低热值煤资源现状与循环流化床发电应用分析

2021-04-08吕俊复杨海瑞杨方亮刘丁赫张缦黄德洪

中国煤炭 2021年3期

吕俊复，杨海瑞，杨方亮，刘丁赫，张缦，黄德洪

(1.清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京市海淀区，100084；2.中国煤炭加工利用协会，北京市朝阳区，100013；3.太原理工大学电气与动力工程学院，山西省太原市，030024)

煤炭是重要的基础能源，我国煤炭生产量和消费量多年均居世界第一。近年来，虽然煤炭在我国一次能源消费中的比例逐年下降，但2019年仍达到57.7%[1]，煤炭作为主体能源的地位在未来相当长时间内不会发生根本改变。发展煤炭洗选加工、推进煤炭资源分级利用是提高煤炭清洁高效利用水平的主要途径，根据中国煤炭加工利用协会测算数据显示，目前全国煤矿排放的煤矸石、煤泥的总量约为9亿t/a，每年新增的煤矸石、煤泥中仍有较大部分无法得到充分利用，导致其存量逐年增大。根据国家发展改革委、国家能源局印发的《煤炭工业发展“十三五”规划》目标[3]，到2020年全国原煤入选率达到75%以上，煤矸石、煤泥的产生量将进一步增加，如不能进行有效地利用和处置，长期堆存将会压占大量土地资源，破坏矿区生态环境。因此，加大对煤矸石、煤泥等低热值煤燃料大规模资源化利用对煤炭清洁高效绿色发展意义重大。

1 低热值煤资源现状

煤炭洗选可以提高煤炭终端利用环节的利用效率、促进煤炭的清洁高效利用，我国对煤炭洗选比例的要求也逐年提高，根据中国煤炭工业协会发布的《2019煤炭行业发展年度报告》显示，从2012-2019年，我国原煤入选能力由21.5亿t提高到28.2亿t，原煤入选率由56.16%提高至73.2%[4]，2012-2019年我国原煤入选情况如图1所示。

图1 2012-2019年我国原煤入选情况

随着我国原煤入选比例的不断提高，由此产生的副产品——煤矸石和煤泥等低热值煤燃料的排放量也日益增加，未来随着煤炭产量的增长以及入选率的进一步提高，煤矸石、煤泥等低热值煤燃料的产生量也将进一步增大。我国煤泥的产量由2012年的1.5亿t增长到2019年的1.95亿t，煤泥利用量由2012年的0.28亿t增长到2019年的0.48亿t[4]。2012-2019年我国煤泥的产量及利用情况如图2所示。

图2 2012-2019年我国煤泥的产量及利用情况

由图2可以看出，一直以来我国煤泥的利用量和利用率均相对较低，整体利用率均低于25%。大量得不到有效利用的煤泥被掺回到混煤中出售，或堆放着地面和矸石山上，不仅使得原煤洗选的效果不佳，而且煤泥的堆放还占用土地、污染环境。随着环保要求和标准的提高，煤泥堆存越来越困难，一些选煤厂因为煤泥无法处理而不得不限产或停产，因此煤泥的有效处置问题成为了困扰煤炭企业的难题。

由于我国煤泥的消费结构与动力煤的消费结构高度重合，煤泥的价格受动力煤市场价格的影响较大，2012-2019年我国煤泥平均价格以及市场规模如图3所示[4]。

图3 2012-2019年我国煤泥平均价格以及市场规模

由图3可以看出，随着近几年煤炭价格的回升，煤泥的平均价格也随之增长，煤泥的整体市场规模从2012年的43.24亿元增长至2019年的108.15亿元，市场的规模较大。

我国煤炭生产企业的煤矸石年均排放量约为7亿t，在国家实施的煤炭资源综合利用相关政策的鼓励下，煤矸石的整体综合利用水平也不断提高，煤矸石综合利用率从2012年的63%提高到2019年的70%，但与2012年原国土资源部提出的关于煤炭矿山企业的煤矸石综合利用率应达到75%以上的目标仍有一定差距。2012-2019年我国煤矸石产量及利用情况如图4所示[5-6]。

图4 2012-2019年我国煤矸石产量及利用情况

2 低热值煤资源利用情况分析

煤矸石和煤泥作为煤炭生产的固体废弃物，其综合利用一直是行业内的重要研究课题。国外煤矸石主要用于复田造地和制作建材[7]，我国煤矸石综合利用的方式主要是燃烧发电、筑路填坑、土地复垦和建筑材料等，近年来也出现了有色金属提取、矿物分选、新型材料生产等高附加值的利用方式[8-10]。煤泥的资源化利用主要与其特性有关，低灰高热值煤泥的利用途径主要有直接燃烧发电或者制备锅炉燃料(水煤浆、型煤)，而对于高灰低热值的煤泥则主要用作建筑掺合料和工业填料等，但是煤泥用作填料、制砖、制水泥的附加值较低，并不能带来较大的社会效益和经济效益[11]。近年来，针对煤矸石和煤泥的高附加值资源化利用方法的研究很多[12-13]，但是利用量较小，不能实现大规模的快速减量。

3 低热值煤资源发电现状

由图2和图4也可以看出，我国煤泥的产生量和利用量之间有较大差距，目前的利用量不足产量的25%；虽然近年来煤矸石的综合利用率不断提高，达到了70%，但由于煤矸石的排放体量更大，仍有大量的煤矸石得不到较好的应用。

虽然煤矸石和煤泥属于煤炭生产的废弃物，但是其本质上仍属于低热值煤燃料，从煤炭资源综合利用的行业背景和技术成熟度上来看，煤矸石和煤泥直接用于燃烧发电仍然是能够实现其大规模处理的有效途径，不仅可以大幅度的减量，而且可以替代部分优质煤炭的消耗。

我国在20世纪70年代就开始建立示范性的煤矸石发电项目[14]，经过40多年的发展，低热值煤资源发电产业不断壮大，截至2019年底，煤炭行业资源综合利用发电机组装机规模达4 100万kW，其中煤矸石、煤泥资源综合利用装机规模约3 000万kW，低热值煤发电装机规模近1 100万kW，根据中电联发布的数据显示，2019年底全国煤电装机规模约为10.5亿kW，按此计算煤炭资源综合利用发电装机占全国煤电装机的比重仍不足4%，因此在低热值煤资源燃烧发电的市场潜力巨大。2010-2019年我国煤矸石和煤泥发电情况如图5所示[15]。

图5 2010-2019年我国煤矸石和煤泥发电情况

煤矸石和煤泥等低热值煤燃料用于发电，可以减少原煤的消耗，对于火电企业具有一定的降成本作用，根据图5的数据测算，2010年煤炭资源综合利用电厂当年消耗处置煤矸石(煤泥)量在1.06亿t左右，占当年利用总量的29%，回收能量折合标煤3 300万t；2019年煤炭资源综合利用电厂消耗煤矸石(煤泥)量增加至1.51亿t，占总量的比重为28.8%，回收利用能量折合标煤4 700万t[15]。

随着火电市场压力加大，煤电一体化的推进、产业集中度上升以及资源节约利用与环保政策的要求，预计未来我国煤矸石和煤泥的发电量将会保持持续稳定的增长态势[16]。此外，这些低热值煤完全用于发电，将为当地节约可观的运力资源和土地资源，为进一步提升煤炭终端消费环节产品质量提供保障，大力发展低热值煤资源发电非常迫切且十分必要。

4 低热值煤的循环流化床燃烧技术

目前对于灰分相对较低、热值相对较高的煤矸石和煤泥基本上可以实现直接燃烧发电，但对于大量高灰分、低热值的煤矸石和煤泥，直接用于燃烧发电在运行稳定性方面仍存在一定技术难度。根据我国《煤矸石综合利用管理办法(2014年修订版)》中提出的要求，用于CFB燃烧发电的煤矸石混合燃料热值应低于12.56 kJ/kg。对于发热量在3.35～6.28 kJ/kg之间的超低热值煤矸石直接用于燃烧发电则非常困难[17]，而对于高水分、高灰分、固体粒度很细的煤泥直接燃烧也存在燃烧稳定性差、燃烧效率低下以及污染物排放高的问题。进一步探索低热值甚至超低热值煤矸石和煤泥的直接燃烧发电，是行业内亟待解决的关键问题。

4.1 循环流化床燃烧低热值煤的优势

循环流化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)技术，作为重要的清洁煤燃烧技术，具有燃料适应性广、负荷调节能力强、燃烧效率高、污染物排放低等优点[18-22]，CFB锅炉炉膛内的流态化燃烧特点使其成为燃用矸石和煤泥等低热值燃料的燃烧创造了有利条件，使其成为了目前工业化综合利用低热值煤资源的最佳途径。煤矸石和煤泥在CFB锅炉中掺烧的方式非常普遍，技术也非常成熟，近年来也有报道关于CFB锅炉纯烧超低热值煤矸石和高水分煤泥的案例[23]，通过在CFB锅炉上采用特殊的设计以适应更低热值燃料的燃烧，取得了良好的应用效果。

4.2 循环流化床燃烧低热值煤的关键设计

循环流化床作为“一进二出”的宽筛分物料平衡体系[24]，系统的平衡是指各个粒径的颗粒进出流率均达到平衡。炉膛内的颗粒粒径分布、燃料分布是影响锅炉运行及其性能的关键因素[25]。根据理论研究和实践经验，YUE[26]等研究专家提出了CFB流态图谱，使用流化风速和循环流率这2个物理量，来描述密相区以上的快速床状态。CFB锅炉在燃烧低热值煤矸石和煤泥时，需要针对其燃料的特点进行特殊的考虑，其中最重要的是燃料在燃烧过程中的成灰特性，这影响了炉膛内的流态结构以及循环回路中的物料平衡，而在实际的操作过程中分离器效率、排渣效率以及回料阀的性能是其中的关键点[27]。

燃料在CFB锅炉炉膛内的燃烧以及颗粒之间的不断碰撞会形成不同粒径的颗粒，虽然煤矸石和煤泥等低热值燃料的特性与一般的原煤差别较大，但仍可以采用煤的本征成灰特性进行研究，根据燃料的本征成灰特性研究方法[28]，获得了某典型低热值煤矸石生成的不同粒径颗粒的比例，矸石本征成灰特性如图6所示。

图6 矸石本征成灰特性

由图6可以看出，不同粒径档位的矸石生成的不同粒径灰样的比例各不相同，0～0.3 mm粒径档位的矸石颗粒燃烧后得到的细颗粒(小于0.03 mm)最多，约为18%，其他粒径档位的矸石颗粒燃烧后得到的细颗粒相对较少，这主要是由于煤矸石中水分含量低且灰层较硬，因此相比于原煤，其磨损特性较差。根据图中对宽筛分原始煤矸石中6个档位粒径的本征成灰特性结果进行计算，原始煤矸石燃烧后颗粒粒径在0.06～0.20 mm档位的颗粒所占比例约为14%，而这部分粒径的颗粒属于构成CFB锅炉循环物料的关键粒径范围。

此外，煤矸石特别是高灰分含量的超低热值煤矸石挥发分较低，煤矸石热解后难以形成多孔的焦炭，又由于其燃烧过程中形成的较厚的灰壳，增加了传质阻力，阻碍了氧气与内部焦炭的反应，导致了煤矸石内部燃烧不完全[17]。因此，在CFB锅炉燃烧超低热值煤矸石时，需同时考虑煤矸石的燃尽以及外部循环物料浓度的构建，必须考虑优化入炉煤矸石粒径以及与之匹配旋风分离器的效率等关键因素。

根据燃料的本征成灰特性研究方法，获得了某典型低热值煤泥生成的不同粒径颗粒的比例。煤泥本征成灰特性如图7所示。

图7 煤泥本征成灰特性

由图7可以看出，原始煤泥的粒径比较细，颗粒粒径都在0.3 mm以下，煤泥燃烧后生成的细颗粒(小于0.03 mm)比例很高，达71%。由于原始煤泥的整体颗粒粒径较细，因此只取其中一个档位的原始煤泥粒径进行分析，经过计算可知，原始煤泥燃烧后生成颗粒粒径在0.06～0.20 mm档位的颗粒比例只有7%，这并不利于常规CFB锅炉快速形成外部循环物料的浓度。

CFB锅炉燃烧低热值煤泥，则需要重点考虑旋风分离器的效率，充分利用高效分离器的饱和夹带能力，提升外部循环物料的浓度，同时优化床料存量，避免高灰分煤泥可能带来的循环流率增高引起的返料器波动问题[29]。曾有报道某300 MW的CFB锅炉大比例掺烧煤泥后出现返料器震动的现象。另外，高水分团状煤泥在炉膛内的燃烧形态变化，涉及的煤泥给入位置也是需要重点关注的研究内容。

因此，针对CFB锅炉燃烧矸石和煤泥等低热值燃料，主要关注的技术要点包括，合理的匹配旋风分离器效率，提高床料质量；高通量回料阀，保证稳定返料；低阻防漏风帽，同时保证布风均匀；优化受热面结构，提高换热效率及防磨；合适的燃料粒径控制及燃料给入位置等。

4.3 循环流化床燃烧低热值煤的污染物控制

CFB锅炉在污染物控制方面具有先天的优势，由于其炉膛内均匀的中温燃烧方式，避免了热力型NOx的生成，且炉内存在大量的还原性循环物料，使得NOx原始排放浓度远低于其他燃烧方式；而通过炉内添加石灰石的干法脱硫方式，CFB锅炉也能实现90%以上的脱硫效率[30]，因此在国家新的大气污染物排放标准(GB13223-2011)发布前，CFB锅炉在主要大气污染物(NOx、SO2)的排放方面几乎没有压力。

近年来我国大气环保标准的要求日趋严格，随着常规燃煤电厂超低排放要求的实施，CFB锅炉也面临着巨大的排放压力，特别是燃用煤矸石和煤泥的低热值电厂，存在入炉燃料高灰分、高水分、高硫分以及燃料粒度变化较大的特征，导致CFB锅炉的NOx和SO2排放量较大，难以实现清洁排放[31]。

影响CFB锅炉主要大气污染物(NOx和SO2)排放的因素很多，除了燃料的固有特性外，锅炉的运行参数对于其排放的影响较大，主要体现在锅炉负荷、运行床温、一二次风配比、燃烧氧量、给煤粒度等，目前在这方面的研究也取得了大量有价值的成果[32]，使得CFB锅炉在控制污染物排放方面的能力不断提高，可以指导CFB锅炉的优化设计和运行。现阶段对于CFB锅炉中NOx和SO2的炉内协同控制成为了研究的重点问题，在CFB燃烧过程中氧量对于NOx和SO2原始排放浓度的影响趋势相反[29]，同时作为炉内脱硫剂的石灰石，也会显著影响NOx的原始排放浓度，CFB锅炉在实际运行过程中，NOx和SO2排放呈现“峰谷相对”的特征，CFB锅炉NOx与SO2排放关系如图8所示。

图8 CFB锅炉NOx与SO2排放关系

由图8可以看出，当投入石灰石过量时，SO2可以实现近零排放，但与此同时NOx的排放出现峰值，表现为循环流化床锅炉NOx排放水平随Ca/S的增加而上升[33]。因此，在协同控制SO2和NOx这2种污染物时，需关注此种效应，不可因片面追求高脱硫效率而忽视其对NOx生成的促进作用。

随着对CFB燃烧技术低排放潜力的进一步挖掘，通过改善CFB炉膛内的床料质量，包括提高炉膛内循环物料均匀性、降低循环物料粒径以及增加循环颗粒浓度[34-35]，均可有效地降低燃烧过程中NOx的生成。同时，采用细颗粒石灰石的炉内脱硫方式，也可以避免对于NOx排放浓度的增加[36]。

从目前已经运行的燃用煤矸石和煤泥的CFB锅炉来看，虽然煤泥、煤矸石等低热值燃料对循环流化床锅炉的环保性能有一定的影响，但仍可以通过CFB燃烧技术的进步以及运行技术的优化来实现较低的原始污染物排放，此外配合炉外的脱硫、脱硝与除尘设备实现燃用低热值燃料条件下的超低排放效果。

5 循环流化床发电应用前景分析

5.1 发展循环流化床发电的重要意义

从循环流化床发电技术发展现状看，对于低热值燃料的适应性、锅炉大气污染物控制等方面，均已达到国家相关标准的要求。以2019年为例，煤炭行业现有的4 100万kW煤矸石综合利用电厂和低热值煤电厂，每年利用的低热值煤资源量为1.51亿t(不含中煤)，不到全国当年产生量的50%，与2011年国家能源局在《关于促进低热值煤发电产业健康发展的通知》文件中确定的低热值煤发电装机7 600万kW的目标，仍有较大的差距。

随着2030年碳达峰目标和2060年实现碳中和愿景的能源战略确立，在煤炭基础能源地位短期难以改变的情况下，“十四五”及今后一个时期，国家对提高煤炭清洁高效水平的要求必将进一步提高，终端消费环节对煤炭产品质量的要求在环保排放、能源双控约束和碳减排等条件下也会随之提高，通过提高煤炭利用效率实现降低煤炭能源消费占比和减碳目标。可以预见，继续扩大和发展煤炭洗选加工，提高远距离运输煤炭产品的质量，实现精煤外运、低热值煤资源就地转化，降低运输损耗将是大势所趋。在主要产煤地区的大型煤炭矿区，发展以低热值煤为主要燃料的循环流化床综合利用发电项目，是实现煤炭绿色高质量发展的重要举措。

5.2 低热值煤资源排放日趋集中且大量资源有待利用

近年来，随着煤炭供给侧结构性改革和煤炭行业去产能工作的推进，煤炭生产格局发生了较大的变化。根据国家统计局和各地发布的煤炭产量数据，分析排名前10的主要产煤省份煤炭产量情况变化可以看到，2010年排名前10的省份煤炭产量占全国煤炭产量的81.8%，晋陕蒙宁新五省(区)占全国产量的60%；2015年排名前10的省份煤炭产量占比上升至87.9%，晋陕蒙宁新五省(区)占比上升至70.3%；2019年排名前10省份煤炭产量占比增至92.7%，晋陕蒙宁新五省(区)占比上升至78.9%。煤炭产能进一步向煤炭大省集中，这也意味着洗选比例进一步提高后新增的低热值煤资源排放也向这些区域进一步集聚，当地现有的煤矸石综合利用电厂和低热值煤电厂对低热值煤资源的消纳能力完全无法满足当地的需求，大量低热值煤资源有待资源化利用。

5.3 应用前景分析

从技术发展的角度看，困扰循环流化床发电技术在低热值煤消纳利用和处置方面的问题，目前已基本得到解决，污染物超低排放、空冷技术应用、安全稳定和机组效率等方面已得到实践验证，在满足环境容量和生态承载力、电网消纳空间的前提下，优先建设循环流化床低热值煤综合利用一体化发电项目，可以有效缓解煤炭资源分布与煤炭主要消费区逆向分布的矛盾，提高煤炭清洁利用水平。从能源禀赋条件和能源产业发展的趋势判断，我国的煤炭生产和消费需求在“十四五”期间仍将保持在较高水平。随着煤炭产能进一步向晋陕蒙宁新等主要产煤省(区)集中，在煤炭入选比例继续增长的情况下，每年的新增低热值煤资源量也将保持高位。以2019年煤炭产量、原煤入选情况测算，当年未进入煤矸石综合利用电厂和低热值煤电厂进行燃烧发电的低热值煤量在1.7亿t左右。这部分资源主要以堆存的方式弃置不用，部分通过各种渠道进入如民用散煤、工业散煤等流通环节，存在较大的环境污染隐患。综合技术现状和资源情况可以看到，发展低热值煤循环流化床发电仍有较大的潜力和空间。