来源：高建强 循环流化床发电

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。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。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 。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。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。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，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、碳排放强度计算方法及其主要影响因素和碳减排措施的研究成果较多，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以及碳捕集技术在 ＣＦＢ 锅炉机 组 中的 应 用等 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 ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 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：

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 ＣＯ ２ 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。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ＣａＣＯ ３ 的石灰石在高温下煅烧吸热生成 ＣａＯ 和ＣＯ ２ ，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：

由式（ ２ ） ～ 式（ ４ ）可知， ＣａＣＯ ３ 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 ＣＯ ２ 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 ＣａＳＯ ４ ，但反应一开始 ＣａＯ 表面就会生成致密的 ＣａＳＯ ４ 薄层，薄层孔隙小于 ＳＯ ２ 分子，阻碍了ＳＯ ２ 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 。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 ＳＯ ２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 。炉外烟气脱硫按脱硫剂的类型可划分为以 ＣａＣＯ ３ 为基础的钙法和利用 ＮＨ ３ 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ＣａＣＯ ３ 时会通过不同的化学反应产生 ＣＯ ２ ，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。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。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 １ｋＷ ·ｈ电能所产生的 ＣＯ ２ 排放量，可用 Ｍ ＣＯ２ 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 ＣＯ ２ 生成系数。以下给出了ＣＦＢ 锅炉机组单位标准煤ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 生成系数之和即为 ＣＦＢ 锅炉机组的单位标准煤 ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２生成量时需要确定单位标准煤的折算含碳质量分数ｗ ｃ 以及碳在炉内的燃尽情况，后者可用碳氧化率Ｏ ｍ 表示。单位标准煤燃煤过程ＣＯ ２ 生成系数 Ｋ １ 的计算公式如下：

式中：Ｑ ｎｅｔ ， ａｒ 、 Ｑ′ ｎｅｔ ， ａｒ 分别为标准煤和实际燃煤的低位发热量，ｋＪ ／ｋｇ；ｗ （ Ｃ ａｒ ）为实际燃煤的收到基含碳质量分数， ％。

２.1.２　 炉内干法脱硫过程ＣＯ ２ 生成系数

单位标准煤炉内脱硫产生的 ＣＯ ２ 排放量主要取决于单位标准煤的折算含硫质量分数 ｗ ｓ 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 ＣＯ ２ 生成系数 Ｋ ２ 的计算公式如下：

式中：Ｏ ｓ 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：

式中：η ＳＯ ２ 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。

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 ＣＯ ２ 的原理不同，因此需要根据具体脱硫方式选择 ＣＯ ２ 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， ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 生成系数 Ｋ ３ 的计算公式如下：

式中： ｗ′ｓ 为单位标准煤经过炉内脱硫后剩余的含硫质量分数；（ｎ（ Ｃ ）／ ｎ （ Ｓ ）） ′ 和（ ｎ （ Ｃａ ）／ ｎ （ Ｓ ）） ′ 分别为采用炉外钙法烟气脱硫的碳硫比和钙硫比。当采用石灰石 － 石膏法烟气脱硫时，ＣＯ ２ 来自参与脱硫反应的 ＣａＣＯ ３ ， ＣＯ ２ 物质的量与脱硫过程中被吸收的ＳＯ ２ 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 ＣＯ ２ 生成系数的计算公式如下：

式中：η′ ＳＯ２ 为炉外脱硫效率，％ 。得到单位标准煤燃煤过程和两级脱硫过程各自对应的ＣＯ ２ 生成系数后， ＣＦＢ锅炉机组单位标准煤ＣＯ ２ 生成系数 Ｋ 为：

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ＣＯ ２ 排放，单位标准煤ＣＯ ２生成系数 Ｋ 为：

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ＣＯ ２ 质量，因此 ＣＦＢ 锅炉机组的碳排放强度为：

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 Ｋ １ 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 Ｋ １ 的影响相对较小；对于 Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 来说，燃煤热值越低、硫分越高， Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 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 Ｋ ２ 、 Ｋ ３ 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 ＣＯ ２ 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 Ｑ ６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３００ＭＷＣＦＢ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１０６０ｔ ／ 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 。

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 ＣＯ ２ 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 Ｋ １ 、 Ｋ ２ 、Ｋ ３ 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； Ｋ １ 、Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 随煤质的不同存在一定变化，其中 Ｋ １ 始终最大，占三者之和的 ９３％～９８．６％ ，其次为 Ｋ ２ ，占三者之和的 １．２７％～６．５９％ ， Ｋ ３ 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；Ｋ ２ 和 Ｋ ３ 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。

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 Ｋ ２ 、 Ｋ ３ 发生变化，由于钙硫比增大导致 Ｋ ２增大的幅度大于炉内平均脱硫效率升高导致 Ｋ ３ 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。

荷和 ５０％ 负荷的运行数据进行热经济性及单位标准煤ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 生成系数 Ｋ及碳排放强度 Ｍ ＣＯ２ 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 Ｋ ２ 较大； Ｍ ＣＯ２ 随着机组负荷的降低而升高，机组负荷平均每下降 １％ ， Ｍ ＣＯ２升高 ２．４１ｇ ／（ｋＷ · ｈ ），特别是在低负荷时 Ｍ ＣＯ２ 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。

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ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 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 ＣＯ ２ 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ＣＯ ２ 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２．４１ｇ／（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。

文献信息

高建强,宋铜铜,张雪.循环流化床锅炉机组碳排放特性分析与计算[J].动力工程学报,2021,41(01):14-21.DOI:10.19805/j.cnki.jcspe.2021.01.003.