PDF《现状与发展建议》

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2019 年.

第34 卷.第4期工业领域煤炭清洁高效燃烧利用技术 现状与发展建议 吕清刚 * 李诗媛 黄粲然 中国科学院工程热物理研究所 北京

100190 摘要 我国以煤炭为主的能源资源禀赋决定了煤炭的基础能源地位,因此如何实现煤炭清洁高效燃烧利用, 成为科学家、产业界和社会关注的焦点.煤炭燃烧释放热能满足了我国约 65% 的发电生产需求,也为钢铁、 建材、化工等工业领域提供热能,但同时也释放氮氧化物、二氧化硫、粉尘等有害污染物,造成对大气环境 的影响.因此实现占煤炭燃烧总量 90% 的工业领域煤炭清洁高效燃烧利用,是当前我国打赢污染防治攻坚 战和蓝天保卫战的 卡脖子 问题,工业领域煤炭高效清洁燃烧利用技术亟待根本性革命.文章综述了我国 煤炭清洁高效燃烧利用技术现状,提出了只有发展在燃烧过程中大幅度抑制氮氧化物(雾霾的 元凶 )生 成的变革性技术,再结合尾部烟气净化技术的应用,才能经济地实现常规燃煤污染物的超低排放甚至近零排 放,达到甚至低于天然气排放水平,从而为工业领域煤炭高效清洁燃烧利用提供技术支撑. 关键词 工业领域,煤炭,燃烧,清洁高效 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2019.04.003 *通讯作者 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA21040000) 修改稿收到日期:2019年4月1日 化石能源清洁高效利用 Clean and High Efficient Utilization of Fossil Resource 我国煤炭的基础能源地位将维持相当长时间,据 预测,2030 年前我国能源消费需求仍将持续稳定增 长,其中年煤炭消费量仍将保持在

35 亿吨,占能源消 费总量的 50% 左右.尽管煤炭消费占一次能源消费总 量比重从

2011 年的 70.2% 下降为

2017 年的 60.4%[1] , 但是煤炭燃烧利用占煤炭消费量比重仍超过 80%.

2017 年我国煤炭消费总量为 38.28 亿吨,其中燃煤发 电用煤占比 52%,钢铁、建材、化工占比 37%.目前,我国发电领域 70% 的燃煤发电机组已经实现超 低排放,达到了天然气燃烧排放水平;

除发电领域 外的工业领域依然呈现燃烧利用水平不高、排放污 染严重、技术装备落后的状态,污染物排放贡献度超 过70%.当前工业领域煤炭清洁高效燃烧利用的科技 支撑不足,基础研究相对薄弱,关键核心技术支持不 院刊

393 够,对颠覆性变革技术创新关注不足,采用发电领域 的尾部为主的烟气净化系统,成本昂贵而无法应用. 近年来,雾霾已经成为我国 民生之痛 ,并被作为 自然灾情进行预告和防治.工业领域煤炭利用的粗犷 方式使其成为造成雾霾的 元凶 之一.因此,工业 领域煤炭清洁高效燃烧利用技术发展尤为重要:提高 燃烧利用水平,实现超低排放,是彻底解决煤炭作为 清洁能源利用的关键和目标;

创新驱动将是煤炭清洁 高效利用的重要保障,也是我们打赢污染防治攻坚战 和蓝天保卫战的重要支撑.工业领域煤炭高效清洁燃 烧利用技术亟待根本性革命.

1 煤炭清洁高效燃烧利用技术国内外现状 1.1 发电领域国内外发展现状与趋势 煤炭燃烧利用在国际上主要用于集中发电,在发 达国家发电用煤占比超过 80%.近年来,主要燃煤发 电国家都在为实现发电净效率大于 50% 的目标努力, 研发多能互补发电技术、智能发电技术,以实现燃煤 发电的安全高效和灵活智能.大型燃煤发电锅炉在气 体污染物控制方面大多数采用脱硫、脱硝和其他多种 污染物联合控制技术,已广泛商业化应用,其中日本 及欧美发达国家和地区处于先进行列.燃煤锅炉最初 分别对颗粒物、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx ) 进行控制,形成了丰富多样的单一污染物控制技术, 满足了不同机组的环保要求.随着对污染物协同控制 机理的认识,对燃煤烟气中

2 种及以上污染物进行联 合控制,降低烟气净化成本,实现锅炉在全负荷范围 内的污染物高效脱除,已经成为燃煤污染物控制技术 发展的重要趋势,并成为研究热点和难点. 我国已投入运行的大型超临界参数的燃煤发电机 组超过

430 台,能效指标、污染物排放指标均进入世 界先进行列,锅炉实现了高效燃烧,热效率一般大 于91%.我国燃煤电厂大多数的污染物控制技术和装 备已实现国产化;

我国燃煤机组大气污染物排放执行 世界上最严格的标准.截至2018 年底,燃煤电站实现 超低排放改造占比达到 70%,处于世界领先水平[2] . 1.2 燃煤工业锅炉国内外发展现状与趋势 除电力领域外,工业领域煤炭燃烧利用形式主要 为中、小型燃煤工业锅炉供热.燃煤工业锅炉目前 在欧洲等发达国家和地区仍有应用,其中大多数为 链条锅炉和煤粉锅炉,其燃料质量控制、燃烧技术及 自动控制均已达到很高水平.德国是世界上工业煤粉 锅炉技术水平最高的国家,其工业煤粉锅炉能够实现 全密闭煤粉制备与配送、煤粉精确供料、煤粉浓相燃 烧、全自动化无人值守等.国外燃煤工业锅炉由于数 量少,燃用高品质煤炭,且燃料特性稳定,故锅炉热 效率较高,但对污染物排放要求并不严格.例如, 欧盟国家燃煤工业锅炉 NOx 排放标准为低于

200 mg/ Nm3 [3] .在工业炉窑方面,世界技术领先的有法国的 Stein和德国的 LOI 等,炉窑热效率高、超低排放、智 能运行,且多种煤质燃烧适应性技术先进. 我国在役燃煤工业锅炉近

50 万台,约占全国煤炭 消费总量的 20%.工业锅炉排放的烟尘、SO

2、NOx分 别占全国排放总量的 40%、26%、12% 左右[4] .工业锅 炉能源消耗和污染排放均位居全国第二,仅次于电站 锅炉,煤炭消耗量远高于钢铁、石化、建材等高耗能 工业行业. 我国燃煤工业锅炉主要以链条炉技术为主,近年 来循环流化床锅炉技术也得到了很好的应用,总体 上技术发展趋势是以大容量化为主,并形成

35 t/h、

65 t/h、75 t/h、130 t/h、240 t/h 的蒸汽锅炉系列[5] . 十一五 期间,我国开发出了煤粉工业锅炉,并逐 步在市场上得到推广. 我国在一段时期容量为

10 t/h 及以下燃煤工业锅 炉数量占总量的 80% 左右[6] ,这类小锅炉基本上是层 燃锅炉,锅炉效率低、污染严重.2013 年我国在《大 气污染防治行动计划》(国发〔2013〕37 号)文中明 确提出全面整治燃煤小锅炉等多项举措,并规定了到

394 2019 年.第34 卷.第4期2017 年,除必要保留的以外,地级及以上城市建成 区基本淘汰

10 t/h 及以下的燃煤锅炉,禁止生产和新 建20 t/h 以下的燃煤锅炉.因此,大量被淘汰的小型层 燃锅炉逐渐被大容量的煤粉工业锅炉和循环流化床锅 炉取代.不过,我国煤粉工业锅炉的 NOx 排放浓度偏 高,其技术成熟度还有待提高.随着国家环保要求的 日益严苛,给燃煤工业锅炉排放提出了更高的要求, 然而燃煤工业锅炉存在燃烧技术落后、燃料适用性 差、污染物排放高、控制及管理水平落后等问题.目 前我国燃煤链条工业锅炉热效率平均约 70%―80%, 循环流化床和煤粉工业锅炉热效率接近达到 90%. NOx 原始排放平均水平在 200―400 mg/Nm3 左右,须 通过选择性非催化还原(SNCR)技术、选择性催化 还原(SCR)技术,且辅以低氮燃烧才能实现超低排 放(50 mg/Nm3 ),脱硫脱硝费用远高于锅炉成本,致 使锅炉烟气净化实施困难. 1.3 燃煤工业炉窑国内外发展现状与趋势 国外在燃煤工业炉窑的清洁燃料制备、高效燃烧 及炉型结构、低NOx 燃烧技术和燃烧烟气的深度治理 方面进行了大量研究,成果显著.以耗煤量最大的冶 金及建材行业为例,英国、美国、德国等都对喷吹粉 煤技术进行了研究和应用,通过喷吹粉煤技术有效降 低了焦煤比,实现了煤炭的高效利用. 我国引进和发展了高炉喷煤技术、富氧/全氧冶 金技术、水泥窑分级燃烧等技术,提升了工业炉窑 的煤炭利用水平.但我国燃煤工业炉窑的平均热效率 仍比国外先进水平低 15% 左右,污染排放则更高.

2015 年统计表明,我国工业炉窑年煤耗量占全国煤炭 消耗总量的 8%,NOx 年排放量占全国燃煤 NOx 排放总 量的 19%[7] ,其中以水泥、钢铁两大行业的炉窑所占 比例最大.以我国水泥炉窑污染物排放标准中 NOx为例,重点地区排放控制水平不高于

320 mg/Nm3 ,一般 地区不高于

400 mg/Nm3 ,江苏、河南等一些地方省、 市、地区甚至提出不高于

100 mg/Nm3 的排放标准. 目前我国水泥炉窑主要采用常规低氮燃烧器和分级燃 烧技术,尾部分解炉采用 SNCR 脱硝技术,脱硝效率 只能达到 50%,NOx 减排效果不太理想,NOx 排放基 本在 300―400 mg/Nm3 ,但喷入脱硝用的氨水所带来 的氨逃逸问题没有很好地解决(河南省已将氨逃逸排 放浓度列入排放指标,规定在 10% 基准氧含量条件下 氨逃逸排放浓度不能高于

8 mg/Nm3 );

而SCR 技术虽 然NOx 减排效果较好(脱硝效率可达到 90%),但是 投资、运行和维护成本较高,很难在水泥行业推广应 用.从日益严苛的排放标准来看,水泥炉窑的污染物 减排形势非常严峻.

2 我国工业领域煤炭燃烧技术的产业需求 2.1 量大、面广、需求强劲的局面将持续 我国是世界上拥有燃煤工业锅炉最多的国家,这 也是我国煤炭为主的能源资源禀赋和经济发展水平决 定的.工业锅炉市场需求主要为北方地区供暖和工业 生产提供蒸汽.截至

2016 年底,我国北方地区城乡 建筑取暖总面积约

206 亿平方米,燃煤取暖面积约占 总取暖面积的 83%;

取暖用煤年消耗约

4 亿吨标煤, 其中散烧煤(含低效小锅炉用煤)约2亿吨标煤,主 要分布在农村地区.清洁燃煤集中供暖(工业锅炉热 电联产)面积仅约

35 亿平方米[8] .此外,燃煤工业锅 炉约 50% 以上用于为工业生产提供蒸汽.据统计,在 我国工业生产中轻纺工业、能源工业、建材业、建筑 业、化学工业、冶金工业和交通运输业等行业均是工 业锅炉的主要市场.工业锅炉需求的容量等级蒸汽量 从20 t/h 到480 t/h、热水锅炉从

14 MW 到116 MW 已 形成系列产品等级.总体呈现量大、面广、需求强劲 的局面. 我国以煤炭为燃料的工业炉窑种类较多.以耗 煤量较大的水泥工业为例,2018 年我国全年水泥 产量达 21.8 亿吨,虽然较

2017 年减少 1.4 亿吨,但 绝对体量仍然较大.根据水泥大数据研究院最新 院刊

395 预计,2019 年我国水泥产量仍将维持在

21 亿吨左 右.截至

2018 年,我国现有新型干法水泥生产线 近1700 条,且均以煤炭为主要燃料,按照最新预计 的水泥产能计算,年耗标煤

2 亿吨左右.如果这些生 产线均实现煤炭清洁高效燃烧利用,达到超低排放水 平,水泥行业对于煤炭燃烧技术的技术升级和装备升 级需求巨大.类似于水泥行业,在钢铁、化工等行业 也同样对煤炭燃烧技术升级有较强的需求. 2.2 国家政策助力煤炭清洁高效燃烧技术及装备升 级换代

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 合发布的《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案 (发改环资〔2014〕2451 号)》指出我国出现的大 范围、长时间严重雾霾天气,与燃煤工业锅炉区域高 强度、低空排放的特点密切相关,对地级及以上城市 建成区禁止新建

20 t/h 以下的燃煤锅炉,并加大对锅 炉节能环保基础性、前沿性和共性关键技术的研发力 度.2015 年,工信部和财政部联合编制了《工业领域 煤炭清洁高效利用行动计划(2015―2020 年)》,明 确指出在工业锅炉等重点用煤领域加强对能耗高、污 染重的工艺装备技术改造,从源头减少煤炭消耗及污 染物的产生.2015 年,工信部印发《2015 年工业绿色 发展专项行动实施方案》,对工业领域煤炭清洁化利 用做出布局,实施燃煤锅炉节能环保综合提升工程.

2016 年7月,工信部印发《高效节能环保工业锅炉产 业化实施方案》提出,........