我國煤粉工業鍋爐技術及應用推廣現狀分析

牛 芳

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013； 3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

目前我國燃煤工業鍋爐已成為僅次于燃煤發電的第二大燃煤型污染源[1-3]，即其也為PM2.5、PM10的主要來源之一。國家統計局于2020年2月28日發布的《中華人民共和國2019年國民經濟和社會發展統計公報》數據顯示，2019年全年能源消費總量48.6億t標準煤，比上年增長3.3%，煤炭消費量增長1.0%，即煤炭消費量占能源消費總量的57.7%，比上年下降1.5個百分點。煤炭消費量占能源消費總量之比值雖有所下降，但煤炭消費量還在持續增長。在可預見的時期內，我國以煤為主的能源結構不會發生根本性改變[4]，因此煤炭的清潔高效利用已成為符合我國國情和市場需求的必然選擇，也是大氣污染有效治理的根本途徑[5-7]。據有關部門統計，目前我國的燃煤主要集中用于2個領域:52%的燃煤用于電力領域、32%的燃煤用于工業生產領域。電站鍋爐經過數十年的發展，目前已形成完善的技術體系，基本上國內所有電廠均達超低排放標準。相比于電站鍋爐，燃煤工業鍋爐技術的發展相對滯后，目前該領域還存在各從業單位技術水平參差不齊、各地行業規范標準不統一和市場秩序混亂等問題。

燃煤工業鍋爐一般包括鏈條爐、循環流化床鍋爐和煤粉鍋爐。其中,鏈條爐由于燃燒效率低的缺陷，國家正逐步將其淘汰；循環流化床鍋爐在燃燒高灰煤和劣質煤時存在優勢，但其鍋爐效率低于煤粉鍋爐；煤粉鍋爐煤種適應性低于循環流化床鍋爐，但在燃燒優質煤時具有高效率、低耗能、低磨損、低占地面積的優點，成為實現燃煤高效利用時優先考慮形式[8-10]。煤粉工業鍋爐技術的發展和革新在推動煤炭高效清潔利用中起到至關重要的作用。早在20世紀90年代，我國高度重視煤粉工業鍋爐的開發，煤科院節能技術有限公司(以下簡稱煤科院節能公司)為我國煤炭行業煤粉鍋爐技術支持單位，已陸續開發煤粉燃燒器、雙鎖氣閥供料器、煤粉儲倉等系列產品。目前我國大中小鍋爐制造生產企業共有1 000多家，構成了煤粉工業鍋爐的國內行業體系，但廠點太多、產品雷同度大且大多未形成規模生產。為了滿足國家日益嚴苛的能源高效利用和環保要求，目前煤粉工業鍋爐技術體系處于高速發展階段。以下針對我國近年來煤粉工業鍋爐研發的關鍵技術和推廣應用現狀進行論述，以期為促進我國煤粉工業鍋爐行業規范、和諧、健康發展提供參考。

1 煤粉工業鍋爐核心技術

目前煤粉工業鍋爐的核心技術主要包括以下4項:煤粉供料技術、煤粉高效低氮燃燒技術、煙氣超低排放凈化技術和測控技術。其中煤粉供料技術和高效低氮燃燒技術是決定煤粉工業鍋爐是否穩定運行的核心技術，而煤粉高效低氮燃燒技術決定鍋爐效率和污染物初始排放水平，煙氣超低排放凈化技術決定煤粉工業鍋爐系統最終排放是否滿足國家日益嚴苛環保要求，測控技術決定煤粉工業鍋爐系統自動化水平。

1.1 煤粉供料技術

煤粉供料技術是煤粉工業鍋爐是否穩定運行的核心因素，其主要作用為連續穩定地將煤粉送入鍋爐[11-17]。相比電站鍋爐，煤粉工業鍋爐容量小且供料器數量遠小于電站鍋爐，因此對單個供料器的供料精度提出了更高的要求。煤粉工業鍋爐的供料方式分為兩類:被動式供料和主動式供料[18-23]。其中被動式供料主要有螺旋(齒輪)供料器和鎖氣閥供料器2種形式，主動式供料主要指高精度圓盤供料器。其中螺旋(齒輪)供料器價格低廉，但有密閉性和抗干擾能力差以及混合器易積料的問題，設備可靠性差，存在發生卸料沖擊引起鍋爐爆燃事故風險。相比螺旋供料器，鎖氣閥供料器的抗干擾能力和穩定性均有顯著提高且價格適中，是目前煤粉工業鍋爐最常用的供料方式。相比螺旋供料器和鎖氣閥供料器，高精度圓盤供料器屬于主動供料范疇，該技術供料精度很高，且適用于煤粉、生物質等多種復雜燃料的供料，但存在設備體積大和運行成本高的問題，并未在煤粉工業鍋爐領域得到大面積推廣，仍處于工業性試驗階段。隨著客戶對煤粉工業鍋爐燃料多樣性、運行穩定性要求越來越高，高精度圓盤供料器也是煤粉工業鍋爐領域供料發展方向之一[24-26]。目前開發的多款鎖氣閥供料器和圓盤供料器可滿足不同燃料、不同用戶的需求。

1.2 煤粉燃燒器

煤粉燃燒器是煤粉鍋爐燃燒系統中的關鍵設備，燃燒器的性能對煤粉燃燒設備運行的可靠性和經濟性起到主要的作用。煤粉工業鍋爐煤粉燃燒器的設計多參照國內外電站鍋爐燃燒器的設計經驗。目前，應用于煤粉工業鍋爐的燃燒器可主要分為四類，分別為旋流燃燒器、直流燃燒器、鈍體燃燒器和預燃室燃燒器[25-33]，通過合理組織多股射流的流動及混合促進煤粉的著火、穩燃及燃盡。鈍體燃燒器通過在來流方向增設鈍體，從而在鈍體后方構建低壓高溫回流區，實現煤粉著火及穩燃。預燃室燃燒器最初是為了解決煤粉鍋爐的低負荷穩燃問題，合理地組織著火以及防止壁面結渣和燒壞是預燃室燃燒器需重點關注的問題。預燃室燃燒器的壁面常采用耐火材料或耐熱鋼加工，利用鈍體繞流或旋轉射流，在預燃室內形成強回流和其他有利條件，保證煤粉的穩定著火和燃燒。增強燃燒穩定性、提高燃燒效率及降低污染物排放是工業煤粉燃燒器的核心問題，而實現煤粉濃淡燃燒、構建高溫煙氣回流及空氣分級燃燒是解決上述問題的重要燃燒組織方式[36-37]。

煤科院節能公司經過數年的發展，首次將旋轉射流、逆噴射流、預燃室、鈍體4種穩燃因素集于一體，由此設計的多款煤粉工業鍋爐燃燒器具有迅速點火的特點，且在煤種適應性、燃燼、低氮方面均有上佳的表現。

1.3 煙氣超低排放凈化技術

煙氣超低排放凈化技術主要涵括煙氣的除塵技術、脫硫技術和脫硝技術[34-40]。關于除塵技術，常采用三類除塵設備，即布袋除塵器、濕式電除塵器和電袋除塵器。面對愈發嚴格的排放標準，布袋除塵器已不能滿足環保要求；而濕式電除塵器雖能滿足環保要求，但需設置預除塵設備，存在整個工藝復雜、造價高、占地面積大的問題。電袋除塵器具有可靠性好、結構緊湊、占地面積小、運行成本低的優點，出口排放濃度可低于5 mg/m3或10 mg/m3，達到超低排放標準，且能夠協同脫除SO3、汞和重金屬，上述優點將使其在煤粉工業鍋爐領域擁有廣泛的應用前景。

關于脫硫技術，常采用濕法脫硫、半干法脫硫和干法脫硫3種形式。其中濕法脫硫效率最高，但存在廢水二次污染和石膏雨等問題；干法脫硫效率低，因而不滿足目前環保的要求；而半干法脫硫利用爐內煅燒煤粉中原生鈣質碳酸鹽生成活性CaO脫硫，如爐內固硫耦合高倍率灰鈣循環煙氣脫硫技術(NGD，No Gap Desulfurization)具有脫除效率高、占地面積小、工藝流程簡單、建設及運行成本低等優點，另外NGD避免了濕法脫硫廢水二次污染和石膏雨現象，極大地減少了用水量，具有較大的應用前景。

煙氣脫硝技術主要包括SNCR脫硝技術和SCR脫硝技術，該2種技術為直接移植的電站鍋爐脫硝技術，相對較為成熟。針對煤粉工業鍋爐的特點進一步研發臭氧脫硝技術，煙氣經除塵器凈化后進入臭氧脫硝裝置，將煙氣中的NOx氧化生成更容易吸收的NO2和N2O5，生成產物進入到NGD中與富含Ca(OH)2的増濕攪拌灰吸收，可有效降低煙氣中的NOx，從而達到超低排放的目的。

目前煤粉工業鍋爐還處于高速發展階段，煙氣超低排放凈化技術有多種組合方式。煤科院節能公司經過多年的技術研發，形成了具有煤科院特色的工業鍋爐煙氣污染物控制工藝，即“分級低氮燃燒+SNCR+NGD+旋風分離器+布袋除塵器/電袋除塵器+臭氧脫硝”。該方法具有投資和運行成本低、占地面積小、運行穩定的特點，且能夠避免脫硫廢水二次污染和有色煙雨等問題，在煤粉工業鍋爐領域將有較好的應用前景。

1.4 測控技術

煤粉工業鍋爐測控技術為決定鍋爐系統自動化水平的核心要素，其控制著煤粉工業鍋爐系統的運行，即大體可將測控技術分為3個發展階段。第1階段:觸摸屏結合S7200系列的小型PLC控制系統，此測控系統實現了傳感器數據的遠程回傳、鍋爐相關動力設備的起停控制等智能控制基本功能，是煤粉工業鍋爐自動控制的初級階段；第2階段:上位機電腦結合S7300系列的中型PLC控制系統，此階段除了第1階段的基本功能外加入了測點報警、設備連鎖保護、數據歷史記錄、負壓自動、恒壓補水等功能。第3階段:DCS大型控制系統，此測控技術將大數據分析、移動網絡等新技術應用于煤粉工業鍋爐領域，實現鍋爐的遠程監控、故障自診斷等功能。隨著煤粉工業鍋爐容量增大、市場對鍋爐自動化程度提出更高的要求，提出了智慧煤粉爐的概念[41-45]，即在煤粉工業鍋爐運行生產過程中可自主優化，相關系統能夠采集、分析、判斷和規劃自身行為，智能地在線動態優化配置設備及其參數[44-46]。“智慧煤粉爐”等概念的提出使DCS測控技術在煤粉工業鍋爐領域有很好的應用前景。煤科院節能公司在DCS測控技術的支持下，初步達到了無人值守的效果。

我國煤粉工業鍋爐從鍋爐型式來說，已形成適應我國國家和滿足國內市場需求的較完整的產品規格體系。鍋爐本體型式早已成熟，煤粉工業鍋爐行業今后的變化、發展，主要隨著燃料品質的變化、環保要求的提高以及科學技術發展而帶來供料方式、燃燒方式以及檢測和自動控制水平的提高和完善。煤粉工業鍋爐技術未來將面臨精耕細作的過程，著眼于從有到優、從整體到細節、從單機到系統、全生命周期的優化提升，并著重于對現有經驗的理論提升和實證研究。

2 推廣應用現狀

2.1 煤粉工業鍋爐發展環境分析

我國煤粉工業鍋爐發展環境主要受政策環境、經濟環境和社會環境3個方面影響。其中關于政策環境，我國從“十一五”、“十二五”規劃中，煤粉工業鍋爐已被列入各類政府文件并進行了廣泛的推廣宣傳。此后隨著我國霧霾的加重、生態環境問題的日益突出，中央政策以及地方政府又頒布了一系列的政策，明確表示支持煤粉工業鍋爐行業的發展。2014年，國家發展改革委、環保部、財政部、質檢總局、工信部、國管局、國家能源局等七部門聯合下發《關于印發燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程實施方案的通知》(發改環資〔2014〕2451號)，共同啟動實施“燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程”。國務院頒布的《貫徹實施質量發展綱要2016年行動計劃》行動計劃中提出推廣高效鍋爐、實施鍋爐節能環保改造，淘汰落后燃煤小鍋爐。2016年是煤粉工業鍋爐推廣的轉折點，“去煤化”的呼聲越來越大，各地談煤色變，煤粉工業鍋爐推廣舉步維艱。2017年國務院印發《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》、發改委印發《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017-2021)》文件以及2018年國務院發布《中共中央、國務院關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》文件，3個文件針對煤粉工業鍋爐行業提出以下4個方面的具體要求:① 全國原則上不再新建每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，重點區域(京津冀及周邊地區、長三角地區和汾渭平原)全域和其他地區縣級及以上城市建成區原則上不再新建每小時35蒸噸以下的燃煤鍋爐。② 重點區域新建燃煤鍋爐大氣污染物排放濃度滿足超低排放要求，即在基準含氧量6%條件下煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，下同。③ 重點區域保留的鍋爐執行大氣污染物排放限值或更嚴格的地方排放標準，每小時65蒸噸及以上燃煤鍋爐全部實施節能和超低排放改造。④ 各地有關部門要按照國務院相關文件的要求推進落后鍋爐淘汰工作。要堅持因地制宜，多措并舉，制定燃煤鍋爐綜合整治實施方案，分類提出整治要求，維持現有設備有效運行，不搞“一刀切”，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，鍋爐淘汰前應有替代熱源。從上述國家政策可知，國家支持高效率燃煤工業鍋爐的發展，倡導節能減排，因此近兩年高效煤粉鍋爐行業逐步回暖，但同時隨著環保部對行業排污控制要求的提高，工業鍋爐制造企業在污染控制方面的資金投入將會增加，企業的獲利水平將會受到一定的影響。

綜合分析國內社會環境，“十三五”時期我國工業化、城鎮化建設進程將進一步加快推進，我國能源需求呈剛性增長。《國家新型城鎮化規劃(2014-2020 年)》要求戶籍人口城鎮化率從 2012 年的35.3%提高到 2020 年的 45%左右。目前隨著工業化、城鎮化建設的深入推進，北方城市人口集中供暖的需求拉動了煤粉工業額鍋爐市場需求。

2.2 煤粉工業鍋爐市場需求前景分析

影響煤粉工業鍋爐市場的因素主要包括國民經濟的發展速度和投資規模、北方地區采暖需要和住宅建設及第三產業的發展、效率低污染重的落后鍋爐淘汰改造以及正常的更新改造。在國家能源戰略調整、大力推進節能減排低碳發展、“去煤化”大背景下，煤粉工業鍋爐發展面臨機遇也存在挑戰，但總的來說機遇大于挑戰。

目前我國煤粉工業鍋爐領域的發展機遇主要包括2個方面:① 國家節能減排的要求越來越高，相比傳統的鏈條爐、循環流化床等爐型，節能環保的煤粉工業鍋爐近幾年市場需求比較旺盛；② 我國工業鍋爐使用壽命一般為15a～20a，目前已使用超過10a的比例達25%以上，早期生產的鍋爐存在小容量、高能耗、高污染物排放的特點。隨著熱電聯產和集中供熱的發展，對原有工業鍋爐的改造不再是簡單的升級，而重在提高容量等級。未來10a將至少有50萬蒸噸的工業鍋爐需要更新改造，給高效煤粉工業鍋爐發展帶來機遇。

煤粉工業鍋爐領域面對的挑戰主要來自3個方面:① 隨著國家日益嚴苛的環保要求提升，煤粉工業鍋爐行業在污染物治理方面的資金投入加大，在一定程度上減少了企業的利潤；② 經過多年的發展，我國煤粉工業鍋爐行業已形成比較完整的產品體系，但煤粉工業鍋爐企業大都不具備自行設計能力和技術開發能力，煤粉工業鍋爐行業技術水平和自動化水平偏低，煤粉工業鍋爐整體技術水平急需進一步提高。③ 我國經濟發展進入了新常態，煤粉工業鍋爐行業受到一定的沖擊。

目前在促進煤炭高效綜合利用的同時，致力于有效防治大氣污染、大力推進節能減排、立足自主創新、研發先進技術、引領煤炭產業走向清潔轉化高效利用之路，已成為業界共識。

目前煤粉工業鍋爐行業未來行業市場將逐步實現清潔能源的利用和現有能源清潔化利用，因此未來該部分的市場競爭將有所加劇，傳統鍋爐產品的發展則逐漸優勝劣汰，龍頭企業的競爭優勢較為明顯。整體來看，未來行業市場競爭將有所加劇，相對落后的生產企業將在轉型升級過程中被淘汰。

2.3 行業經營模式分析

大部分工業鍋爐為非標準產品，具有生產成本高、生產周期長、質量控制嚴以及品質要求高等特點，煤粉工業鍋爐領域主要采用以銷定產和服務型2種經營模式。

以銷定產模式指根據客戶技術要求和客戶燃料的具體情況進行單獨設計與生產的模式，此種模式為目前大部分煤粉工業鍋爐企業采取的經營模式，其特點是按照客戶的要求生產鍋爐并銷售給客戶，未參與整個工程的設計、檢測、維修及服務等過程。

服務型模式主要是工程設計+承包安裝+檢測維修服務的經營模式，主要包括煤粉工業鍋爐企業不僅設計生產銷售鍋爐產品，同時還具備承包整個工程的能力，參與整個工程項目的設計、采購、生產、安裝、檢測、維修、后期服務等過程。此種模式是從傳統制造模式演變而來的、新的先進制造模式。該種服務型模式使得企業能夠根據目標顧客的個性化需求以提供產品及服務，實現顧客鎖定并提高顧客滿意度。其次，通過專業化的設計服務，企業可在每種產品的1種或幾種核心特征上增加技術異質性，從而取得競爭優勢。

在實施服務型模式方面，煤科院節能公司作為國內率先從事煤粉工業鍋爐領域的企業，目前采用服務型影響模式，因其具有單獨設計產品的能力且具有設計、施工資質。企業的全面發展有助于我國煤粉工業鍋爐行業結構升級，促進行業的轉變。

3 結論及建議

(1)未來煤粉工業鍋爐行業將聚集鍋爐及相關領域節能、環保、信息化融合三大領域。煤粉工業鍋爐行業技術將面臨精耕細作的過程，著眼于從有到優、從整體到細節、從單機到系統、全生命周期的優化提升，著重于對現有經驗的理論提升和實證研究。

(2)“限煤化”和嚴苛的節能減排環保要求在一定程度上阻礙了煤粉工業鍋爐行業經濟的發展，宏觀經濟增速的放緩也會影響鍋爐制造業的上游和下游，不利于行業的發展，但工業化、城鎮化建設繼續深入推進則可拉動煤粉工業鍋爐市場需求。

(3)煤粉工業鍋爐領域主要采用以銷定產模式和服務型模式2種經營模式。服務型模式指煤粉工業鍋爐企業不僅設計生產銷售鍋爐產品、同時還具備承包整個工程的能力，參與整個工程項目的設計、采購、生產、安裝、檢測、維修、后期服務等過程。此種模式是從傳統制造模式演變而來的先進制造模式，通過專業化的設計服務，企業在每種產品的核心特征上可增加技術差異性，有助于我國煤粉工業鍋爐行業結構升級，促進行業的轉變。