我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势

　第４４卷第１期煤炭科学技术Ｖｏｌ．４４　Ｎｏ．１　　２０１６年１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２０１６　我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势尚　庆　雨１，２，３（１􀆰煤炭科学技术研究院有限公司节能工程技术研究分院，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）摘　要：为提高煤粉工业锅炉燃煤效率，降低污染物排放量，对我国煤粉工业锅炉六大核心技术：煤粉制备与运输、煤粉安定存储技术、浓相煤粉输送技术、煤粉燃烧器、锅炉本体和低排放烟气净化技术进行了详细介绍；指出当前煤粉工业锅炉存在供料不稳、燃尽率低、组织燃烧困难和污染物排放高的问题。最后对保障煤粉工业锅炉安全稳定运行提出了以下建议：为了达到迅速点火和火焰稳定传播的目的，煤粉工业锅炉组织燃烧应采用煤粉浓相着火、稳燃室半煤气化燃烧和炉膛温和燃烧的方式；对于污染物控制，宜采用机械力除尘器和过滤式除尘器联合除尘、分级低氮燃烧耦合ＳＮＣＲ脱硝以及半干法脱硫技术。关键词：煤粉工业锅炉；燃煤效率；污染物排放；节能减排；脱硫脱硝技术中图分类号：ＴＱ５３６　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：０２５３－２３３６（２０１６）０１－０２０１－０６ＣｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｏｉｌｅｒｓｉｎＣｈｉｎａＳｈａｎｇＱｉｎｇｙｕ１，２，３（１􀆰ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＣｏａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ；２􀆰ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＭｉｎｉｎｇａｎｄＣｌｅａｎＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ；３􀆰ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｅｒｇｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＥｍｉｓｓｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｂｏｉｌｅｒ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ，ｔｈｅｓｉｘｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｏｉｌｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔｏｒａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｎｓｅ－ｐｈａｓｅｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｃｏｎｖｅｙｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｂｕｒｎｅｒ，ｂｏｉｌｅｒｂｏｄｙ，ｌｏｗｅｍｉｓｓｉｏｎｆｌｕｅｇａｓｐｕｒｉｆｉｃａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｕｃｈａｓｕｎｓｔａｂｌｅｆｅｅｄ，ｌｏｗｂｕｒｎｉｎｇｒａｔｅ，ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｎｄｈｉｇｈｅｍｉｓｓｉｏｎｓ．Ａｔｌａｓｔ，ｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｅｎｓｕｒｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｙｂｏｉｌｅｒ．Ｔｈｅｄｅｎｓｅ－ｐｈａｓｅｉｇｎｉｔｉｏｎ，ｓｅｍｉｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｆｌａｍｅｓｔａｂｉｌｉｚｅｒａｎｄｍｉｌｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｒｎａｃｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔａｂｉｌｉｚｅｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎａｎｄｆｌａｍｅｓｐｒｅａｄ．Ａｓｆｏｒｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓ，ｉｔｗａｓｓｕｉｔａｂｌｅｔｏａｄｏｐｔｄｕｓｔｃａｔｃｈｅｒｂｙｍｅｃｈａｎ⁃ｉｃａｌｆｏｒｃｅｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｆｉｌｔｅｒｄｕｓｔｓｅｐａｒａｔｏｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｆｒａｃｔｉｏｎａｌｌｏｗＮＯｘｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈＳＮＣＲ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｎｏｎ－ｃａｔａｌｙｔｉｃｒｅｄｕｃ⁃ｔｉｏｎ）ｄｅｎｉｔｒａｔｉｏｎａｎｄｓｅｍｉ－ｄｒｙｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｏｉｌｅｒｓ；ｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ；ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｄｅｎｉｔｒａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ收稿日期：２０１５－１０－３０；责任编辑：代艳玲　　ＤＯＩ：１０．１３１９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｔ．２０１６．０１．０３４基金项目：煤炭科学技术研究院有限公司技术创新基金资助项目（２０１５ＣＸ０２）作者简介：尚庆雨（１９７３—），男，河北石家庄人，高级经济师。Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]引用格式：尚庆雨．我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１６，４４（１）：２０１－２０６．ＳｈａｎｇＱｉｎｇｙｕ．ＣｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｂｏｉｌｅｒｓｉｎＣｈｉｎａ［Ｊ］．ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，４４（１）：２０１－２０６．０　引　　言随着经济社会发展和城市化进程的加速，我国中东部地区大气复合污染的态势日益严峻，突出表现在京津冀、长三角和珠三角等城市重度雾霾现象频发。据有关部门统计，工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的３０％～４０％。为了使大气污染状况得到改善，提高燃煤工业锅炉的燃烧效率以及降１０２２０１６年第１期煤炭科学技术第４４卷低污染物的排放迫在眉睫。燃煤工业锅炉可提供不同压力下的饱和蒸汽、过热蒸汽，提供不同需求的各种温度热水以及其他热介质，其被广泛应用在化工、机械、农业等领域。目前燃煤工业锅炉总数近６０万台，年消耗煤炭量达６．４亿ｔ［１］，占目前现役工业锅炉总数的８５％［２－３］，且每年以１．５％左右的速度增长。但我国燃煤工业锅炉是个高耗能、高污染的产业，全国重点城市工业锅炉排放造成的污染已经超过了电站锅炉，这主要是因为工业锅炉在使用过程中普遍存在３个问题：①锅炉燃烧设备设计制造质量低、主辅机匹配不合理、自控水平低；②燃用煤种的性能指标通常不能满足设计要求，导致锅炉普遍存在燃煤着火困难、燃尽困难和燃尽率低的问题；③锅炉通常处于低负荷运行，导致燃烧效率低，且散热损失所占比例大［４］。为解决燃煤工业锅炉行业存在的这些问题，自２０世纪７０年代以来，国内曾先后通过自主开发和国际合作，开展了大量燃煤工业锅炉优化升级方面的工作，掌握了多项关键技术。近年来已成功研发出中小型煤粉燃烧技术系统［５－７］，全程优化配风及运行自动诊断技术、燃煤工业锅炉烟气除尘、脱硫一体化技术等，不仅提高了燃煤工业锅炉的燃烧效率，又从源头上减少了污染物的排放。笔者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了归纳总结，以期为今后我国煤粉工业锅炉的健康有序发展提供参考。１　煤粉工业锅炉关键技术煤粉工业锅炉是由煤粉储存塔（罐）、供料器、燃烧器、锅炉本体、烟气污染物联合脱除装置、灰库、点火油（气）站、压缩空气站、惰性气体保护站及测控１０个子系统组成。设计、组装该系统主要有６项关键技术，即煤粉制备与运输、煤粉安定储存、浓相煤粉输送、煤粉燃烧器、锅炉本体和低排放烟气净化。１􀆰１　煤粉制备与运输煤粉的加工工艺主要有２种［８］：①烘干与磨制分离的两步法工艺；②磨制与烘干同时进行的一步法工艺。前一种工艺对设备的要求低，且系统容易控制，但功能分散、工艺链长，仅适用于小规模制粉。后一种系统工艺简单，适合大规模制粉，但对磨机设备及工艺安全性要求高［９］。两步法工业磨机以雷蒙磨为主，一步法工艺磨机一般采用高温立磨。煤粉的配送由加装氮气保护的专用罐车完成，在煤粉加工配送中心与煤粉工业锅炉之间可实现无缝对接，根据应用经验，罐车的经济覆盖半径最大为１００ｋｍ。无论采用何种工艺和设备，为了杜绝发生爆炸等事故，在煤粉制备整个流程中车间内应严禁扬尘的出现，各个设备应保持良好的密封性且回转窑、磨机应负压运行。回转窑是用于烘干煤粉的设施，内部温度高达７００℃，在此温度下煤块有部分挥发分析出；在初步破碎的过程中会产生少量的细粉，在回转窑转动时细粉悬浮在空中形成可燃性粉尘。综合这些因素回转窑内部既有可燃性粉尘也有可燃性气体，形成气－固可燃性爆炸物。烘干煤粉的烟气含氧量高达１２％，回转窑内部同时具备发生爆炸事故的三要素，因此急需对其气－固可燃性爆炸物的最低点火能、爆炸下限等性质进行研究，开发连锁保护装置，以杜绝爆炸事故的发生。１􀆰２　煤粉安定储存技术煤粉储存的关键装置是煤粉储存塔（罐），储罐本体是在常压下使用的耐压容器（设计压力不低于０．３５ＭＰａ），为了防止静置煤粉压实“结壁”和起拱架桥，根据煤粉的流动特性，在煤粉存储塔（罐）下部设计半锥角小于２０°的锥斗［１０］，并在锥斗壁面开孔通入压缩空气。从煤粉的安全性考虑，煤粉储存塔（罐）结构及其附属设施设置通常要采用多种安保措施，包括静电接地、壳体耐压、防爆门泄爆、传感器监控及惰性气体保护等，结构如图１所示。运行过程中，来自煤粉加工厂或配送中心的密闭罐车与煤粉储存塔（罐）燃料加注管快速对接。罐车内的煤粉被车载图１　煤粉储存罐结构示意Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｔａｎｋ２０２尚庆雨：我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势２０１６年第１期压缩空气或用户自备压缩空气加压流化，进料阀门开启，煤粉流即以密相的形式快速注入罐内。风粉分离，煤粉靠自重下落，输送风则通过煤粉储罐顶部的布袋除尘器过滤后排入大气。若发现罐内温度快速升高并超过警戒温度或ＣＯ浓度报警，应启动惰性气体保护装置，即先从罐体底部注入Ｎ２，置换罐内Ｏ２，再从顶部注入ＣＯ２，覆盖煤粉表面，起到隔绝空气的作用。目前国内多数从业厂商缺乏煤粉存储安全知识，在设计、安装煤粉储存塔（罐）时存在重大的安全隐患，如将煤粉储塔（罐）置于全封闭建筑物内，有发生自燃甚至爆炸的危险。为了保证煤粉工业锅炉行业健康有序发展，应围绕在密闭空间内煤粉的自燃发火特性开展研究，为形成煤粉储罐完整的自主安全技术规范提供理论依据。１􀆰３　浓相煤粉输送技术供料器是煤粉工业锅炉中最为主要的设备，具备无脉动、高固气比连续稳定地给燃烧器供料的功能。供料不稳定，极易发生炉膛爆燃事故，为了保证锅炉稳定运行，供料偏差不得超过±３％。近年来，国内自主煤粉供料技术主要有３类：①借鉴电站锅炉系统的供料设备，如叶轮给粉机；②粉体输送设备，如（改良）螺旋输送机；③引进国外的技术产品，如气锥结合锁气阀。前２类均为稀相供料，固（煤粉）气（空气）比一般小于０．３ｋｇ／ｍ３，初始点火困难，不适合应用于煤粉工业锅炉领域。只有第３类为浓相供料，具备快速着火的条件，可应用于煤粉工业锅炉领域。随着对煤粉流动特性认识的不断深入，供料器从螺旋结构形式升级为主动二次活化式。主动供料器的形式包括“星鸟”耦合文丘里（图２）、多孔双转盘及转子秤等。煤粉经过底部星型卸料阀周期性地卸入到中间缓冲仓，中间缓冲仓锥斗壁面多点通气，使煤粉吸气快速活化，流动性显著增强。密度分布均一的煤粉流，依靠重力经锥斗出口进入“星鸟”耦合文丘里阀组。阀组连续均匀排出的煤粉落入高速引射流混合器组件，与一次风