我国煤粉工业锅炉技术及应用推广现状分析

牛 芳

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013； 3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

目前我国燃煤工业锅炉已成为仅次于燃煤发电的第二大燃煤型污染源[1-3]，即其也为PM2.5、PM10的主要来源之一。国家统计局于2020年2月28日发布的《中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报》数据显示，2019年全年能源消费总量48.6亿t标准煤，比上年增长3.3%，煤炭消费量增长1.0%，即煤炭消费量占能源消费总量的57.7%，比上年下降1.5个百分点。煤炭消费量占能源消费总量之比值虽有所下降，但煤炭消费量还在持续增长。在可预见的时期内，我国以煤为主的能源结构不会发生根本性改变[4]，因此煤炭的清洁高效利用已成为符合我国国情和市场需求的必然选择，也是大气污染有效治理的根本途径[5-7]。据有关部门统计，目前我国的燃煤主要集中用于2个领域:52%的燃煤用于电力领域、32%的燃煤用于工业生产领域。电站锅炉经过数十年的发展，目前已形成完善的技术体系，基本上国内所有电厂均达超低排放标准。相比于电站锅炉，燃煤工业锅炉技术的发展相对滞后，目前该领域还存在各从业单位技术水平参差不齐、各地行业规范标准不统一和市场秩序混乱等问题。

燃煤工业锅炉一般包括链条炉、循环流化床锅炉和煤粉锅炉。其中,链条炉由于燃烧效率低的缺陷，国家正逐步将其淘汰；循环流化床锅炉在燃烧高灰煤和劣质煤时存在优势，但其锅炉效率低于煤粉锅炉；煤粉锅炉煤种适应性低于循环流化床锅炉，但在燃烧优质煤时具有高效率、低耗能、低磨损、低占地面积的优点，成为实现燃煤高效利用时优先考虑形式[8-10]。煤粉工业锅炉技术的发展和革新在推动煤炭高效清洁利用中起到至关重要的作用。早在20世纪90年代，我国高度重视煤粉工业锅炉的开发，煤科院节能技术有限公司(以下简称煤科院节能公司)为我国煤炭行业煤粉锅炉技术支持单位，已陆续开发煤粉燃烧器、双锁气阀供料器、煤粉储仓等系列产品。目前我国大中小锅炉制造生产企业共有1 000多家，构成了煤粉工业锅炉的国内行业体系，但厂点太多、产品雷同度大且大多未形成规模生产。为了满足国家日益严苛的能源高效利用和环保要求，目前煤粉工业锅炉技术体系处于高速发展阶段。以下针对我国近年来煤粉工业锅炉研发的关键技术和推广应用现状进行论述，以期为促进我国煤粉工业锅炉行业规范、和谐、健康发展提供参考。

1 煤粉工业锅炉核心技术

目前煤粉工业锅炉的核心技术主要包括以下4项:煤粉供料技术、煤粉高效低氮燃烧技术、烟气超低排放净化技术和测控技术。其中煤粉供料技术和高效低氮燃烧技术是决定煤粉工业锅炉是否稳定运行的核心技术，而煤粉高效低氮燃烧技术决定锅炉效率和污染物初始排放水平，烟气超低排放净化技术决定煤粉工业锅炉系统最终排放是否满足国家日益严苛环保要求，测控技术决定煤粉工业锅炉系统自动化水平。

1.1 煤粉供料技术

煤粉供料技术是煤粉工业锅炉是否稳定运行的核心因素，其主要作用为连续稳定地将煤粉送入锅炉[11-17]。相比电站锅炉，煤粉工业锅炉容量小且供料器数量远小于电站锅炉，因此对单个供料器的供料精度提出了更高的要求。煤粉工业锅炉的供料方式分为两类:被动式供料和主动式供料[18-23]。其中被动式供料主要有螺旋(齿轮)供料器和锁气阀供料器2种形式，主动式供料主要指高精度圆盘供料器。其中螺旋(齿轮)供料器价格低廉，但有密闭性和抗干扰能力差以及混合器易积料的问题，设备可靠性差，存在发生卸料冲击引起锅炉爆燃事故风险。相比螺旋供料器，锁气阀供料器的抗干扰能力和稳定性均有显著提高且价格适中，是目前煤粉工业锅炉最常用的供料方式。相比螺旋供料器和锁气阀供料器，高精度圆盘供料器属于主动供料范畴，该技术供料精度很高，且适用于煤粉、生物质等多种复杂燃料的供料，但存在设备体积大和运行成本高的问题，并未在煤粉工业锅炉领域得到大面积推广，仍处于工业性试验阶段。随着客户对煤粉工业锅炉燃料多样性、运行稳定性要求越来越高，高精度圆盘供料器也是煤粉工业锅炉领域供料发展方向之一[24-26]。目前开发的多款锁气阀供料器和圆盘供料器可满足不同燃料、不同用户的需求。

1.2 煤粉燃烧器

煤粉燃烧器是煤粉锅炉燃烧系统中的关键设备，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备运行的可靠性和经济性起到主要的作用。煤粉工业锅炉煤粉燃烧器的设计多参照国内外电站锅炉燃烧器的设计经验。目前，应用于煤粉工业锅炉的燃烧器可主要分为四类，分别为旋流燃烧器、直流燃烧器、钝体燃烧器和预燃室燃烧器[25-33]，通过合理组织多股射流的流动及混合促进煤粉的着火、稳燃及燃尽。钝体燃烧器通过在来流方向增设钝体，从而在钝体后方构建低压高温回流区，实现煤粉着火及稳燃。预燃室燃烧器最初是为了解决煤粉锅炉的低负荷稳燃问题，合理地组织着火以及防止壁面结渣和烧坏是预燃室燃烧器需重点关注的问题。预燃室燃烧器的壁面常采用耐火材料或耐热钢加工，利用钝体绕流或旋转射流，在预燃室内形成强回流和其他有利条件，保证煤粉的稳定着火和燃烧。增强燃烧稳定性、提高燃烧效率及降低污染物排放是工业煤粉燃烧器的核心问题，而实现煤粉浓淡燃烧、构建高温烟气回流及空气分级燃烧是解决上述问题的重要燃烧组织方式[36-37]。

煤科院节能公司经过数年的发展，首次将旋转射流、逆喷射流、预燃室、钝体4种稳燃因素集于一体，由此设计的多款煤粉工业锅炉燃烧器具有迅速点火的特点，且在煤种适应性、燃烬、低氮方面均有上佳的表现。

1.3 烟气超低排放净化技术

烟气超低排放净化技术主要涵括烟气的除尘技术、脱硫技术和脱硝技术[34-40]。关于除尘技术，常采用三类除尘设备，即布袋除尘器、湿式电除尘器和电袋除尘器。面对愈发严格的排放标准，布袋除尘器已不能满足环保要求；而湿式电除尘器虽能满足环保要求，但需设置预除尘设备，存在整个工艺复杂、造价高、占地面积大的问题。电袋除尘器具有可靠性好、结构紧凑、占地面积小、运行成本低的优点，出口排放浓度可低于5 mg/m3或10 mg/m3，达到超低排放标准，且能够协同脱除SO3、汞和重金属，上述优点将使其在煤粉工业锅炉领域拥有广泛的应用前景。

关于脱硫技术，常采用湿法脱硫、半干法脱硫和干法脱硫3种形式。其中湿法脱硫效率最高，但存在废水二次污染和石膏雨等问题；干法脱硫效率低，因而不满足目前环保的要求；而半干法脱硫利用炉内煅烧煤粉中原生钙质碳酸盐生成活性CaO脱硫，如炉内固硫耦合高倍率灰钙循环烟气脱硫技术(NGD，No Gap Desulfurization)具有脱除效率高、占地面积小、工艺流程简单、建设及运行成本低等优点，另外NGD避免了湿法脱硫废水二次污染和石膏雨现象，极大地减少了用水量，具有较大的应用前景。

烟气脱硝技术主要包括SNCR脱硝技术和SCR脱硝技术，该2种技术为直接移植的电站锅炉脱硝技术，相对较为成熟。针对煤粉工业锅炉的特点进一步研发臭氧脱硝技术，烟气经除尘器净化后进入臭氧脱硝装置，将烟气中的NOx氧化生成更容易吸收的NO2和N2O5，生成产物进入到NGD中与富含Ca(OH)2的増湿搅拌灰吸收，可有效降低烟气中的NOx，从而达到超低排放的目的。

目前煤粉工业锅炉还处于高速发展阶段，烟气超低排放净化技术有多种组合方式。煤科院节能公司经过多年的技术研发，形成了具有煤科院特色的工业锅炉烟气污染物控制工艺，即“分级低氮燃烧+SNCR+NGD+旋风分离器+布袋除尘器/电袋除尘器+臭氧脱硝”。该方法具有投资和运行成本低、占地面积小、运行稳定的特点，且能够避免脱硫废水二次污染和有色烟雨等问题，在煤粉工业锅炉领域将有较好的应用前景。

1.4 测控技术

煤粉工业锅炉测控技术为决定锅炉系统自动化水平的核心要素，其控制着煤粉工业锅炉系统的运行，即大体可将测控技术分为3个发展阶段。第1阶段:触摸屏结合S7200系列的小型PLC控制系统，此测控系统实现了传感器数据的远程回传、锅炉相关动力设备的起停控制等智能控制基本功能，是煤粉工业锅炉自动控制的初级阶段；第2阶段:上位机电脑结合S7300系列的中型PLC控制系统，此阶段除了第1阶段的基本功能外加入了测点报警、设备连锁保护、数据历史记录、负压自动、恒压补水等功能。第3阶段:DCS大型控制系统，此测控技术将大数据分析、移动网络等新技术应用于煤粉工业锅炉领域，实现锅炉的远程监控、故障自诊断等功能。随着煤粉工业锅炉容量增大、市场对锅炉自动化程度提出更高的要求，提出了智慧煤粉炉的概念[41-45]，即在煤粉工业锅炉运行生产过程中可自主优化，相关系统能够采集、分析、判断和规划自身行为，智能地在线动态优化配置设备及其参数[44-46]。“智慧煤粉炉”等概念的提出使DCS测控技术在煤粉工业锅炉领域有很好的应用前景。煤科院节能公司在DCS测控技术的支持下，初步达到了无人值守的效果。

我国煤粉工业锅炉从锅炉型式来说，已形成适应我国国家和满足国内市场需求的较完整的产品规格体系。锅炉本体型式早已成熟，煤粉工业锅炉行业今后的变化、发展，主要随着燃料品质的变化、环保要求的提高以及科学技术发展而带来供料方式、燃烧方式以及检测和自动控制水平的提高和完善。煤粉工业锅炉技术未来将面临精耕细作的过程，着眼于从有到优、从整体到细节、从单机到系统、全生命周期的优化提升，并着重于对现有经验的理论提升和实证研究。

2 推广应用现状

2.1 煤粉工业锅炉发展环境分析

我国煤粉工业锅炉发展环境主要受政策环境、经济环境和社会环境3个方面影响。其中关于政策环境，我国从“十一五”、“十二五”规划中，煤粉工业锅炉已被列入各类政府文件并进行了广泛的推广宣传。此后随着我国雾霾的加重、生态环境问题的日益突出，中央政策以及地方政府又颁布了一系列的政策，明确表示支持煤粉工业锅炉行业的发展。2014年，国家发展改革委、环保部、财政部、质检总局、工信部、国管局、国家能源局等七部门联合下发《关于印发燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案的通知》(发改环资〔2014〕2451号)，共同启动实施“燃煤锅炉节能环保综合提升工程”。国务院颁布的《贯彻实施质量发展纲要2016年行动计划》行动计划中提出推广高效锅炉、实施锅炉节能环保改造，淘汰落后燃煤小锅炉。2016年是煤粉工业锅炉推广的转折点，“去煤化”的呼声越来越大，各地谈煤色变，煤粉工业锅炉推广举步维艰。2017年国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》、发改委印发《北方地区冬季清洁取暖规划(2017-2021)》文件以及2018年国务院发布《中共中央、国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》文件，3个文件针对煤粉工业锅炉行业提出以下4个方面的具体要求:① 全国原则上不再新建每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，重点区域(京津冀及周边地区、长三角地区和汾渭平原)全域和其他地区县级及以上城市建成区原则上不再新建每小时35蒸吨以下的燃煤锅炉。② 重点区域新建燃煤锅炉大气污染物排放浓度满足超低排放要求，即在基准含氧量6%条件下烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，下同。③ 重点区域保留的锅炉执行大气污染物排放限值或更严格的地方排放标准，每小时65蒸吨及以上燃煤锅炉全部实施节能和超低排放改造。④ 各地有关部门要按照国务院相关文件的要求推进落后锅炉淘汰工作。要坚持因地制宜，多措并举，制定燃煤锅炉综合整治实施方案，分类提出整治要求，维持现有设备有效运行，不搞“一刀切”，宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热，锅炉淘汰前应有替代热源。从上述国家政策可知，国家支持高效率燃煤工业锅炉的发展，倡导节能减排，因此近两年高效煤粉锅炉行业逐步回暖，但同时随着环保部对行业排污控制要求的提高，工业锅炉制造企业在污染控制方面的资金投入将会增加，企业的获利水平将会受到一定的影响。

综合分析国内社会环境，“十三五”时期我国工业化、城镇化建设进程将进一步加快推进，我国能源需求呈刚性增长。《国家新型城镇化规划(2014-2020 年)》要求户籍人口城镇化率从 2012 年的35.3%提高到 2020 年的 45%左右。目前随着工业化、城镇化建设的深入推进，北方城市人口集中供暖的需求拉动了煤粉工业额锅炉市场需求。

2.2 煤粉工业锅炉市场需求前景分析

影响煤粉工业锅炉市场的因素主要包括国民经济的发展速度和投资规模、北方地区采暖需要和住宅建设及第三产业的发展、效率低污染重的落后锅炉淘汰改造以及正常的更新改造。在国家能源战略调整、大力推进节能减排低碳发展、“去煤化”大背景下，煤粉工业锅炉发展面临机遇也存在挑战，但总的来说机遇大于挑战。

目前我国煤粉工业锅炉领域的发展机遇主要包括2个方面:① 国家节能减排的要求越来越高，相比传统的链条炉、循环流化床等炉型，节能环保的煤粉工业锅炉近几年市场需求比较旺盛；② 我国工业锅炉使用寿命一般为15a～20a，目前已使用超过10a的比例达25%以上，早期生产的锅炉存在小容量、高能耗、高污染物排放的特点。随着热电联产和集中供热的发展，对原有工业锅炉的改造不再是简单的升级，而重在提高容量等级。未来10a将至少有50万蒸吨的工业锅炉需要更新改造，给高效煤粉工业锅炉发展带来机遇。

煤粉工业锅炉领域面对的挑战主要来自3个方面:① 随着国家日益严苛的环保要求提升，煤粉工业锅炉行业在污染物治理方面的资金投入加大，在一定程度上减少了企业的利润；② 经过多年的发展，我国煤粉工业锅炉行业已形成比较完整的产品体系，但煤粉工业锅炉企业大都不具备自行设计能力和技术开发能力，煤粉工业锅炉行业技术水平和自动化水平偏低，煤粉工业锅炉整体技术水平急需进一步提高。③ 我国经济发展进入了新常态，煤粉工业锅炉行业受到一定的冲击。

目前在促进煤炭高效综合利用的同时，致力于有效防治大气污染、大力推进节能减排、立足自主创新、研发先进技术、引领煤炭产业走向清洁转化高效利用之路，已成为业界共识。

目前煤粉工业锅炉行业未来行业市场将逐步实现清洁能源的利用和现有能源清洁化利用，因此未来该部分的市场竞争将有所加剧，传统锅炉产品的发展则逐渐优胜劣汰，龙头企业的竞争优势较为明显。整体来看，未来行业市场竞争将有所加剧，相对落后的生产企业将在转型升级过程中被淘汰。

2.3 行业经营模式分析

大部分工业锅炉为非标准产品，具有生产成本高、生产周期长、质量控制严以及品质要求高等特点，煤粉工业锅炉领域主要采用以销定产和服务型2种经营模式。

以销定产模式指根据客户技术要求和客户燃料的具体情况进行单独设计与生产的模式，此种模式为目前大部分煤粉工业锅炉企业采取的经营模式，其特点是按照客户的要求生产锅炉并销售给客户，未参与整个工程的设计、检测、维修及服务等过程。

服务型模式主要是工程设计+承包安装+检测维修服务的经营模式，主要包括煤粉工业锅炉企业不仅设计生产销售锅炉产品，同时还具备承包整个工程的能力，参与整个工程项目的设计、采购、生产、安装、检测、维修、后期服务等过程。此种模式是从传统制造模式演变而来的、新的先进制造模式。该种服务型模式使得企业能够根据目标顾客的个性化需求以提供产品及服务，实现顾客锁定并提高顾客满意度。其次，通过专业化的设计服务，企业可在每种产品的1种或几种核心特征上增加技术异质性，从而取得竞争优势。

在实施服务型模式方面，煤科院节能公司作为国内率先从事煤粉工业锅炉领域的企业，目前采用服务型影响模式，因其具有单独设计产品的能力且具有设计、施工资质。企业的全面发展有助于我国煤粉工业锅炉行业结构升级，促进行业的转变。

3 结论及建议

(1)未来煤粉工业锅炉行业将聚集锅炉及相关领域节能、环保、信息化融合三大领域。煤粉工业锅炉行业技术将面临精耕细作的过程，着眼于从有到优、从整体到细节、从单机到系统、全生命周期的优化提升，着重于对现有经验的理论提升和实证研究。

(2)“限煤化”和严苛的节能减排环保要求在一定程度上阻碍了煤粉工业锅炉行业经济的发展，宏观经济增速的放缓也会影响锅炉制造业的上游和下游，不利于行业的发展，但工业化、城镇化建设继续深入推进则可拉动煤粉工业锅炉市场需求。

(3)煤粉工业锅炉领域主要采用以销定产模式和服务型模式2种经营模式。服务型模式指煤粉工业锅炉企业不仅设计生产销售锅炉产品、同时还具备承包整个工程的能力，参与整个工程项目的设计、采购、生产、安装、检测、维修、后期服务等过程。此种模式是从传统制造模式演变而来的先进制造模式，通过专业化的设计服务，企业在每种产品的核心特征上可增加技术差异性，有助于我国煤粉工业锅炉行业结构升级，促进行业的转变。