來源：高建強 循環流化床發電
中國是煤炭生産和消費大國，年碳排放量世界第一。燃煤發電行業是大陸主要碳排放源之一，其煤炭消耗量占全國煤炭消費總量的５０％以上。目前大陸正逐漸開展碳市場研究，碳交易與碳稅政策的實施是大勢所趨。為降低燃煤發電行業的碳排放成本，提高其競争能力，必須加快燃煤電廠碳減排技術的研究與應用。
采用循環流化床（ ＣＦＢ ）鍋爐機組是解決大陸大量劣質燃煤利用難題的重要方式，同時也是實作潔淨煤燃燒的重要途徑 。ＣＦＢ 鍋爐不僅能燃燒熱值較低的劣質燃煤，還能利用爐内低溫燃燒和加石灰石 煅 燒 等 途 徑 實 現ＮＯｘ 和 ＳＯ２ 的 低 成 本 減排。鑒于以上優勢，ＣＦＢ 鍋爐在大陸得到了廣泛應用，特别是在山西、陝西和内蒙古等低品質燃煤生産地區。截至 ２０１８ 年底，大陸ＣＦＢ 鍋爐機組裝機容量超過 ８ ２３０ 萬 ｋＷ ，占總煤電裝機容量的８．１６％左右，是以研究其碳排放特性對實作燃煤電廠碳減排具有重要意義。
在燃煤電廠碳排放的相關研究中，針對煤粉鍋爐機組碳排放特性、碳排放強度計算方法及其主要影響因素和碳減排措施的研究成果較多，關于 ＣＦＢ 鍋爐機組碳排放的研究主要集中在從宏觀角度給出碳減排的技術路線以及碳捕集技術在 ＣＦＢ 鍋爐機 組 中的 應 用等 方 面。對 于ＣＦＢ鍋爐機組的碳排放源，除燃煤過程等正常碳排放源外，采用石灰石作為脫硫劑進行爐内脫硫也會産生一定的 ＣＯ ２ 排放，同時 ＣＦＢ鍋爐配套輔機系統的高用電量會導緻供電煤耗增加，最終影響機組的碳排放強度。目前國内針對 ＣＦＢ鍋爐機組碳排放特性及碳排放強度計算方法的研究較少，筆者根據ＣＦＢ鍋爐的特點，具體分析 ＣＦＢ鍋爐機組燃煤過程和爐内爐外脫硫過程的碳排放特性，針對 ＣＦＢ鍋爐機組建立碳排放強度計算模型，并根據計算模型分析影響其碳排放強度的主要因素，為現場運作人員從運作角度降低機組碳排放強度提供思路。
１碳排放特性分析
根據ＣＦＢ鍋爐系統構造、燃燒方式和脫硫方式的特點，對其燃煤過程、脫硫過程産生 ＣＯ ２ 的機理，以及鍋爐配套輔機裝置用電量對機組碳排放強度的影響進行研究。
１．１燃煤過程的碳排放量
燃煤中的碳燃燒産生 ＣＯ２的化學方程式為：
由 式 （ １ ）可 知， Ｃ 與 ＣＯ２的 物 質 的 量 比 為１∶１ ，品質分數之比為 １２∶４４ 。ＣＦＢ 鍋爐的設計煤種一般為含碳量較低的劣質燃煤，機關品質煤燃燒産生的 ＣＯ ２ 品質取決于煤的含碳量與碳在鍋爐中燃燒時的氧化程度。ＣＦＢ 鍋爐機組的化石燃料包括燃煤和各種類型的燃油，但考慮到燃油消耗量相對于燃煤消耗量極少，可忽略不計，是以筆者将機組燃煤産生的碳排放量視為化石燃料消耗産生的碳排放量。
１.２ 脫硫過程的碳排放量
１.２.１ 爐内脫硫
ＣＦＢ鍋爐憑借爐内特殊的燃燒方式和較低的燃燒溫度能夠實作爐内脫硫，這也是 ＣＦＢ鍋爐在實作ＳＯ２ 超低排放上具有的獨特優勢。在機組正常運作時，向 ＣＦＢ 鍋爐投入燃料的同時也會投入大量的石灰石作為脫硫劑進行爐内脫硫。主要成分為ＣａＣＯ ３ 的石灰石在高溫下煅燒吸熱生成 ＣａＯ 和ＣＯ ２ ，是以爐内脫硫過程是 ＣＦＢ 鍋爐機組的碳排放源之一。以石灰石作為脫硫劑進行爐内脫硫所涉及的化學方程式如下：
由式（ ２ ） ～ 式（ ４ ）可知， ＣａＣＯ ３ 與Ｓ的物質的量比（以下簡稱鈣硫比，即 ｎ （ Ｃａ ）／ ｎ （ Ｓ ））和 ＣＯ２ 與 Ｓ的物質的量比（以下簡稱碳硫比，即 ｎ （ Ｃ ）／ ｎ （ Ｓ ））相同，即 ｎ （ Ｃａ ）／ ｎ （ Ｓ ） ＝ ｎ （ Ｃ ）／ ｎ （ Ｓ ）， Ｓ與 ＣＯ ２ 的品質分數比為３２∶４４ 。式（ ２ ）和式（ ３ ）可了解為爐内脫硫的“準備過程”，在一定條件下這２種化學反應能夠完全進行，不受生成物的影響。式（４ ）是爐内脫硫最重要的反應， ＣａＯ在氧化性氣氛下與煙氣中的ＳＯ２和 Ｏ２ 反應生成 ＣａＳＯ ４ ，但反應一開始 ＣａＯ 表面就會生成緻密的 ＣａＳＯ ４ 薄層，薄層孔隙小于 ＳＯ ２ 分子，阻礙了ＳＯ ２ 進一步擴散至ＣａＯ顆粒内部進行反應，基于這一反應特性，采用爐内幹法脫硫方式時鈣使用率較低 。爐内脫硫的鈣硫比取值受多種因素的影響，通常情況下鈣硫比大于２才能達到較高的脫硫效率。
１.２.２ 爐外煙氣脫硫
随着燃煤電廠大氣污染物排放标準日益提高，ＣＦＢ 鍋爐機組僅靠爐内脫硫方式已滿足不了 ＳＯ ２超低排放的要求，是以目前多采用爐内脫硫與爐外煙氣脫硫相結合的技術路線 。爐外煙氣脫硫按脫硫劑的類型可劃分為以 ＣａＣＯ ３ 為基礎的鈣法和利用 ＮＨ ３ 為基礎的氨法等５種脫硫方式，其中鈣法煙氣脫硫又可分為石灰石 － 石膏法煙氣脫硫和半幹法煙氣脫硫等，其中鈣法煙氣脫硫工藝在消耗ＣａＣＯ ３ 時會通過不同的化學反應産生 ＣＯ ２ ，是以爐外鈣法煙氣脫硫過程也是 ＣＦＢ 鍋爐機組的碳排放源之一。
１.３ 輔機裝置耗能對碳排放強度的影響
ＣＦＢ 鍋爐機組與正常煤粉鍋爐機組用電量之間的差别主要展現在風煙系統和煤處理系統等輔機系統用電量的不同，２ 種類型鍋爐的主要輔機裝置配置對比見表１。為保持爐内流化态燃燒和物料循環， ＣＦＢ鍋爐的煙風阻力很大，需要配套多個大功率高壓頭風機，風機耗能巨大。采用爐内幹法脫硫， ＣＦＢ鍋爐需要配套石灰石制粉和輸送系統，同時由于燃用低熱值燃煤，在相同的熱負荷下，需要更多的入爐煤量并産生相應的排渣量，這都會增加有關輔機裝置的耗電量。一般情況下，ＣＦＢ鍋爐輔機系統的高耗電量會導緻機組的廠用電率比同容量煤粉鍋爐機組高２％～３％ ，高廠用電率會直接導緻供電煤耗增加，進而使ＣＦＢ鍋爐機組的碳排放強度處于較高水準。
２ 碳排放強度計算模型
碳排放強度在數值上等于機組供給電網 １ｋＷ ·ｈ電能所産生的 ＣＯ ２ 排放量，可用 Ｍ ＣＯ２ 表示，機關為 ｇ ／（ ｋＷ · ｈ ）。燃煤機組碳排放強度與供電煤耗之間存線上性關系，比例系數為機關标準煤 ＣＯ ２ 生成系數。以下給出了ＣＦＢ 鍋爐機組機關标準煤ＣＯ ２ 生成系數的計算方法。
２.１ 機關标準煤 ＣＯ２ 生成系數
ＣＦＢ 鍋爐機組的碳排放源包括燃煤過程、爐内幹法脫硫過程和爐外鈣法煙氣脫硫過程，是以機關标準煤在這３個過程中對應的 ＣＯ ２ 生成系數之和即為 ＣＦＢ 鍋爐機組的機關标準煤 ＣＯ ２ 生成系數。
２.１.１ 燃煤過程 ＣＯ２ 生成系數
由式（１ ）可知，計算機關标準煤燃煤過程的 ＣＯ ２生成量時需要确定機關标準煤的折算含碳品質分數ｗ ｃ 以及碳在爐内的燃盡情況，後者可用碳氧化率Ｏ ｍ 表示。機關标準煤燃煤過程ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ １ 的計算公式如下：
式中：Ｑ ｎｅｔ ， ａｒ 、 Ｑ′ ｎｅｔ ， ａｒ 分别為标準煤和實際燃煤的低位發熱量，ｋＪ ／ｋｇ；ｗ （ Ｃ ａｒ ）為實際燃煤的收到基含碳品質分數， ％。
２.1.２ 爐内幹法脫硫過程ＣＯ ２ 生成系數
機關标準煤爐内脫硫産生的 ＣＯ ２ 排放量主要取決于機關标準煤的折算含硫品質分數 ｗ ｓ 和碳硫比，後者可用爐内幹法脫硫的鈣硫比表示。類比于式（５ ）的計算原理，機關标準煤爐内幹法脫硫過程 ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ ２ 的計算公式如下：
式中：Ｏ ｓ 為硫氧化率， ％ ，表示煤粉中硫在爐内的燃盡程度； ｗ （ Ｓａｒ ）為 實 際 燃 煤 的 收 到 基 含 硫 質 量分數， ％ 。其中，鈣硫比與爐内脫硫效率的關系如下：
式中：η ＳＯ ２ 為爐内脫硫效率％ ； Ａ 為燃煤自脫硫能力系數；Ｂ 為石灰石脫硫性能系數。
２.１.３ 爐外鈣法煙氣脫硫過程ＣＯ２
生成系數不同鈣法煙氣脫硫方式産生 ＣＯ ２ 的原理不同，是以需要根據具體脫硫方式選擇 ＣＯ ２ 排放量計算方法。當采用半幹法煙氣脫硫時， ＣＯ２ 來自脫硫劑Ｃａ （ ＯＨ ） ２ 的制備過程， ＣＯ ２ 排放量受脫硫劑投入量的影響，取決于煙氣中的含硫品質分數和鈣硫比。此時機關标準煤爐外鈣法煙氣脫硫過程 ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ ３ 的計算公式如下：
式中： ｗ′ｓ 為機關标準煤經過爐内脫硫後剩餘的含硫品質分數；（ｎ（ Ｃ ）／ ｎ （ Ｓ ）） ′ 和（ ｎ （ Ｃａ ）／ ｎ （ Ｓ ）） ′ 分别為采用爐外鈣法煙氣脫硫的碳硫比和鈣硫比。當采用石灰石 － 石膏法煙氣脫硫時，ＣＯ ２ 來自參與脫硫反應的 ＣａＣＯ ３ ， ＣＯ ２ 物質的量與脫硫過程中被吸收的ＳＯ ２ 的物質的量比為１∶１ ，大小取決于煙氣中的含硫品質分數和脫硫效率。此時機關标準煤爐外鈣法煙氣脫硫過程 ＣＯ ２ 生成系數的計算公式如下：
式中：η′ ＳＯ２ 為爐外脫硫效率，％ 。得到機關标準煤燃煤過程和兩級脫硫過程各自對應的ＣＯ ２ 生成系數後， ＣＦＢ鍋爐機組機關标準煤ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ 為：
值得指出的是，當ＣＦＢ鍋爐機組爐外煙氣脫硫未采用鈣法煙氣脫硫方式時，爐外煙氣脫硫過程不産生ＣＯ ２ 排放，機關标準煤ＣＯ ２生成系數 Ｋ 為：
２．２ 碳排放強度
機關标準煤ＣＯ２ 生成系數Ｋ的含義為機組消耗機關标準煤所産生的ＣＯ ２ 品質，是以 ＣＦＢ 鍋爐機組的碳排放強度為：
其中，機組發電效率及廠用電率主要取決于機組負荷和運作水準。
３ 碳排放強度影響因素分析
ＣＦＢ 鍋爐機組的碳排放強度受燃煤煤質、脫硫效率、鈣硫比、脫硫劑性能、機組負荷、運作水準和廠用電率等一系列因素的影響，同時各因素之間還存在複雜的耦合關系。
３．１ 燃煤煤質
ＣＦＢ 鍋爐的設計煤種為低熱值、低含碳量、高硫分的劣質燃煤，煤質對機組碳排放強度的影響主要展現在：對于 Ｋ １ 來說，由于燃煤低發熱值是由低含碳量導緻的，綜合下來煤質差異對 Ｋ １ 的影響相對較小；對于 Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 來說，燃煤熱值越低、硫分越高， Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 就越大；煤質變差會使鍋爐效率降低，制粉、脫硫系統的出力增大，進而使機組供電煤耗增加，碳排放強度随之升高。
３．２ 脫硫效率
ＣＦＢ 鍋爐機組配置爐内爐外兩級聯合脫硫系統，是以存在脫硫任務配置設定的問題，即兩級脫硫效率大小設定的問題。根據式（７ ），爐内爐外脫硫效率與對應的鈣硫比密切相關，爐内幹法脫硫對爐膛溫度有嚴格要求，其高效脫硫區間位于鍋爐中低負荷階段，爐外煙氣高效脫硫區間位于鍋爐中高負荷階段。在煤質和脫硫劑性能不變的情況下，不同負荷下兩級脫硫效率取值的變化會直接導緻 Ｋ ２ 、 Ｋ ３ 發生變化，同時也會造成相應輔機裝置用電量的變化，最終對碳排放強度産生一定的影響。
３．３ 鈣硫比
當其他條件不變時，爐内脫硫的鈣硫比與 Ｋ２呈線性關系（見式（６ ）），鈣硫比是影響脫硫過程碳排放量的重要因素。一般情況下，鈣硫比越大則脫硫效率越高，是以國内部分機組在實際運作時，為保障煙氣排放符合環保要求，常将爐内鈣硫比設定得很高，進而造成大量 ＣＯ ２ 排放。當脫硫效率一定時，鈣硫比取值的确定較為複雜，以爐内脫硫鈣硫比為例，機組負荷或燃煤熱值發生變化導緻的爐内溫度波動、煤粉含硫品質分數、脫硫劑的反應性能和顆粒大小以及鍋爐流化速度和循環倍率等多種因素都會對鈣硫比産生一定的影響。
３．４ 機組負荷
機組負荷與發電效率密切相關，是機組碳排放強度的最重要影響因素。當機組處于低負荷狀态時，汽輪機系統的效率較低，機組運作水準低，發電效率低，碳排放強度較高。當機組處于高負荷狀态時，工質參數較高，機組運作水準高，發電效率高，碳排放強度較低。值得指出的是， ＣＦＢ 鍋爐機組負荷升高時投入鍋爐的煤量和石灰石量增大，燃燒生成的灰渣量也随之增大，鍋爐的灰渣實體熱損失 Ｑ ６增大，鍋爐系統效率會有所降低。
３．５ ＣＦＢ 鍋爐輔機系統用電量及廠用電率
ＣＦＢ 鍋爐輔機系統的耗電量較大，機組廠用電率較高，這會對碳排放強度産生直接影響。在低負荷時，為確定鍋爐各部位正常流化和密封，部分風機出力不随負荷降低而降低，是以低負荷下廠用電率很高；在高負荷時，鍋爐入爐煤量和石灰石消耗量增大，為保持爐内正常流化燃燒狀态，各類風機出力較大，制粉排渣相關系統的耗電量增大，是以高負荷下的廠用電率也處于較高水準。 ＣＦＢ鍋爐的可靠性較低，停啟檢修頻率較高，而停啟過程會消耗大量的電能，使廠用電率升高。
４ 執行個體計算
以山西某３００ＭＷＣＦＢ鍋爐機組為例，應用碳排放強度計算模型分析其碳排放特性。該鍋爐為１０６０ｔ ／ ｈ 亞臨界、中間再熱、自然循環 ＣＦＢ 鍋爐，鍋爐設計煤種和校核煤種資料如表 ２ 所示。該機組采用兩級脫硫方案，爐内采用煅燒石灰石幹法脫硫，爐外采用半幹法煙氣脫硫，脫硫劑石灰石的化學成分見表 ３ 。
為分析不同煤種對機組碳排放強度的影響，在１００％ 負荷下計算各煤種對應的機關标準煤 ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ 等相關資料。 １００％負荷下不同煤種的脫硫效率和鈣硫比見表 ４ 。
根據表２和表４ ，經碳排放強度計算模型計算，４種煤種對應的 Ｋ １ 、 Ｋ ２ 、Ｋ ３ 及 Ｋ見圖１ 。由圖１可知，高熱值、低硫分優質燃煤（校核煤種３ ）對應的 Ｋ小于低熱值、高硫分劣質燃煤（設計煤種）對應的Ｋ ，考慮到劣質燃煤會使鍋爐效率降低進而使機組供電煤耗增加，機組在使用劣質燃煤時碳排放強度較高； Ｋ １ 、Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 随煤質的不同存在一定變化，其中 Ｋ １ 始終最大，占三者之和的 ９３％～９８．６％ ，其次為 Ｋ ２ ，占三者之和的 １．２７％～６．５９％ ， Ｋ ３ 最小，這表明機組的主碳排放源為燃煤過程，并且爐内脫硫産生的碳排放量遠大于爐外脫硫産生的碳排放量；Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 與煤種含硫品質分數呈正相關，即含硫品質分數越高的煤種，其脫硫過程産生的碳排放量越高。
以校核煤種２為例，在其他條件不變時，不同爐内鈣硫比下平均脫硫效率對應的 Ｋ 見圖 ２ 。由圖 ２可以看出，當爐内鈣硫比增大時，爐内平均脫硫效率升高，鈣硫比處于較低水準時脫硫效率升高的幅度較大，随着鈣硫比增大，其對爐内平均脫硫效率的影響程度降低；爐内鈣硫比和爐内平均脫硫效率變化會導緻 Ｋ ２ 、 Ｋ ３ 發生變化，由于鈣硫比增大導緻 Ｋ ２增大的幅度大于爐内平均脫硫效率升高導緻 Ｋ ３ 減小的幅度，最終使得 Ｋ 随爐内鈣硫比的增大而增大，是以機組碳排放強度與爐内鈣硫比呈正相關。
荷和 ５０％ 負荷的運作資料進行熱經濟性及機關标準煤ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ 的計算。不同負荷下機組各項經濟性名額見表５ ，機關标準煤 ＣＯ ２ 生成系數 Ｋ及碳排放強度 Ｍ ＣＯ２ 的對比見圖３ 。
由表５可知，随着機組負荷的降低，機組發電效率降低，廠用電率升高，導緻機組供電煤耗大幅度上升。由圖３可知， Ｋ 與機組負荷呈正相關，這主要是由于高負荷時爐内脫硫效率會因爐溫升高而降低，為保證一定脫硫效率需要投入更多的石灰石脫硫劑，是以 Ｋ ２ 較大； Ｍ ＣＯ２ 随着機組負荷的降低而升高，機組負荷平均每下降 １％ ， Ｍ ＣＯ２升高 ２．４１ｇ ／（ｋＷ · ｈ ），特别是在低負荷時 Ｍ ＣＯ２ 随機關負荷下降而升高的幅度更大，這主要是由于機組在低負荷下發電效率迅速下降，供電煤耗增加幅度大。
結 論
（１）低熱值、高硫分劣質燃煤對應的機關标準煤ＣＯ２ 生成系數大于高熱值、低硫分優質燃煤對應的機關标準煤ＣＯ ２ 生成系數，考慮到劣質燃煤會導緻機組供電煤耗增加，是以 ＣＦＢ 鍋爐機組在相同負荷下使用劣質燃煤時碳排放強度較高。當煤質發生變化時，機關标準煤燃煤過程、爐内幹法脫硫和爐外鈣法煙氣脫硫過程對應的 ＣＯ ２ 生成系數發生一定變化，燃煤過程始終為 ＣＦＢ 鍋爐機組的主要碳排放源，占總碳排放強度的 ９３％～９８．６％ ，其次為爐内幹法 脫 硫 過 程，占 總 碳 排 放 強 度 的 １．２７％ ～６．５９％ ，爐外鈣法煙氣脫硫過程産生的碳排放強度最小。
（２）當煤質不變時，機關标準煤 ＣＯ ２ 生成系數随爐内鈣硫比的增大而增大， ＣＦＢ鍋爐機組碳排放強度與爐内鈣硫比呈正相關；當煤質不變時，機關标準煤ＣＯ ２ 生成系數與機組負荷呈正相關，ＣＦＢ鍋爐機組的碳排放強度與負荷呈負相關，機組負荷平均每下降１％ ，碳排放強度升高２．４１ｇ／（ｋＷ · ｈ ），且低負荷時碳排放強度随機關負荷下降而升高的幅度更大。
文獻資訊
高建強,宋銅銅,張雪.循環流化床鍋爐機組碳排放特性分析與計算[J].動力工程學報,2021,41(01):14-21.DOI:10.19805/j.cnki.jcspe.2021.01.003.