煤粉锅炉发展前景分析

煤粉锅炉发展前景分析前言德国是一个缺油气但煤炭资源丰富的国家，其优质褐煤存储量巨大，已探明可开采储量有410亿吨，按2004年的开采量可使用225年。表1、表2列出有代表性的莱茵褐煤的部分煤质特性。正因为如此，该国长期致力于煤粉电站锅炉和煤粉工业锅炉技术的研发并已达到世界一流水平。Pillard、Saacke、Korting、Steinmiiller等德国公司制造了先进低氮煤粉燃烧器、煤粉锅炉、煤粉热风炉及配套设备。其中，PiUard等公司开发的低氮煤粉燃烧器已成功应用在工业锅炉上，而且实现了工业锅炉NOx排放低于100mg/m3（标态）的效果。我国煤炭科学研究总院大约在十年前率先引进国外技术并消化吸收、自主开发工业锅炉煤粉燃烧技术和相关设备，通过与有关锅炉厂合作，联合生产了我国第一代高效煤粉工业锅炉；山西蓝天集团在省政府支持下，在各地大力推广2.8~91MW和4.0-130t/h系列化煤粉工业锅炉产品；杭州燃油燃气锅炉厂也生产了受用户欢迎的15t/h、20t/h角管式煤粉蒸汽锅炉。由于技术进步，并以优质III类烟煤为燃料，现在的煤粉工业锅炉已彻底改变了20世纪60年代同类锅炉效率低下和脏乱差面貌，不仅燃烧效率高、排放达标，还具有油气炉的许多优点，受到不少用户的好评。目前，我国巳有数百台煤粉工业锅炉在运行，燃料燃尽率接近99%，锅炉热效率达到88%左右。为规范和引导我国煤粉工业锅炉的发展，由上海工业锅炉研究所、中国电器工业协会工业锅炉分会组织有关单位起草了相关标准并于2013年正式颁布，即CEEIAB221—2013《煤粉工业锅炉及系统》行业标准。1煤粉工业锅炉的特点1.1燃料与制粉采用优质III类烟煤或优质褐煤制粉，煤粉低位发热量大约为24MJ/kg，干燥无灰基挥发分Vdaf在30%以上；为了确保煤粉流动性，要求煤粉收到基水分大约在5%。由于煤粉工业锅炉炉膛矮小，煤粉在炉膛中停留时间短，要保证燃尽，煤粉要磨得更细，一般为200目，平均粒径74（μm，筛上仅10%。这使得磨煤电耗增加，通常磨1t粉电耗为45~50kW。褐煤粉可相对磨得粗些。通常是集中制粉、专车（CO2气体保护）运送到各锅炉用户，注入其煤粉塔。采用这种方式，煤粉锅炉的锅炉房可以做到象油气炉锅炉房那样干净。1.2燃烧器及其布置煤粉工业锅炉开发初期，多采用浓相送粉的带预燃锥的燃烧器。该燃烧器技术源自德国Dr.Schppe的发明，50%以上的煤粉在预燃锥内缺氧燃烧，然后大量CO和焦炭进入炉膛继续燃烧。对于水管锅炉，该燃烧器多布置于炉顶；对于火管锅炉，多在炉前水平或微倾斜布置。目前，采用稀相送粉技术、没有预燃锥的旋流燃烧器也很流行，其中，福建永恒能源管理有限公司开发的燃烧器及炉底布置方式已获专利[2]，很受用户欢迎。1.3完善的保障系统现代煤粉工业锅炉技术是一项集自动供料和输粉、锅炉燃烧与运行控制、烟气污染物脱除及除猹与清灰于一体的系统技术，唯有组成该系统的相关设备可靠协调运行，才能实现现代煤粉工业锅炉安全经济运行，并达到合格的污染物排放要求。2煤粉工业锅炉具有实现低温燃烧和低氮排放的优势2.1德国Pillard公司的一个范例德国Pillard公司在容量24.3t/h的蒸汽锅炉上燃烧莱茵褐煤粉，锅炉立式“U”布置，带烟气再循环的低氮煤粉燃烧器（没有预燃锥）布置在炉顶。炉膛有效高度为9m，断面为正方形，采用全膜式壁。该炉2008年在德国Ibbenbüren成功投入运行。从图1可看出，NOx随燃烧器负荷增加而降低，在燃烧器70%负荷时，NOx排放浓度约为50mg/m3（标态）（基于烟气含氧量7%），远低于德国政府限定值150mg/m3（标态），这是令人惊喜的数据。但对应的CO排放浓度约为270mg/m3（标态），这个数值之所以高了，是由于采用低氧低氮燃烧器后，主燃区大量还原性气体CO产生，导致少量CO未燃尽。该数值对应的化学不完全燃烧损失q3约在0.1%；但低氧燃烧又使排烟热损失q2减少，因此总体可以认为CO的产生对锅炉热效率影响不大。2.2工业锅炉炉膛具有低温运行优势这里的“低温运行”是相对电站锅炉炉膛温度1300℃而言。工业锅炉的蒸汽都为低参数，对应着更低饱和度（壁面温度），如压力1.6MPa的蒸汽对应的饱和水温度是204℃，而亚临界参数锅炉对应的饱和水温度是上述两+因素导致工业锅炉炉膛火焰被更有效冷却，炉膛温度可以在相对低（1100℃对于燃烧高挥发分的优质烟煤或褐煤的煤粉工业锅炉，炉膛相对低温对燃烧稳定性和煤粉燃尽基本没有影响，但却大大有利于抑制NOx的产生。2.3燃烧器空气分级和烟气再循环是实现低氧低温燃烧的有效措施工业锅炉相对大的水冷壁面积和相对低的壁面温度仅为炉内低温运行提供了必要的客观条件。还要通过燃烧器空气分级和烟气再循环，才能实现低氧低温燃烧（这是低氮燃烧的本质）。由于缺氧燃烧，使主燃区产生大量还原性气体CO，比较式（1）和式（2）可知，1摩尔碳不完全燃烧生成CO比完全燃烧生成CO2所放出热量要减少283kj，因而主燃区能保持低温运行；而在炉膛的中上部，迟到的被分级的空气又促进了CO和残余焦炭粒子燃烧，有利于形成瘦长火焰。式（3）指出，CO燃烧放热量是283kj/mol，比式（1）大得多，因此沿炉膛高度温度分布比较均匀，避免了燃烧器出口主燃区温度峰值的出现。缺氧时：C+½02=CO+110.5kj/mol（放热）(1)不缺氧时：C+02=CO2+393.5kj/mol（放热）(2)CO+½02=CO2+283kj/mol（放热）(3)德国Pillard、Saacke等公司的低氮煤粉燃烧器在燃烧莱茵优质褐煤时，炉膛温度便可控制在1100℃以下。这使热力NOx电站锅炉无法通过自身燃烧技术把NOx数值降低到工业锅炉水平，其关键原因是炉膛温度太髙。广东台山电厂600MW机组进行了低氮燃烧试验，如图2显示，当炉膛出口含氧量从4.8%降到2.8%时，NOx从767mg/m3（标态）降低到440mg/m3（标态）[5]。这仍大大超过我国政府2014年生效的《火电厂大气污染物排放标准（GB13223—2011））规定的限定值100mg/m3（标态），因此，只能依靠选择性催化还原（SCR）烟气净化技术来实现达标排放。该机组燃烧试验提供的数据表明，尽管其主燃区炉膛温度低于1000t，但其炉膛中上部温度已超过1300，这正是NO，不能大幅下降的关键原因。2.4燃烧器的合理布置煤粉工业锅炉容量在40t/h以下时，从低氮排放考虑，应提倡使用单个燃烧器。对水管锅炉而言，燃烧器布置在炉顶或炉底都可以，这样可充分利用整个炉膛高度，对燃尽有利。更重要的是燃烧器火焰能以炉膛中心为对称，燃烧器各个风道出来的风（或风粉）基本能贯彻低温低氧设计意图（各次风混合的迟早及强度，主燃区高温气体到火焰根部的回流量等），更有效地组织还原性气氛和降低火焰峰值温度，达到有效降低N0x排放量的目的。如果双燃烧器对冲布置或单个燃烧器前墙布置，火炬对称性被破坏，上述效果将有一定程度削弱。3煤粉工业锅炉必须严格控制烟尘排放3.1控制烟尘排放的紧迫性目前，全国上下都关注雾霾，其公认源头之一是燃煤。自2007年起，北京、上海、广东等省市先后修订了各自的地方环保标准，提出了比国家《锅炉大气污染物排放标准（GB13271—2001）》更严格的燃煤锅炉烟尘排放浓度限定值。其中，北京出台的地方标准最为严格，该标准规定所有新建或改扩建的燃煤电站或工业锅炉，烟尘排放浓度不得超过10mg/m3（标态），这巳是欧美国家的排放水平。利用表3工况B数据可计算出除尘器出口PM2.5的浓度值为28840x9.3%x（1-99.31%）mg/m3（标态），即18.507mg/m3（标态），也就是18507μg/m3（标态）。国家环保局文件（HJ633—2012）指出，空气质量指数大于300为严重污染，这个数值对应的空气质量分指数PM2.5值是大于250μg/m3（标态）。可想而知，燃烧含灰20%以上的电站锅炉，其烟尘排放浓度对国家pm2.5限排仍然造成很大冲击。该厂还必须在布袋除尘器之后串联一个湿法脱硫装置，以减轻PM2.5的排放。目前，我国沿海不少超临界机组的煤粉锅炉，其燃料含灰量大多在20%左右。这些电厂多采用静电除尘，其出口烟尘浓度可控制在50mg/m3（标态）以下；接着，烟气再经过串联其后的海水脱硫装置，烟尘排放浓度进一步降低到10mg/m3（标态）以下，达到了欧美国家的排放水平。2013年，北京、天津等城市在不断增加的雾霾天气压力下，断然出台了禁止一切燃煤锅炉的措施。这在个别城市可以实行，但在全国是行不通的，因为我国没有足够油气资源，也会出现能源安全问题。煤粉工业锅炉使用燃料的含灰量大约是电站锅炉用动力煤的三分之一，这有利于减缓PM2.5的排放；但前者使用的煤粉平均粒径仅74μm（电站锅炉使用90μm），挥发分又更高，导致低温燃烧后生成的飞灰更细，其烟尘粒度分布中含PM2.5比例会上升。另外，容量40t/h的工业锅炉烟囱高度超过45m就合格，相比目前国内主力机组600MW的锅炉烟囱高度220m，煤粉工业锅炉在局部低矮空间排放的PM2.5浓度实在堪忧。因此，煤粉工业锅炉用户应当与国家治理烟尘排放同步，自觉研讨并采取措施控制PM2.5排放。3.2有效降低煤粉工业锅炉烟尘排放的措施燃烧含灰量相同的煤种时，煤粉锅炉烟尘初始排放浓度大约是链条炉排锅炉的8倍，是循环流化床（CFB）锅炉的2〜3倍。因此煤粉工业锅炉必须采用低灰的优质燃料，从源头上降低初始烟尘排放浓度；其次，还要采用除尘效率更高的布袋除尘器。上述两项措施可使煤粉工业锅炉的烟尘排放值与采用旋风除尘的链条炉排锅炉或采用静电除尘的CFB锅炉大致相当。目前，国内一些用户把煤粉工业锅炉布袋除尘与湿法脱硫结合起来，成功地使烟尘排放浓度降低到10mg/m3（标态）以下，值得推广。随着对PM2.5限排的重视，不少地方环保局已规定煤粉工业锅炉用户必须对烟尘及S02、N0x排放加装固定的在线连续监测装置。这样，地方环保局能够对锅炉用户烟尘等污染物排放进行有效监管，也有利于用户自身及时发现并解决布袋除尘器运行中出现的问题。治理雾霾是一项长期任务，应与时倶进，大力开发适用于煤粉工业锅炉的高效低阻除尘设备，以适应更加严格的烟尘排放标准。4煤粉工业锅炉发展前景分析4.1现代煤粉工业锅炉在我国工业锅炉发展中应有一席之地煤是我国基础能源，在相对长时间内，工业锅炉仍将以燃煤为主且以链条炉排锅炉和CFB锅炉为主要炉型。采用高效煤粉燃烧技术、容量适中的煤粉工业锅炉，并通过合同能源管理模式推广，是有优势的，在燃煤锅炉中应有一席之地。这是因为除了该类锅炉热效率高和环保可达标外，还具有类似油气炉那样启停便捷、负荷调节性好等优点。尽管这种锅炉及配套保障系统的投入大约是油气炉的4倍，但对用汽量大的大中型企业，他们可以很快从节约的燃料费中收回投资成本。国内相关单位的应用实践巳证明了这一点。4.2煤粉工业锅炉必须利用低氮燃烧技术优势实现氮氧化物达标排放煤粉工业锅炉必须充分利用其炉膛所具有的低温运行特点，并应用燃烧器空气分级和烟气再循环等低氮燃烧技术，组织好低温低氧燃烧。应当指出，煤粉工业锅炉完全可以通过利用自身的燃烧技术优势，实现NOx低于200mg/m3（标态）的排放。它不需要复杂昂贵的非选择性催化还原（SNCR）烟气脱硝技术[7]，更不需要电站锅炉的选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术。4.3煤源已不再成为现代煤粉工业锅炉发展的制约因素尽管现代煤粉工业锅炉对燃料要求高（高热值、高挥发分等），但我国煤炭资源丰富、种类齐全，从无烟煤、烟煤和褐煤，低位热值从15MJ/kg至26MJ/kg都有；况且随着我国经济逐步转型升级和能源供应结构的逐步调整与优化，煤炭行业已从过去的卖方市场转变为现在的买方市场，目前，煤粉工业锅炉所需的优质烟煤已不再紧张。多年来，我国东南沿海企业还从澳大利亚和印度尼西亚等进口更廉价的优质烟煤。因此，煤源已不再成为现代煤粉工业锅炉发展的制约因素，并将促进其发展。4.4煤粉工业锅炉有一最佳容量范围容量小于15t/h锅炉不宜采用煤粉锅炉。因其初投资太大，用户很“难”配齐包括烟气污染物控制装置在内的各个系统设备；而且，这些小容量锅炉在污染物排放方面难以监控。容量在60t/h以上也不宜采用现代煤粉工业锅炉模式，因为电站锅炉已有很成熟的燃烧技术（包括四角布置切圆燃烧技术等）可供借鉴；此外，锅炉容量越大，原有工业锅炉炉膛低温运行优势、可使用单个燃烧器的优势、可充分发挥低氮燃烧的优势等等也逐步被削弱，还得使用SNCR烟气净化技术来解决氮氧化物达标问题。煤粉工业锅炉的最佳容量范围应当是15t/h至35t/h。4.5煤粉工业锅炉的发展必须与国家PM2.S限排同步为了从源头上削减煤粉工业锅炉烟尘排放总量，必须采用低灰优质烟煤或褐煤为燃料，把燃料含灰量严格控制在10%以下，有条件的可控制在5%左右。这样该燃料的低位热值会成比例上升，锅炉使用的总燃料量也下降，使锅炉排放的总灰量随之减少。此外，要配备质量合格的布袋除尘器，并注意其运行中的保养与维护；要安装包括烟尘在内的烟气污染物排放值在线监控装置，发现烟尘排放超标，及时分析问题或更换布袋。要推广除尘脱硫一体化装置，使烟尘排放进一步降低到10mg/m3（标态）以下，达到我国沿海超临界机组锅炉烟尘排放水平。参考文献[1]WemerSchneider,ManfredGemmer.BraukohlenstaubgefeuerteHeip