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兖矿“蓝天工程”是治理锅炉、窑炉和民用燃煤问题的有效途径

2019-12-28王振平王瑞东

煤炭加工与综合利用 2019年6期
关键词:兖矿炉具工业锅炉

王振平,孟 磊,王瑞东

(兖煤蓝天清洁能源有限公司,山东 邹城 273500)

煤炭清洁高效利用是实施新旧动能转换战略的重要组成部分。兖矿集团以“方向对了就不怕路远”的战略定力,深入推进“煤炭清洁高效利用”的兖矿一号工程——“蓝天工程”建设,着力推动“高碳能源低碳化、有烟煤炭无烟化、高硫煤炭低硫化、黑色煤炭绿色化、运营服务一体化”,努力探索“煤炭清洁高效利用”新路径。

1 正确认识煤炭的主体能源地位

当前乃至今后较长一个时期内,以“煤为基础,多元发展”的能源战略方针和以煤炭为主体的一次能源格局不会改变。

一是资源禀赋决定。在我国三大化石能源已探明储量中,煤炭占94%以上,石油和天然气仅占6%左右。这种资源禀赋条件决定了我国的基础能源严重依赖煤炭,煤炭是我国能源供给当之无愧的老大。即使在石油、天然气、页岩油和页岩气非常丰富的美国,煤炭的消费占比也在30%以上,燃煤发电占比接近一半(47%),这也充分说明了煤炭在世界上的基础能源地位。我国改革开放以来不断对能源结构比例进行调整,目前煤炭生产总量占比已从80%以上降至70%左右,消费总量占比从80%以上降到60%左右。2016年我国能源生产构成:煤炭70%,水电、核电、风电17%,原油8%,天然气5%;消费构成:煤炭62%,水电、核电、风电13%,原油18%,天然气7%。从这些数据可以看出,虽然政府和社会大力扶持和发展清洁能源,但到目前为止,并没有产生能颠覆性大比例替代煤炭的新型清洁能源,煤炭能源生产与消费绝对量依然非常高,是保障我国能源安全稳定供应的基石。

二是考虑能源安全。我国是世界第一人口大国、第二大经济体,每年能源消费40多亿吨标准煤。以2015年为例,当年全国消费能源超过32亿t标准煤,但其中所有的非煤能源总产量还不足10亿t标准煤(包括进口的3.28亿t石油和624亿m3天然气)。为了应对国内“以气代煤”的需要,我国陆续建设中亚一、二、三、四线管道及中缅、俄罗斯远东天然气管道等进口天然气,并通过海上运输大量进口液化天然气,才使得2015年我国天然气进口总量达到624亿m3(只相当于7 600万t标煤的热值)。2015年我国石油对外依存度超过60%,2016年达到65.4%,2017年达到68.85%;2015年天然气对外依存度超过32%,2016年达到35.2%,2017年达到38.77%,逼近国际能源安全警戒线。国家统计局数据显示:2017年能源进口继续较快增长,其中原油稳定增长,天然气高速增长:原油进口4.2亿t,增长10.1%;天然气进口946.3亿m3,增长26.9%。可以说为了获取进口的石油和天然气,国家付出了大量的精力和外汇。

2 科学辩证分析“煤炭污染”原因

前几年频繁出现的大范围“雾霾”和PM2.5指标爆表的极端天气,掀起了大气污染防控的高潮。2013年国家出台“大气十条”管控措施,2017年全国两会提出“打赢蓝天保卫战”,2018年国务院出台《打赢蓝天保卫战三年行动计划》。同时社会舆论也把矛头直接指向煤炭消费,把煤炭作为污染的罪魁祸首,各地陆续推出“以气代煤”、“以电代煤”等措施,“去煤化”呼声高涨。煤炭真的是制造“雾霾”和PM2.5的罪魁祸首吗,笔者认为要科学辩证分析“煤炭污染”的原因。

(1)认识误区。不少舆论认为“雾霾”是碳排放造成的。其实目前所说的“大气雾霾”、PM10、PM2.5颗粒物污染均与CO2没有关系,CO2只是所谓的温室气体。专家研究表明,地球大气圈内CO2浓度高了,只是有可能加重地球大气环境的“温室效应”,与治理大气雾霾没有关系,不少人混淆了这两个概念。相反,燃烧天然气排放的NOx比燃烧煤炭产生和排放的NOx强度要大得多,如果不进行脱硝处理,产生的二次气溶胶类颗粒物对“雾霾”的贡献更大。而且天然气就是甲烷,甲烷的温室效应强度比CO2大20多倍。

(2)缺乏系统治理。长期以来,由于条块分割的管控模式,造成煤炭行业只是负责煤炭的生产和供应,消费侧的问题则是由各用煤行业负责,这样就造成九龙治水、都管或都不管的尴尬局面,没有形成煤炭清洁利用的治理合力,导致我国的煤炭清洁高效燃烧利用技术发展缓慢、先进技术和装备得不到有力的支持和推广,对燃煤污染的防控管理严重滞后。而且用煤行业点多面广,环保管控措施不到位,治理投入成本大,坑口管不住清洁开采,炉口管不住清洁燃烧,烟口管不住清洁排放,导致燃煤污染问题越来越突出。客观地说这并不是煤炭本身的问题。

3 煤炭清洁利用现状

针对我国煤炭消费利用现状,应理顺思路,细分领域,科学分析,不能武断地盲目下结论。反观目前中国煤炭清洁利用的现状,却可以得出“煤炭完全可以清洁利用”,“清洁利用的煤炭就是清洁能源”的结论。

我国煤炭消费利用主要集中在五大领域:一是燃煤发电,每年燃煤18~20亿t,占煤炭消费总量的50%左右; 二是冶金炼焦,每年消耗洗精煤6.5亿t左右(包括兰炭),占17.5%; 三是煤化工,每年用煤2.5亿t左右(不含炼焦),占6.8 %; 四是锅炉用煤(含建材窑炉和供热供暖锅炉),每年大约燃煤7.5亿t,占20%左右;五是民用散煤,每年大约2亿t,不足6%。

3.1 耗煤占比75%的三大领域清洁利用现状

燃煤发电:目前在全国约9.4亿kW煤电中,已有5.8亿kW以上的机组完成了环保节能升级改造,实现了烟气粉尘排放浓度小于10(5)mg/m3、SO2排放浓度小于35 mg/m3、NOx排放浓度小于50 mg/m3的超低排放标准。而且国家已经明确规定到2020年全国所有燃煤电厂都要全部完成超低排放改造,也就是说到2020年,占比50%的发电用煤完全可以清洁使用了。

炼焦:现有技术和装备已经完全可以做到“超低排放”,目前正在大范围开展绿色升级改造治理行动,如对焦油池进行封闭、对化产和焦炉气进行综合利用、对VOCs逃逸进行焚烧净化等。

煤化工:现代煤化工都是新兴的大规模高科技产业,装备配置高,环保措施好,只要用好、管好,严防跑冒滴漏,完全可以做到清洁生产、超低排放。

以上这三个煤炭主要消费领域的用煤比例占我国煤炭消费的75%左右,也就是说全国3/4的煤炭都是大规模集中利用,是清洁排放的。

3.2 耗煤占比25%的锅炉、窑炉和民用燃煤现状及治理难点

我国燃煤供热供暖工业锅炉近48万台,每年消耗用煤7亿t左右。这部分煤炭消费属于散煤范围,是污染较为严重的领域:数十年来我国中小型工业锅炉出于成本考虑,一直采用层燃型燃烧器,燃烧技术进步缓慢。由于管理方式和标准不能及时跟进,市场需求和技术进步的动力不足,燃煤工业锅炉长期处于效率低、烟气污染防控设施简陋、运行维护和管理水平低下,建设选址监管缺失等无政府状态。2014年11月6日,国家能源局、国家发改委、环保部等七部委联合发布《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》。到2018年底,地级及以上城市建成区基本淘汰10 t/h及以下的燃煤锅炉。

我国民用散煤消费总量每年在2亿t左右。我国幅员辽阔、村居散布、失于管控,据有关资料分析,目前全国有6 600多万户农村和城乡结合部的居民常年使用散煤炊事和取暖。受经济承受能力和生活习惯等影响,他们使用的炉具传统落后,大多燃烧便宜的劣质散煤,燃煤产生的废气低空直排,污染物排放量是大型锅炉等量燃烧后的10~20倍,是主要的燃煤污染源,也是散煤污染最难治理的领域。

4 兖矿“蓝天工程”——彻底治理锅炉、窑炉和民用燃煤问题的新路径

兖矿“蓝天工程”是兖矿集团认真贯彻习近平总书记及党中央“打造生态文明新常态,建设美丽中国”号召,落实《中华人民共和国大气污染防治法》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》战略部署,充分考虑我国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋,启动实施的兖矿集团“一号工程”。“蓝天工程”牢固树立“清洁、高效、绿色”发展理念,致力于解决“量大面广、难以治理”的“居民生活清洁供暖、农业生产及小区域集中清洁供暖、中小型工业锅炉超低排放”等煤炭清洁利用难题,探索“煤炭清洁高效利用”新路径。

兖矿集团先后引进来自中科院、清华大学等院校的4个高端科学技术研发团队。兖矿集团依托高端科学技术研发团队,在前期中试的基础上实现了从科技研发到实体产业的落地,先后投资10亿多元建成年产100万t洁净煤、50万t高效复合添加剂、10万台解耦环保炉具生产线。倾力打造“技术研发、煤炉生产、物流配送、营销服务、金融支持”一体化的洁净煤产业链。

4.1 突破7项关键技术

(1)高效固硫技术:研发出高效复合添加剂固硫技术。通过“普通烟煤+高效复合添加剂”对煤炭提质改性,固硫效率60%,达到优质特低硫煤(全硫含量不大于0.4%)的环保效果。

(2)清洁型煤制备技术:综合考虑不同煤质特性、生产过程对成型的影响以及型煤尺寸、强度等各种因素,采用“干法、无粘结剂、免烘干、中低压成型”技术路线,通过普通原煤制粉、分散混合高效复合添加剂、冷压成型等流程生产出高效环保洁净型煤。

(3)烟气干法超净技术:研究适合于中小锅炉的烟气干法净化新技术,开发出适应于脱除SO2、NOx、CO等的催化还原剂和吸收剂,配套开发装备和工艺,低成本实现SO2、NOx等多污染物超净排放,实现中小锅炉燃煤超低排放。

(4)民用炉具清洁高效燃烧技术:开发“消烟降氮”清洁燃烧技术,将煤的燃烧分为低温贫氧干馏热解和高温富氧半焦燃烧两个过程。烟煤中干馏热解出的挥发分进入半焦燃烧区,通过高效燃烧,实现“烟煤无烟化”。

(5)小区域供暖炉具清洁高效燃烧技术:应用解耦燃烧原理,开发出新型低氮燃烧器,配套燃烧兖矿洁净型煤,通过自动控制实现热解气和半焦分级燃烧,结合干法烟气超净技术与装备达到超低排放标准。

(6)循环流化床工业锅炉超低排放技术:兖矿集团在清华大学循环流化床锅炉“流态重构”技术基础上,开发出炉内喷射高效复合添加剂技术,采用分级配风和控制燃烧温度,结合干法烟气超净技术与装备,达到超低排放标准。该技术燃料适应性强、成本低、环保效果好,是目前我国最适用的洁净煤燃烧技术之一。

(7)煤粉工业锅炉超低排放技术:兖矿集团与中科院工程热物理所合作开发出预热燃烧技术,将煤粉先预热再燃烧,通过合理的燃烧组织,实现煤粉(包括半焦、气化残炭等碳基燃料)的高效低氮燃烧,以此为基础开发出新型低NOx排放煤粉工业锅炉技术。

4.2 形成4套解决方案

(1)民用清洁高效供暖:通过“高效改性洁净型煤”与“解耦炉具”匹配燃烧,烟尘减排90%,SO2减排60%,NOx减排30%~50%,CO减排70%以上。实施该方案的示范区村民反映,“屋里暖和了,用煤节省了,家里干净了,价格下来了”,实现了“节能、环保、高效、经济”的目标。

(2)小区域集中清洁供暖:兖矿的“高效改性洁净型煤”+“大型节能环保炉具”+“静置式烟气净化装置”技术,可达到热效率大于80%,SO2排放小于50 mg/m3,NOx排放小于100 mg/m3,烟尘黑度小于1,实现了达标排放。

(3)循环流化床锅炉超低排放:采用节能超低排放CFB+高效除尘+低温静置式除尘脱硫脱硝多污染物(重金属,VOC)协同一体化技术,净化后尾部SO2、NOx、烟尘排放浓度分别为13.92 mg/m3、48.79 mg/m3、3.71 mg/m3,实现了超低排放。

(4)煤粉工业锅炉超低排放:采用“超低排放煤粉工业锅炉”+“半干法脱硫装置”技术,可实现锅炉NOx原始排放浓度不大于100 mg/m3,锅炉热效率不小于90%,实现超低排放。

4.3 示范推广应用情况

(1)居民清洁取暖技术大面积推广应用:2017年冬季在山东邹城看庄、石墙、郭里三镇近1万户家庭中开展民用清洁供暖示范应用;2018年在邹城市全面推广应用,并在河北承德试点推广。从经济方面看:兖矿洁净型煤+环保炉具,一个采暖季每户平均采暖费2 040元,明显优于无烟煤、兰炭等燃料;燃料成本是煤改电的1/3,煤改气的1/2。

(2)小区域集中清洁供暖技术应用:2017冬季已在菏泽蘑菇种植蔬菜大棚、邹城工业厂房进行了清洁供暖示范,效果良好;2018年在济宁市、邹城市敬老院选点示范。从机械工业锅炉及环保产品质量监督检测中心出具的检测结果看,该项技术均达到了超低排放标准,可广泛应用于工业厂房、边远乡镇学校、幼儿园、敬老院等场所的清洁供暖。从经济方面看,供暖成本仅为天然气的30%、电热锅炉的40%。

(3)循环流化床锅炉超低排放优势明显:完成了兖矿国宏化工公司130 t/h混煤及合成废气循环流化床锅炉超低排放改造,NOx原始排放浓度控制在100 mg/m3以下。东滩电厂80 t/h循环流化床锅炉超低排放示范工程,实验数据证明,各项指标均实现超低排放,特别是NOx优于燃烧天然气的排放指标。

(4)煤粉工业锅炉燃烧技术显著提升:兖矿集团与中科院工程热物理研究所合作成立了专业煤粉工业锅炉产业技术转化公司。目前正在建设40 t/h工业示范工程,目标是实现锅炉NOx原始排放浓度不大于100 mg/m3,锅炉热效率不小于90%。煤粉锅炉节能与超低排放技术是实现“煤炭进城、低成本城市清洁供热”的有效途径。

5 推进兖矿“蓝天工程”的必要性和可行性

5.1 “蓝天工程”具备四大优势

(1)环保效果显著:运用“蓝天工程”的技术和产品,能够彻底解决煤炭散烧造成的污染问题,显著改善大气环境质量,是打赢蓝天保卫战的环保工程。

(2)成本优势突出:“蓝天工程”清洁供暖燃料运行成本分别是煤改气、煤改电的1/2、1/3,居民家庭户均取暖设施投资可减少2/3。按照2017年山东省实施的清洁取暖煤改气、煤改电工程标准测算,全国散烧煤取暖用户如使用“蓝天工程”洁净煤和环保炉具,将减少政府设备补贴2 400亿元,运行补贴480亿元。以20 t工业锅炉为基准测算,“蓝天工程”洁净煤燃料运行成本为燃油锅炉的40%左右,为天然气锅炉的30%左右,有效减少了基础设施投入和政府财政补贴压力,实现政府和用户“双受益”。

(3)供应能力可靠:我国现有含硫量0.8%以上的煤炭占煤炭资源总量的70%以上,且大部分为烟煤资源。“蓝天工程”洁净煤技术以丰富的烟煤资源为原料,坑口集中规模化生产后就地加工,原料供应非常可靠,为高硫煤资源清洁高效生产利用探索了全新技术路线。

(4)便于复制推广:兖矿集团“蓝天工程”集技术研发、产品生产、设备制造、运营服务、金融支持于一体,民用炉具、小区域供暖、工业锅炉改造综合配套,能够满足不同层次的用户需求。可根据不同区域、不同用户的特点,量体定制清洁能源整体解决方案,可形成便于复制推广的清洁能源合同管理等商业运营模式。

5.2 “蓝天工程”得到广泛认可

(1)用户普遍欢迎:兖矿“蓝天工程”洁净煤和环保解耦炉已分别示范应用4万余吨和2万余台;新增及改造0.5~130 t超低排放大型环保炉具和锅炉10余台,在经济、环保和使用效果等方面均达到用户预期。

(2)舆论积极评价:《人民日报》头版、央视财经频道对“蓝天工程”进行了宣传报道。《大众日报》、中国煤炭网及有关媒体持续关注、好评,并积极报道进展动态。

(3)各界广泛认可:兖矿“蓝天工程”已入选山东省新旧动能转换重大项目库第一批优选项目;被济宁市列为“十佳重点项目”;被中国散煤清洁利用与雾霾防治大会评为“十佳民用散煤清洁利用技术”第一名;民用散煤清洁取暖关键技术通过环境保护部科技发展中心技术评估。

6 建 议

目前国家已将煤炭清洁高效利用列入未来我国100项重大工程的第7项,国家科技部也将煤炭清洁高效利用新技术研发列入国家重大科技攻关计划,开展进一步攻关研究。但是新型高效燃煤环保锅炉推广却遇到很大的困难,主要原因还是由于部分地区行政性“一刀切,去煤化”的不合理政策造成的,严重挫伤了高效洁净环保锅炉技术研发推广和应用企业的积极性。兖矿“蓝天工程”的技术和产品经过示范推广,印证了其经济效益、社会效益、环保效益明显,建议国家有关行政管理部门重视这些新成果,支持企业的技术创新,培育好这一新型产业。

(1)支持煤炭洁净利用研发和基地建设。建议有关行政管理部门协调将兖矿洁净型煤、节能环保炉具和燃煤污染控制技术列入政府重点支持的重大科技专项,并协助申报国家重大项目库。同时,“蓝天工程”自启动以来,投入了大量资金,倾注了大量优质资源,政府部门应配套出台相关扶持政策,支持兖矿“蓝天工程”技术产品开发和生产试验基地建设,给予科研经费奖补,尽快建成省级、国家级示范基地。

(2)加快推行改性洁净型煤产品新标准。建议有关管理部门充分考虑兖矿洁净型煤以普通烟煤为原料生产的实际,将产品标准中污染物限制要求从“限制煤炭本身指标”变为“限制煤炭燃烧排放指标”,为兖矿洁净型煤推向更大的市场颁发绿色通行证。

(3)积极推广“洁净型煤+节能环保炉具”模式。建议有关行政管理部门,在推行改性洁净型煤产品新标准的基础上,制定节能环保炉具技术产品的标准和认证体系,提高市场准入门槛,促进行业健康发展。同时,一方面促进各地对节能环保炉具推广目录中的企业实行动态调整管理,规范政府招标,避免低价、低质中标;另一方面支持以大型节能环保炉具替代小型燃煤锅炉的新方案,制定产品标准和排放要求,并给予市场准入许可。

(4)加大工业锅炉的煤炭清洁利用示范工程、示范区建设力度。建议有关行政管理部门综合考虑能源供应情况、地方承受能力和用能习惯,研究出台“宜煤则煤”的具体实施方案,在具备条件的区域,建设一批小区域清洁供暖锅炉、工业循环流化床锅炉、高效煤粉锅炉改造示范工程、示范区,为市场准入提供法规制度方面的支持保障,并给予改气、改电同等的政策扶持。

(5)协调解决洁净型煤均产、稳产问题。洁净型煤的需求存在明显的季节性差异,产能、产量不能均匀释放。特别是民用洁净型煤主要用于取暖,使用高峰期大多集中在冬季,淡旺季明显。企业迫于现金流的压力,一般7—11月生产,既不利于产业的健康发展,也容易出现洁净型煤在冬季供应能力和供应质量达不到要求的现象。建议有关行政管理部门,协调解决洁净型煤均产稳产的问题,实现常年连续生产、连续配送,并给予用地、税费、奖补等方面的政策优惠,形成洁净型煤产业上下游及产业周边共生共荣的健康发展局面。

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