典型燃煤工业锅炉行业现状和技术经济分析

2020-11-25王志强

工业炉 2020年5期

王志强，杨石

（煤科院节能技术有限公司，北京 100013）

工业锅炉泛指额定蒸汽工作压力大于0.04 MPa并小于3.8 MPa 的蒸汽锅炉，以及额定出水压力大于0.1 MPa 的多种容量与温度的热水锅炉，是一种重要的热能动力设备，我国是世界上生产和使用工业锅炉最多的国家。工业锅炉除了用于为市政供暖供热的生活领域，还广泛地应用于冶金、化工、炼焦、水泥、造纸、造船、垃圾处理等生产行业。

截至2017 年，全国工业锅炉约有40.1 万台，总容量合计约206 万蒸t，由于能源结构的特殊性，燃煤工业锅炉约32 万台，占总量的80%[1]。在目前我国以煤炭为主的能源消费结构下，燃煤工业锅炉在相当长的一段时间内仍然是工业锅炉的主导产品。经过长期的发展，燃煤工业锅炉主要形成了链条炉排锅炉、循环流化床锅炉、水煤浆锅炉以及近年来兴起的高效煤粉工业锅炉等典型的技术流派和产品种类。不同类型锅炉都有其各自的技术、经济特点和适用范围。因此选择何种形式的燃煤工业锅炉也成为用户最为关切的问题之一。对于燃煤工业锅炉技术特点和经济性的对比分析，可查资料不多。

本文通过对工业锅炉行业现状以及几类典型燃煤工业锅炉的技术特点、经济性进行对比分析，期望能对锅炉用户项目的建设提供决策的依据。

1 技术分析和行业现状

1.1 链条炉排锅炉

链条炉排锅炉是一种比较完善的层燃型锅炉，具有超过一百年的历史。空气从炉排下送入。燃料随炉排自前向后缓慢移动，在炉膛内受辐射加热，依次完成预热、干燥、着火、燃烧等过程。链条炉排锅炉结构简单、制造安装和操作方便、烟尘排放浓度较低[2]。但热效率不高，而且炉排链条不易检修更换。近年来，通过强化燃烧、前后拱改造等手段，链条炉排锅炉的节能减排效果有显著提升。该型锅炉主要在节能、环保性能方面需要进一步提高。目前仍采用的手烧加煤、间歇燃烧方式的小型固定炉排锅炉必将淘汰，取而代之以新开发的新型锅炉。

1.2 循环流化床锅炉

循环流化床锅炉技术（CFB）是近年来迅速发展的一项煤清洁燃烧技术，我国是世界上 CFB 锅炉数量最多、总装机容量最大、技术发展最快的国家，大型CFB 锅炉技术基本可以分为技术引进和自主开发两类[3]，燃烧系统主要由布风板、燃烧室、飞灰收集装置（分离器）、物料回送装置等组成。煤颗粒在设有防磨内衬的燃烧室内循环流化燃烧，灰渣采用干式排出。该类锅炉具有炉内脱硫效率高（90%）、燃料适应性广、低温低氮燃烧等技术优势。

现今国内的研究主要围绕布风板、旋风分离器的布置以及如何增大受热面进行，完善布风、循环物料分配以及炉膛热量平衡。

循环流化床锅炉燃烧效率可高于98%，锅炉热效率大于85%。负荷调节范围在25%～100%。

1.3 水煤浆锅炉

水煤浆锅炉以煤粉、水质量比约7∶3，外加少量添加剂的水煤浆为燃料。按照燃烧方式分类，水煤浆锅炉可分为雾化燃烧和循环流化床水煤浆锅炉两类。雾化燃烧方式是经雾化燃烧器将水煤浆液雾化成小颗粒或颗粒群后再进行燃烧，雾化燃烧器是该类水煤浆锅炉的技术核心；流化床燃烧技术无需雾化，而是通过粒化器将水煤浆液制成滴状落在床料层中，进行燃烧。两种燃烧方式各具特点，但综合经济性差别不大。

整个水煤浆锅炉系统包括燃料储供、锅炉本体、点火、供风、烟气净化等子系统。由于水煤浆锅炉烟气中含有大量水分，因此锅炉尾部需要配置余热回收装置来吸收高温烟气中水蒸气的热焓。

水煤浆锅炉燃烧效率可高于98%[4-5]，锅炉热效率大于85%，负荷调节范围在30%～110%。

1.4 高效煤粉工业锅炉

高效煤粉工业锅炉技术在上世纪90 年代中期即已成熟，并且在德、法等发达国家得到广泛应用。我国最早于上世纪60 年代曾对煤粉工业锅炉技术进行研发，但受当时技术、经济等条件的限制，并未取得很好的成果[6]。上世纪末本世纪初，煤科总院在吸收国外先进技术理念的基础上，形成了适合我国国情的高效煤粉工业锅炉技术体系。

煤粉锅炉系统的核心技术是煤粉燃烧器及煤粉储供设备，同时还包含锅炉本体、烟气净化、点火装置、供风设备等子系统[7]。本地煤粉储罐容量设计一般可以满足 1～3 天用量，一般为 150～500 m3，最大可达1 000 m3。通过煤粉罐密、惰性气体保护、防静电、泄爆等多种手段，实现煤粉的安全存储[8]。现阶段在工业锅炉领域取得良好应用效果的煤粉燃烧技术以煤科院开发的浓相逆喷煤粉燃烧技术为代表。高效煤粉工业锅炉燃烧效率可达98%以上，锅炉热效率高于90%，负荷调节范围在70%～100%。目前高效煤粉工业锅炉系列产品共分三类36 个品种。以煤科院为例，截至2018 年底，在内蒙、山西、江苏、天津、广西等地已完成了200 余套高效煤粉工业锅炉的建设，单台锅炉最大容量达到80 t/h。

1.5 典型锅炉技术性能综合分析

各类燃煤工业锅炉的技术特点如表1 所示。

表1 不同燃煤工业锅炉技术特点对比

1.6 行业发展现状

我国工业锅炉从最初直接依靠进口到自主研发生产，取得了很大的进步，“十二五”期间更是取得了长足的发展。“十三五”以来，国家环保政策渐严，《工业领域煤炭清洁高效利用行动计划》、《中华人民共和国大气污染防治法》、《质检总局燃煤锅炉节能减排攻坚战工作方案》和《锅炉大气污染物排放标准》陆续出台，对燃煤工业锅炉提出了更高要求，产量也发生了相应变化[21]，趋势如图1 所示。

图1 我国工业锅炉产量发展变化趋势图

从图 1 可以看出，2008～2017 年我国工业锅炉产量可分为两个阶段：2008～2014 年，产量逐年增长，2014 年达到产量顶峰为 558 118 t/h；2015 年以来，产量逐渐显现下滑趋势，2017 年产量为433 675 t/h。2014～2017 年，产量整体下滑趋势较为明显。2018 年1～10 月累计工业锅炉产量为235 678.2 t/h，同比减少35%。

在典型燃煤工业方面，据统计分析[22]，2018 年链条炉排锅炉产量占比持续下降，以台数计，降比为5个百分点，由13.99%下降为8.28%；以容量计，下降幅度为2 个百分点，由13.46%下降到11.35%。2018年循环流化床锅炉产品产量所占比例，不论是以台数计还是以容量计与2017 年相比，基本持平。水煤浆和高效煤粉工业锅炉占比较小，以台数计分别为0.04%和0.28%，以容量计分别为0.27%和1.66%，与2017 年相比，保持相对稳定。

2 经济性分析

2.1 初期投资对比分析

表2 为不同燃煤工业锅炉投资成本比较。由表2 可知，由于链条炉排炉设备成本较低，水煤浆锅炉项目不需要输煤、出渣设备以及煤场、灰场。因此上述类型锅炉在基础投资方面比其他两种类型锅炉节省了初投资。而高效煤粉锅炉由于需要煤粉储存输送设备，以及相关的安全保护措施，因此其设备投资明显高于其它类型锅炉，导致其初投资很高。

表2 不同燃煤工业锅炉投资成本比较（万元）

链条炉排锅炉、循环流化床锅炉、高效煤粉工业锅炉和水煤浆锅炉的初投资比例约为1∶1.12∶1.22∶1.01。四类锅炉的初投资比例趋势与文献[23-24]一致。

2.2 运行成本对比分析

按照蒸汽压力1.0 MPa，蒸汽温度184 ℃，锅炉年供蒸汽量7.2 万t，给水温度104 ℃，吨蒸汽耗水量 1.2 t，人工费 4 万元/（年人）计算，平均电价 0.7元/kW·h，水价 4 元/t。计算得到典型燃煤工业锅炉的运行成本（见表3）。

由表3 可知，由于高效煤粉工业锅炉的效率、燃料热值高于其它类型锅炉，而吨蒸汽耗电、运管人数低于其它锅炉，因此高效煤粉锅炉的运行成本要明显低于其它锅炉。链条炉排锅炉、循环流化床锅炉、高效煤粉工业锅炉和水煤浆锅炉运行成本的比例为1.19∶1.09∶1∶1.34，趋势与文献一致。

2.3 投资回收期对比分析

根据范玮[25]的研究，影响锅炉系统运营投资的主要因素中，按照敏感性进行排序，依次为：蒸汽供需量、燃料价格、蒸汽价格、初投资。考虑到蒸汽供需量、蒸汽价格受用户因素制约，近年来煤炭价格变化幅度很大，而锅炉房建设初投资等变化幅度相对较小，因此本文仅考察不同煤炭价格下，各类燃煤工业锅炉的投资回收期变化情况。