工业锅炉、窑炉、节能减排技术途径和关键问题.doc

工业锅炉及窑炉节能减排技术途径与关键问题分析

当前我国的燃煤工业锅炉、窑炉普遍存在技术落后、效率低下、污染严重、监管难度大等问题，节能潜力超过1亿t煤，是煤炭节能减排技术的重点。实现工业炉窑燃煤节能是一个系统工程，关键是依靠燃煤技术和运行控制技术的进步，法规政策的促进和保障作用，社会化服务有助于推动新技术发展，先进的节能技术必会带来可观的经济和社会效益。

1 工业燃煤锅炉及窑炉现状分析

据统计，我国现有燃煤工业锅炉总数接近55万台，总容量达169万蒸吨(118.4万MW)，平均单台装机容量仅2.4 MW，其中约85％为燃煤锅炉，耗煤量约4亿t／a。目前，每年锅炉产量约2-3万台，其中约1／4用于新增需求。燃煤工业锅炉装备水平普遍较低、系统技术落后，平均热效率约60％，比国外低20％-25％，计算节煤潜力约1.2亿t／a；污染治理及运行水平差，每年向大气排放SO2600多万t，烟尘800多万t，CO21.64亿t，灰渣8700多万t，是城市主要大气低空污染源，直接影响城区空气质量，总体污染仅次于电站锅炉，在许多城市工业锅炉污染甚至超过了电站锅炉。

目前全国共有16万座以上燃煤工业窑炉，主要集中在建材、冶金、化工及陶瓷等行业，年耗煤量即达到3亿t。工业燃煤窑炉平均热效率仅40％左右，比国外先进水平低10％-30％。主要用于水泥、砖瓦、石灰等生产，普遍规模小、装备陈旧、技术落后、运行管理粗放，缺乏除尘脱硫措施，总体能源效率比发达国家低30％-50％；在钢铁行业采用的工业窑炉有用于球团工序的迥转窑、石灰热工窑炉、耐火材料热工窑炉(如竖窑、隧道窑、梭式窑、迥转窑，还有少量倒焰窑)等，热效率一般在25％-50％之间，约有30％左右的节能潜力；另外，我国还有相当一部分燃油、燃气的炉窑，其中许多面临无油无气可烧的局面。工业窑炉带来的能源利用效率低下、环境污染严重问题已经成为影响我国经济社会发展的制约因素。

燃料煤质量不稳定、燃烧装置与多变煤质不匹配、不能根据煤质的变化适时调整操作状态、污染物排放缺乏经济而有效的控制手段等诸多问题，是造成燃煤工业锅炉和窑炉热效率低下、污染排放严重的主要原因。其根本所在是缺乏对狭小空间中各种燃煤过程及复杂耦合规律等方面的基础研究。通过开展相应的基础研究，继而开发出高效、洁净的燃煤技术及配套技术，经初步分析可使工业锅炉、窑炉热效事至少平均提高10％，总节煤量约达1.2亿t／a；仅节煤所减少的S02排放约200万t／a、减少灰渣排放2800万t／a、减少 CO2排放约2.9亿t／a；同时可减少大量运力。

近年来，国内一些城市和地区采取了热电联供、锅炉大型化或集中供热、清洁燃料(天然气、液化石油气等)替代等措施，一定程度上缓解了燃煤污染。但是，随着工业化和城镇化建设快速发展，燃煤工业锅炉、窑炉数量和燃煤量仍然很大。由于我国以煤为主、油气资源相对短缺的能源资源特点，预计燃煤工业锅炉、窑炉今后还将长期、大量被应用于各个领域。

我国工业锅炉、窑炉燃煤技术及运行状态大大低于其他领域现代工业技术水平，其低效率和高污染问题亟待改变，已经引起政府管理部门、科技界和企业界的极大关注。国家发展和改革委员会制定的《节能中长期专项规划》中，已将燃煤工业锅炉(窑炉)节能改造列为“十一五”十大重点节能工程之一，并制定了工程示范实施方案，目前正在进行前期准备工作。研究、开发工业锅炉(窑炉)高效、洁净燃煤技术是实施国家节能重点工程的现实需要。

2 工业锅炉及窑炉燃煤节能技术途径

全面提高燃煤锅炉、窑炉的热效率及控制污染物排放，必须立足我国煤种、煤质多变的现状，一方面需稳定和提高燃煤质量，另一方面需针对狭小燃烧空间开发先进的高效低污染燃烧技术和开发适应煤质变化的自动控制调整技术，进而实现整体燃烧技术系统的优化。

2.1 稳定和提高燃料煤质量

煤炭质量是工业锅炉、窑炉设计的依据。锅炉及窑炉一旦使用与设计煤种、煤质差别较大的煤时，往往产生燃烧不完全、温度分布及空燃比不合理、污染物难以控制等一系列问题，如果不能及时调整操作甚至超出调整范围，将导致热效率下降和加重污染。

目前，我国工业锅炉行业以煤的干燥无灰基挥发分、收到基低位发热量为指标，将燃料煤划分为几类，并选择对应煤矿的煤作为锅炉设计参照煤，依据其工业分析、元素分析数据提供了相应煤种的层燃及流化床工业锅炉的热力计算方法和主要设计参数。虽然挥发分从总的趋势上大致反应了煤阶变化，但对低煤阶煤和高煤阶煤的判别和评价往往出现偏差；对于混煤，挥发分是不同混合煤各自挥发分的平均值，当混合煤煤质差别较大时，无法反映其总体燃烧特性。该方法虽然对规范工业锅炉设计和装备制造起到了一定作用，但无法从根本上解决我国煤质多变的现状给锅炉设计提出的诸多问题。

国外先进国家中小型燃煤锅炉的煤源基本固定，并使用经过加工得到的专用煤，煤种与煤质稳定。在我国，燃煤煤种及煤质多变是煤炭供应的显著特点，特别是近年来西部新开发煤炭大量进入市场，东部煤炭开采深度增加，煤炭运输和市场流通不断发生变化，造成商品煤的煤种和煤质多变，使本来就长期存在的煤质与工业锅炉(窑炉)设计不符导致的运行效率低下等问题更加突出。对于燃煤发电，随着规模大型化和燃煤技术向高效、低污染方向的发展，多变煤种和煤质降低的影响越来越突出，已引起国内许多研究者、燃煤电厂、国外技术和装备供应商的高度关注。

如何稳定煤种和提高煤质成为首先要解决的重要问题。通过以下措施，在一定范围内可使煤种煤质得到稳定：

(1)燃煤用户与煤炭生产企业建立长期稳定的供煤关系，避免在流通环节中出现人为的不可控混煤现象；

(2)完善燃料煤燃烧性能的评价，为锅炉、窑炉的设计提供更加科学的依据，并为动力配煤提供基础；

(3)有条件的地区可集中建立动力煤配煤厂，通过燃烧特性相似的煤炭配合达到燃煤煤质要求；

(4)对新开发煤炭的燃烧性能进行全面评价，并确定适宜的燃烧技术；

(5)对混煤进行定性、定量鉴别，以主动应对煤种、煤质变化。

2.2 发展多元化燃煤节能技术

根据我国各地目前的技术、

根据我国各地目前的技术、经济发展不平衡的现状，工业锅炉(窑炉)应发展多元化的燃煤节能技术，以适应各种不同层次和不同条件的生产和生活需求。

(1)层燃优化配风节能技术

燃煤链条锅炉、层燃窑炉投资低，是目前应用最多的工业炉，为了使燃烧完全，常常采用较大的空气过剩系数，烟气热损失较大，当煤种、煤质发生变化时，这一问题更加突出。另外，多数层燃炉是人工操作，当负荷频繁变化时，其运行调整滞后、使热效率进一步降低。因此，开发根据煤质变化可自动适时调整的层燃全程分级优化配风技本，是提高层燃热效率的有效途径。煤炭科学研

究总院煤化工研究分院已对此进行了深入研究，结果表明该技术可使链条锅炉热效率提高10％

-15％。

(2)高效煤粉燃烧技术

煤粉燃烧具有燃烧速度快、燃尽率高、热效率高全系统易于实现自动化控制等优点，是工业锅炉，、窑炉发展的重要先进燃煤节能技术。20世纪70年代，国内曾开展中小型煤粉锅炉的推广和应用，但受当时各种配套技术以及自动化技术发展水平的限制，使该技术应用受到影响。目前，煤炭制粉、烟尘净化、自动点火及负荷控制调整等技术已发展成熟，已被经济地应用于其他行业，为发展中小型煤粉燃烧技术提供了技术支持和低成本实施的可行性。近年来国内开发小型煤粉燃烧技术取得突破性进展，煤炭科学研究总院建成了全部自主知识产权的O.5 MW粉煤燃烧技术试验系统，该系统由煤制粉、输送、低氮燃烧、热水锅炉、除尘及干法脱硫装置、自动化控制等部分组成，系统运行检测表明：热效率达到87％以上，NOx排放低于400 mg／m 3，燃烧中脱硫效率达到50％，粉尘排放不大于20 mg／m 3。

(3)多元耦合燃烧技术

多元耦合燃烧技术是针对不同煤质，通过几种燃煤技术的有机耦合和优化，从而达到整体高效燃烧的有效技术途经。例如，粒度差别较大的燃料煤，通过筛分分级或风力分级，块煤采用层燃方式、小粒级煤采用煤粉气流床方式或流态化方式在一1个炉膛的不同部位进行技术耦合，可充分发挥各种技术的集成优势，提高整体热效率。

2.3 自动控制技术

在工业发达国家，工业煤粉锅炉、链条锅炉和工业窑炉，一般都配置有成套的排烟成份检测、运行状态诊断等现代工业控制装置，通过全面自动化控制实现在线运行调整，从而达到最佳的燃烧状态，热效率高。

与国外工业发达国家相比，我国在工业锅炉、窑炉的自动控制方面尚有较大差距。一方面，国内工业锅炉生产企业技术档次参差不齐，有些低档次企业生产的锅炉结构设计不合理，难以实现自动控制；另一方面，对煤质变化后如何实现最佳燃烧的控制规律缺乏研究，锅炉生产企业难以配套相应的自动控制装置。因此，须对工业锅炉生产企业进行规范和整顿，并对不同煤种、煤质燃烧组织方式和控制规律进行深入研究，通过集成创新，开发出适用的自动控制技术。

2.4 污染物控制技术

粉尘、S O 2、NOx是工业锅炉、窑炉排放的主要污染物。由于规模普遍较小，增加了经济地治理污染排放的难度，特别是燃烧后对烟气的治理。因此，须开发燃烧中控制SO2、NOx生成以及燃烧后高效除尘技术。

3 工业锅炉、窑炉燃煤节能的关键问题分析

针对以上的节能技术，须对以下的关键问题进行深入研究。

3.1 基于煤结构特征的燃烧特性

为了应对煤种、煤质多变对高效洁净燃烧造成的影响，首先须掌握不同煤种、煤质的燃烧特性及与煤结构的对应规律。

煤化学研究成果表明：煤的结构是影响其物理和化学性质的根本因素。然而，由于煤分子结构的复杂性，目前尚难以从分子的尺度定量确定与燃烧特性的关系。但是，在亚微观的尺度上，煤的结构又有许多相似的部分。因此，区分出不同煤中结构相似的亚微观组分，并以此作为基本“元素”，通过研究各“元素”的燃烧特性来预测不同煤种、煤质的燃烧特性，是揭示煤结构特征与燃烧特性本质联系的最佳方法。

煤的亚微观结构取决于各煤岩组分及相应的变质程度。处于不同变质程度的同一煤岩组分结构不同，在燃烧中结构演变亦不同。例如，不同变质程度的镜质组经过热解后，其结构与反应性变化如图1所示。

由图1可见，随变质程度提高(反射率增加)，镜质组热解焦炭从各向同性结构向各向异性结构(各向异性程度：叶片状>纤维状>镶嵌状)发展，反应性逐渐降低。对于惰质组，热解后有的保留原丝质状，有的形成破片状，反应性介于各向同性结构和镶嵌结构之间。煤的变质程度及煤岩组成直接影响燃烧效率和稳燃特性。

同样，不同变质程度的煤岩组分由于结构不同，热解中产生的挥发分组成及数量以及随温度的变化规律亦不同，对煤的点燃特性具有重要影响。

通过深入研究，可形成能够全面、科学地判别和评价煤燃烧特性的新方法，为主动应对煤质变化开发高效洁净多元化燃煤技术、形成适时调整和控制新技术提供基础支持。

3.2 狭小约束空间煤燃烧规律

煤燃烧过程涉及气固流动、传热、传质以及燃烧反应等过程的耦合，与燃烧空间大小、边界形状有很大关系。目前，对于大型电站锅炉已有较深入的研究。但是，对于规模较小的工业锅炉及窑炉，采用煤粉燃烧(包括煤粉与其他燃煤技术的耦合)时由于燃烧空间狭小使停留时间缩短，影响其燃尽率；其边界形状与大型电站锅炉亦不同，使得流场发生畸变，同时因其散热量较大，造成温度场、浓度场分布发生变化，进而影响到燃烧的稳定性和热效率。因此，须针对工业锅炉、窑炉的特点，深入研究其流动、传热、传质规律，并掌握由此而引起的宏观燃烧动力学规律，为开发适于工业锅炉及窑炉的煤粉燃烧、多元耦合燃烧技术奠定技术基础。

对于层燃技术，亦须深入研究空气流动、传热、传质对宏观燃烧动力学的影响规律，为开发优化配风技术提供基础支持。

3.3 高效低NOx、燃烧基础

如前所述，煤粉燃烧可达到高的热效率。但对于狭小空间的煤粉燃烧过程，由于停留时间短而影响其燃尽率，需相应提高燃烧温度，往往与低NOx燃烧产生矛盾。由于经济性的制约，工业锅炉与窑炉很难采用燃烧后烟气脱NOx技术，须在燃烧中尽量抑制NOx的产生。因此，须从燃烧组织方式、多种技术的耦合、催化燃烧等方面研究较低温下的高效燃烧问题，以及在狭小空间下实现局部还原气氛，以达到高效与低NOx燃烧的目的。

3.4 燃煤技术的优化控制基础

针对煤种、煤质变化以及热负荷变化，须开发相应燃煤技术的优化控制系统。因此，须对各种燃煤技术的动态特性以及最佳工况等基础工作进行研究，特别是多元技术的耦合燃煤系统，须深入研究各单元技术之间的干涉规律，为开发高效洁净燃煤的自动控制系统和集成创新奠定基础。

4 先进技术的节能效益

采用先进的燃煤技术虽然增加了设备投资，但节煤使得运行成本降低。以煤粉锅炉为例，根据煤炭科学研究总院O.5 MW粉煤燃烧技术试验系统数据测算，采用先进的煤粉锅炉投资比链条锅炉增加近一倍，但节煤可达30％以上，按目前的煤炭价格，预计可在2年内收回增加的投资，具有显著的经济效益。锅炉的规模越大，产生的经济效益越明显。并且由于配套高效布袋除尘装置和炉内脱硫、低NO。燃烧技术，环境质量得到明显改善，具有显著的社会效益。

5 政策、法规的推动和保障

5.1 改进政策以推动发展先进技术

我国的能源结构特点是富煤缺油、气，油气资源有限使得价格昂贵。这种资源特点和经济发展水平决定了我国在相当长的时期内仍然以煤为主，简单的禁煤政策并不是解决低效高污染问题的有效办法，相反却在一定程度上成为燃煤锅炉提高效率、减轻排放的障碍。

通过环境、节能及技术等多项政策的引导和限制，鼓励采用先进技术，淘汰落后技术和生产能力，特别是对环境指标、能效指标进行有效控制，达到提高能效、降低污染的目的。为推动工业锅炉、窑炉先进燃煤技术的发展和应用，在政策方面提出以下建议。

(1)在产业政策方面，鼓励工业锅炉向大型化和高效化发展，通过技术政策的引导和要求，调整工业锅炉产品结构，使工业锅炉向大容量、高技术、高质量、集成化方向发展。

(2)在环境政策方面，应当以不同档次的先进燃煤技术环境指标为标准，按照国家对各地区进行的环境等级分类，制定符合不同地区经济发展水平的污染排放等级标准，以鼓励发展不同档次的工业锅炉、窑炉先进燃煤技术。各地区情况相差很多，很难实行全国统一的政策和标准，因此，各地区在国家大政策的框；架下，结合本地区能源资源、环境状况和工业锅炉运行现状，制定了合理的、可供操作的工业锅炉效率和污染物排放标准，地方标准可严于国家标准，北京、上海等地已经实行了严格的地方标准，并取得了明显的成效。

(3)加大污染物排放收费力度，促进工业锅炉、窑炉先进技术的应用。

5.2 能效监测及管理

要改变目前锅炉及窑炉运行效率低、污染严重的问题，除发展和采用先进的燃煤技术外，还须加大能效监测和管理的力度。

通过人员的培训，借鉴和学习国外先进的工业锅炉管理模式，在目前工业锅炉安全监测办法的基础上，结合各地区的实际情况，将工业锅炉能效(包括设计效率、鉴定效率和运行效率)、污染物排放指标及安全性能同时列为技术和产品的评价指标，形成综合安全、技术、环境和经济的评价体系，同时制定合理的运行效率和污染物排放连续监测办法和监测制度。

6结论

(1)开展基于煤结构燃烧特性研究，开发混煤定量鉴别技术和动力配煤技术以稳定燃煤质量：建立煤质燃烧性能评价新体系，为工业锅炉、窑炉的合理设计提供依据。

(2)针对工业锅炉、窑炉，开展狭小约束空间燃煤规律、高效低NOx燃烧方式和优化控制规律等基础研究，开发高效低污染煤粉燃烧技术及适应不同煤质的多元耦合燃煤技术，以及优化控制技术。

(3)通过改进完善工业锅炉产业政策和相应的环境政策，鼓励不同经济发展水平的地区发和使用不同档次的先进燃煤技术。

(4)加大能效监测与管理工作的力度，形成以安全、技术、环境和经济为主的综合评价体系。