典型燃煤工業鍋爐行業現狀和技術經濟分析

王志強，楊 石

（煤科院節能技術有限公司，北京 100013）

工業鍋爐泛指額定蒸汽工作壓力大于0.04 MPa并小于3.8 MPa 的蒸汽鍋爐，以及額定出水壓力大于0.1 MPa 的多種容量與溫度的熱水鍋爐，是一種重要的熱能動力設備，我國是世界上生產和使用工業鍋爐最多的國家。工業鍋爐除了用于為市政供暖供熱的生活領域，還廣泛地應用于冶金、化工、煉焦、水泥、造紙、造船、垃圾處理等生產行業。

截至2017 年，全國工業鍋爐約有40.1 萬臺，總容量合計約206 萬蒸t，由于能源結構的特殊性，燃煤工業鍋爐約32 萬臺，占總量的80%[1]。在目前我國以煤炭為主的能源消費結構下，燃煤工業鍋爐在相當長的一段時間內仍然是工業鍋爐的主導產品。經過長期的發展，燃煤工業鍋爐主要形成了鏈條爐排鍋爐、循環流化床鍋爐、水煤漿鍋爐以及近年來興起的高效煤粉工業鍋爐等典型的技術流派和產品種類。不同類型鍋爐都有其各自的技術、經濟特點和適用范圍。因此選擇何種形式的燃煤工業鍋爐也成為用戶最為關切的問題之一。對于燃煤工業鍋爐技術特點和經濟性的對比分析，可查資料不多。

本文通過對工業鍋爐行業現狀以及幾類典型燃煤工業鍋爐的技術特點、經濟性進行對比分析，期望能對鍋爐用戶項目的建設提供決策的依據。

1 技術分析和行業現狀

1.1 鏈條爐排鍋爐

鏈條爐排鍋爐是一種比較完善的層燃型鍋爐，具有超過一百年的歷史。空氣從爐排下送入。燃料隨爐排自前向后緩慢移動，在爐膛內受輻射加熱，依次完成預熱、干燥、著火、燃燒等過程。鏈條爐排鍋爐結構簡單、制造安裝和操作方便、煙塵排放濃度較低[2]。但熱效率不高，而且爐排鏈條不易檢修更換。近年來，通過強化燃燒、前后拱改造等手段，鏈條爐排鍋爐的節能減排效果有顯著提升。該型鍋爐主要在節能、環保性能方面需要進一步提高。目前仍采用的手燒加煤、 間歇燃燒方式的小型固定爐排鍋爐必將淘汰，取而代之以新開發的新型鍋爐。

1.2 循環流化床鍋爐

循環流化床鍋爐技術（CFB）是近年來迅速發展的一項煤清潔燃燒技術，我國是世界上 CFB 鍋爐數量最多、總裝機容量最大、技術發展最快的國家，大型CFB 鍋爐技術基本可以分為技術引進和自主開發兩類[3]，燃燒系統主要由布風板、燃燒室、飛灰收集裝置（分離器）、物料回送裝置等組成。煤顆粒在設有防磨內襯的燃燒室內循環流化燃燒，灰渣采用干式排出。該類鍋爐具有爐內脫硫效率高（90%）、燃料適應性廣、低溫低氮燃燒等技術優勢。

現今國內的研究主要圍繞布風板、 旋風分離器的布置以及如何增大受熱面進行，完善布風、循環物料分配以及爐膛熱量平衡。

循環流化床鍋爐燃燒效率可高于98%，鍋爐熱效率大于85%。負荷調節范圍在25%～100%。

1.3 水煤漿鍋爐

水煤漿鍋爐以煤粉、水質量比約7∶3，外加少量添加劑的水煤漿為燃料。按照燃燒方式分類，水煤漿鍋爐可分為霧化燃燒和循環流化床水煤漿鍋爐兩類。霧化燃燒方式是經霧化燃燒器將水煤漿液霧化成小顆粒或顆粒群后再進行燃燒，霧化燃燒器是該類水煤漿鍋爐的技術核心； 流化床燃燒技術無需霧化，而是通過粒化器將水煤漿液制成滴狀落在床料層中，進行燃燒。兩種燃燒方式各具特點，但綜合經濟性差別不大。

整個水煤漿鍋爐系統包括燃料儲供、鍋爐本體、點火、供風、煙氣凈化等子系統。由于水煤漿鍋爐煙氣中含有大量水分，因此鍋爐尾部需要配置余熱回收裝置來吸收高溫煙氣中水蒸氣的熱焓。

水煤漿鍋爐燃燒效率可高于98%[4-5]，鍋爐熱效率大于85%，負荷調節范圍在30%～110%。

1.4 高效煤粉工業鍋爐

高效煤粉工業鍋爐技術在上世紀90 年代中期即已成熟，并且在德、法等發達國家得到廣泛應用。我國最早于上世紀60 年代曾對煤粉工業鍋爐技術進行研發，但受當時技術、經濟等條件的限制，并未取得很好的成果[6]。上世紀末本世紀初，煤科總院在吸收國外先進技術理念的基礎上，形成了適合我國國情的高效煤粉工業鍋爐技術體系。

煤粉鍋爐系統的核心技術是煤粉燃燒器及煤粉儲供設備，同時還包含鍋爐本體、煙氣凈化、點火裝置、供風設備等子系統[7]。本地煤粉儲罐容量設計一般可以滿足 1～3 天用量，一般為 150～500 m3，最大可達1 000 m3。通過煤粉罐密、惰性氣體保護、防靜電、泄爆等多種手段，實現煤粉的安全存儲[8]。現階段在工業鍋爐領域取得良好應用效果的煤粉燃燒技術以煤科院開發的濃相逆噴煤粉燃燒技術為代表。高效煤粉工業鍋爐燃燒效率可達98%以上，鍋爐熱效率高于90%，負荷調節范圍在70%～100%。目前高效煤粉工業鍋爐系列產品共分三類36 個品種。以煤科院為例，截至2018 年底，在內蒙、山西、江蘇、天津、廣西等地已完成了200 余套高效煤粉工業鍋爐的建設，單臺鍋爐最大容量達到80 t/h。

1.5 典型鍋爐技術性能綜合分析

各類燃煤工業鍋爐的技術特點如表1 所示。

表1 不同燃煤工業鍋爐技術特點對比

1.6 行業發展現狀

我國工業鍋爐從最初直接依靠進口到自主研發生產，取得了很大的進步，“十二五”期間更是取得了長足的發展。“十三五”以來，國家環保政策漸嚴，《工業領域煤炭清潔高效利用行動計劃》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《質檢總局燃煤鍋爐節能減排攻堅戰工作方案》和《鍋爐大氣污染物排放標準》陸續出臺，對燃煤工業鍋爐提出了更高要求，產量也發生了相應變化[21]，趨勢如圖1 所示。

圖1 我國工業鍋爐產量發展變化趨勢圖

從圖 1 可以看出，2008～2017 年我國工業鍋爐產量可分為兩個階段：2008～2014 年，產量逐年增長，2014 年達到產量頂峰為 558 118 t/h；2015 年以來，產量逐漸顯現下滑趨勢，2017 年產量為433 675 t/h。2014～2017 年，產量整體下滑趨勢較為明顯。2018 年1～10 月累計工業鍋爐產量為235 678.2 t/h，同比減少35%。

在典型燃煤工業方面，據統計分析[22]，2018 年鏈條爐排鍋爐產量占比持續下降，以臺數計，降比為5個百分點，由13.99%下降為8.28%；以容量計，下降幅度為2 個百分點，由13.46%下降到11.35%。2018年循環流化床鍋爐產品產量所占比例，不論是以臺數計還是以容量計與2017 年相比，基本持平。水煤漿和高效煤粉工業鍋爐占比較小，以臺數計分別為0.04%和0.28%，以容量計分別為0.27%和1.66%，與2017 年相比，保持相對穩定。

2 經濟性分析

2.1 初期投資對比分析

表2 為不同燃煤工業鍋爐投資成本比較。由表2 可知，由于鏈條爐排爐設備成本較低，水煤漿鍋爐項目不需要輸煤、出渣設備以及煤場、灰場。因此上述類型鍋爐在基礎投資方面比其他兩種類型鍋爐節省了初投資。而高效煤粉鍋爐由于需要煤粉儲存輸送設備，以及相關的安全保護措施，因此其設備投資明顯高于其它類型鍋爐，導致其初投資很高。

表2 不同燃煤工業鍋爐投資成本比較 （萬元）

鏈條爐排鍋爐、循環流化床鍋爐、高效煤粉工業鍋爐和水煤漿鍋爐的初投資比例約為1∶1.12∶1.22∶1.01。四類鍋爐的初投資比例趨勢與文獻[23-24]一致。

2.2 運行成本對比分析

按照蒸汽壓力1.0 MPa，蒸汽溫度184 ℃，鍋爐年供蒸汽量7.2 萬t，給水溫度104 ℃，噸蒸汽耗水量 1.2 t，人工費 4 萬元/（年人）計算，平均電價 0.7元/kW·h，水價 4 元/t。計算得到典型燃煤工業鍋爐的運行成本（見表3）。

由表3 可知，由于高效煤粉工業鍋爐的效率、燃料熱值高于其它類型鍋爐，而噸蒸汽耗電、運管人數低于其它鍋爐，因此高效煤粉鍋爐的運行成本要明顯低于其它鍋爐。鏈條爐排鍋爐、循環流化床鍋爐、高效煤粉工業鍋爐和水煤漿鍋爐運行成本的比例為1.19∶1.09∶1∶1.34，趨勢與文獻一致。

2.3 投資回收期對比分析

根據范瑋[25]的研究，影響鍋爐系統運營投資的主要因素中，按照敏感性進行排序，依次為：蒸汽供需量、燃料價格、蒸汽價格、初投資。考慮到蒸汽供需量、蒸汽價格受用戶因素制約，近年來煤炭價格變化幅度很大，而鍋爐房建設初投資等變化幅度相對較小，因此本文僅考察不同煤炭價格下，各類燃煤工業鍋爐的投資回收期變化情況。

表3 不同燃煤工業鍋爐運行成本比較

假定蒸汽銷售價格200 元/t，燃料價格以循環流化床燃煤價格為基礎，按照表2 所示比例計算，得到各類燃煤工業鍋爐在不同燃料價格下的投資回收期（見圖 2）。

圖2 不同燃煤工業鍋爐投資回收期比較圖

由圖2 可知，各鍋爐項目的投資回收期均隨燃料價格的升高而增加。其中高效煤粉工業鍋爐項目投資回收期最短，隨燃料價格的升高，增長幅度最小。

3 結論

通過對幾類典型燃煤工業鍋爐的技術經濟分析，得到以下結論：

（1）各類鍋爐均有其自身的技術優勢及短板，鏈條爐和高效煤粉鍋爐的操作比較簡單，循環流化床鍋爐和水煤漿鍋爐初始SO2排放可達到較低水平，循環流化床鍋爐需要注意受熱面的磨損問題，水煤漿需要考慮制備漿液的水源和漿液防凍問題，高效煤粉鍋爐應關注煤粉的安全儲存和輸送問題；

（2）在相同容量和運行條件下，鏈條爐排鍋爐、循環流化床鍋爐、 高效煤粉工業鍋爐和水煤漿鍋爐的初投資比例約為 1∶1.12∶1.22∶1.01，運行成本比例約為 1.19∶1.09∶1∶1.34。其中高效煤粉鍋爐的投資回收期最短。

（3）鍋爐用戶應該根據各種鍋爐的技術特點和經濟性，在進行具體決策時還需結合自身實際情況：如燃料的可獲得性、 用熱需求等因素，進行綜合考量，最終確定適合的鍋爐類型。