校核煤种数据如表2所示。该机组采用两级脱硫方案，炉内采用煅烧石灰石干法脱硫，炉外采用半干法烟气脱硫，脱硫剂石灰石的化学成分见表3。

表2 锅炉设计煤种和校核煤种数据

表3 石灰石化学成分

为分析不同煤种对机组碳排放强度的影响，在100%负荷下计算各煤种对应的单位标准煤CO2生成系数K等相关数据。100%负荷下不同煤种的脱硫效率和钙硫比见表4。

根据表2和表4，经碳排放强度计算模型计算，4种煤种对应的K1、K2、K3及K见图1。由图1可知，高热值、低硫分优质燃煤(校核煤种3)对应的K小于低热值、高硫分劣质燃煤(设计煤种)对应的K，考虑到劣质燃煤会使锅炉效率降低从而使机组供电煤耗增加，机组在使用劣质燃煤时碳排放强度较高；K1、K2和K3随煤质的不同存在一定变化，其中K1始终最大，占三者之和的93%～98.6%，其次为K2，占三者之和的1.27%～6.59%，K3最小，这表明机组的主碳排放源为燃煤过程，并且炉内脱硫产生的碳排放量远大于炉外脱硫产生的碳排放量；K2和K3与煤种含硫质量分数呈正相关，即含硫质量分数越高的煤种，其脱硫过程产生的碳排放量越高。

表4 100%负荷下不同煤种的脱硫效率和钙硫比

图1 100%负荷下不同煤种的单位标准煤CO2生成系数Fig.1 CO2 generation coefficient per unit standard coal consumption for different types of coal at 100% load

以校核煤种2为例，在其他条件不变时，不同炉内钙硫比下平均脱硫效率对应的K见图2。由图2可以看出，当炉内钙硫比增大时，炉内平均脱硫效率升高，钙硫比处于较低水平时脱硫效率升高的幅度较大，随着钙硫比增大，其对炉内平均脱硫效率的影响程度降低；炉内钙硫比和炉内平均脱硫效率变化会导致K2、K3发生变化，由于钙硫比增大导致K2增大的幅度大于炉内平均脱硫效率升高导致K3减小的幅度，最终使得K随炉内钙硫比的增大而增大，因此机组碳排放强度与炉内钙硫比呈正相关。

图2 不同炉内钙硫比下平均脱硫效率对应的K

以设计煤种为例，选取机组100%负荷、75%负荷和50%负荷的运行数据进行热经济性及单位标准煤CO2生成系数K的计算。不同负荷下机组各项经济性指标见表5，单位标准煤CO2生成系数K及碳排放强度MCO2的对比见图3。

由表5可知，随着机组负荷的降低，机组发电效率降低，厂用电率升高，导致机组供电煤耗大幅度上升。由图3可知，K与机组负荷呈正相关，这主要是由于高负荷时炉内脱硫效率会因炉温升高而降低，为保证一定脱硫效率需要投入更多的石灰石脱硫剂，所以K2较大；MCO2随着机组负荷的降低而升高，机组负荷平均每下降1%，MCO2升高2.41 g/(kW·h)，特别是在低负荷时MCO2随单位负荷下降而升高的幅度更大，这主要是由于机组在低负荷下发电效率迅速下降，供电煤耗增加幅度大。

表5 不同负荷下机组各项经济性指标

图3 不同机组负荷下CFB锅炉机组对应的K和MCO2

5 结 论

(1) 低热值、高硫分劣质燃煤对应的单位标准煤CO2生成系数大于高热值、低硫分优质燃煤对应的单位标准煤CO2生成系数，考虑到劣质燃煤会导致机组供电煤耗增加，因此CFB锅炉机组在相同负荷下使用劣质燃煤时碳排放强度较高。当煤质发生变化时，单位标准煤燃煤过程、炉内干法脱硫和炉外钙法烟气脱硫过程对应的CO2生成系数发生一定变化，燃煤过程始终为CFB锅炉机组的主要碳排放源，占总碳排放强度的93%～98.6%，其次为炉内干法脱硫过程，占总碳排放强度的1.27%～6.59%，炉外钙法烟气脱硫过程产生的碳排放强度最小。

(2) 当煤质不变时，单位标准煤CO2生成系数随炉内钙硫比的增大而增大，CFB锅炉机组碳排放强度与炉内钙硫比呈正相关；当煤质不变时，单位标准煤CO2生成系数与机组负荷呈正相关，CFB锅炉机组的碳排放强度与负荷呈负相关，机组负荷平均每下降1%，碳排放强度升高2.41 g/(kW·h)，且低负荷时碳排放强度随单位负荷下降而升高的幅度更大。