马培根 房靖华 雷小云
(1.晋城市热力公司,山西晋城 048000;2.上海天顿环境工程公司,上海 200135;3.太原理工大学热能系,山西太原 030024)
关于煤粉工业锅炉的技术分析与政策思考
马培根1房靖华2雷小云3
(1.晋城市热力公司,山西晋城 048000;2.上海天顿环境工程公司,上海 200135;3.太原理工大学热能系,山西太原 030024)
在技术进步和政策的推动下,煤粉工业锅炉的应用正在形成高潮,但存在技术上的不实宣传和推广政策偏向问题。为使该技术能健康和可持续地发展,本文针对该锅炉的效率、污染物排放、制粉配送、风险和经济效益以及推广政策等方面,做了较深入的研究。研究认为该锅炉有高效节煤、SO2和NOx排放总量下降、集中配送煤粉和锅炉房干净等优点,值得推广;但因粉尘排放总量和浓度上升,综合环保效果处于劣势,同时存在电耗较大、煤源要求苛刻、煤粉储运和使用有风险,及经济效益不确定等问题,因此必须根据全面的技术、环境和经济评价,因地制宜地推广。建议政府采取具体措施,如资助布局优质煤粉供应点,以节能减排实效为资助的依据,鼓励专业锅炉制造厂参与研发和竞争,制定地方和国家有关煤粉工业锅炉的制造、用煤和污染物排放等标准,使该技术不断完善,可持续地发展。
煤粉;工业锅炉;节能;环保;政策
煤粉燃烧的特点是燃烧效率接近99%,锅炉效率可达90%或更高,因而,除少数新崛起的循环流化床锅炉外,几乎所有燃煤电站均采用煤粉锅炉。在其发展的百年历史中,经历过现今工业锅炉的容量范围。
笔者之一曾在1968年参与原一机部机床研究所的仿苏K-4手烧锅炉改烧煤粉的工程。在北京节能办资助和清华大学冯俊凯教授指导下,历时8个月完成设计、工程和试验。值得一提的是,按英国杂志的一篇报道研制出一种小型精巧磨煤机为改造配套,其特点是在单轴上完成粗破、细破、细磨、粗细粉分离和排粉等五种功能。锅炉燃烧器是单涡壳式侧墙布置;设有前置点火马弗炉。经测试,锅炉效率为73%-75%,与原手烧炉的50%-60%相比,节煤效果十分显著。由于该炉无省煤器,排烟温度在220℃-240℃,如降到现在工业锅炉的150℃左右,则效率可达80%以上。但该技术并未能得到推广,原因是烟尘排放浓度过高和结焦严重等问题。
在1973年第一次石油危机后,各工业国均投入巨资研究煤的清洁利用,开发出的许多新技术已成为当今市场的新宠,如,循环流化床、增压流化床联合循环、一体化煤气化联合循环和水煤浆等等,其中还有一项“精细煤粉”技术的研究也取得了进展。研究发现,当煤被磨到5微米左右时,可以用物理化学的方法脱除其中的绝大部分杂质,成为超低硫、超低灰、高热值和高挥发分的代油燃料。但因成本过高,无法在工程上应用。
由于烟尘浓度高、调节性差、易结焦以及电耗高、锅炉房脏和噪声大等问题在当时的条件下难以解决,煤粉燃烧长期被排斥在工业锅炉之外,以致在众多相关技术和排污标准中都没有煤粉工业锅炉的名目。
近年来,在国外小型煤粉锅炉技术的启发下,经煤炭研究总院及相关企业的不懈努力,国内工业煤粉锅炉技术有了突破性进展,已初步形成产业规模,并被国家多个部委列为重点节能技术推广,其中山西省政府已将其列入五年计划,连续下达多个文件大力推广。
根据煤炭研究总院的宣传资料(以下简称”资料”)和山西蓝天环保设备公司样本(以下简称“样本”),该技术主要优点是:(1)高效节能:燃烧效率98%-99%,锅炉效率88%-92%,较传统锅炉节能30%-35%;(2)大幅度降低污染物排放:烟气中粉尘浓度30~50mg/m3,SO2<200 mg/m3,NOx:300~400 ;(3)mg/m3,达到了燃油和燃气锅炉污染物排放水平。(4)实现优质煤粉的集中加工和配送,省去储煤场地,消除煤尘和噪声污染;(5)液化气点火方便快捷,可满足供热锅炉周期性运行的要求;(6)自控水平高,操作简便,运行人员少,锅炉房清洁。
煤粉燃烧的高效率,燃料配送,点火便捷和整洁的锅炉房,值得推广的产品。与此同时,我们也从现场调研和资料分析中发现一些问题,如夸大节能、环保和经济效益,以及不适当的推广政策等。以下从煤燃烧和锅炉的基础概念出发,就效率、环保、风险、经济效益和政策等方面,做进一步分析和讨论,以期该产品的推广可持续发展。
根据多项调查和大量实测数据,普遍认为在上世纪90年代,我国燃煤工业锅炉的平均运行效率约为65%,低于国外15%-20%,实际上这主要是由容量和燃料差别引起的。国外多是大型工业锅炉,使用洗选优质颗粒煤,如美国要求:灰分<9%,硫分<0.7%,水分<8%,挥发份>35%,颗粒度为6~20mm。国内锅炉的平均吨位小,而且只能用普通原煤(其中小于3mm的粉煤占45%-65%)。国标“链条炉排锅炉用煤技术条件GB/T18342-2001”,要求使用优质颗粒煤:灰分<10%,硫分<0.5%,热值>24MJ/kg,弱焦结性(CRC<5),颗粒度5-20 mm。如果执行了此标准,占工业锅炉绝大多数的链条锅炉效率可以达到80%或更高。
近十余年来,在环境压力下,各地政府强制使用低硫优质煤(硫分<0.5-0.7%和热值大于>21MJ/kg),实行集中配煤,推广工业型煤等,工业锅炉的燃煤质量有了明显的改善。
随着集中供热的普及,近20年来国内工业锅炉大型化的趋势明显,仅在1991~2001年间,大于10 t/h锅炉的份额从25%增长到54% 。城镇中的分散小锅炉已基本淘汰,大型链条和循环流化床热水锅炉(相当于40~110t/h蒸汽锅炉)增加迅速,因此目前平均容量不再是20年前的2.4t/h,很可能已接近10t/h。
在GEF(全球环境基金)工业锅炉效率改进项目的促进下,更重要的是国内能源与环保的压力加大,迫使工业锅炉不断改进技术提高效率,如,引进大型炉排以及锅炉设计和制造技术等;降低排烟温度和过量空气系数;采用膜式壁、螺纹管、分层给煤、优化拱形以及二次风等项技术。目前大中型链条锅炉在烧原煤的条件下,热效率已达80%以上,循环流化床工业锅炉燃用劣质燃料时效率就可达85%左右。
从文献9的150台不同容量锅炉运行效率实测平均数据:<1 t/h—63.5%;1 t/h—67.2%;2 t/h—68%;4 t/h—69.7;6 t/h—72.2;10 t/h—74.5%,也可看出锅炉效率有了显著提高。
“样本”中给出了链条锅炉数据:“蒸发量6 t/h,每小时燃烧6000大卡/公斤的煤738公斤,效率为65%”,但该效率是错误的,按最高1.3MPa的饱和蒸汽算,效率应当在76%-84%。这从另一个侧面证明在燃用优质煤时小型链条锅炉的效率也已远超70%。
根据平均容量增大,煤质改善,技术进步,管理提高和煤价上涨等因素,保守的估计,目前我国工业锅炉的平均运行效率已从20年前的65%增加到70%以上了。
电站锅炉煤粉燃烧效率高达99%,但对小型锅炉,要达到理想的效果是不容易的,主要因为:1)工业锅炉往往采用锅壳式或膜式壁紧凑型炉膛,水冷度近100%,炉膛温度较低;2)炉膛较低较短,火焰行程不够长,没有足够的燃尽时间;3)没有完善的吹灰设施;4)燃烧空气温度较低。因此,有可能导致飞灰含碳高和残存CO等不利效果。
北京劳动保护科研所为该类锅炉提供了三组鉴定测试数据,锅炉效率:正平衡分别为90.34%、91.62%和92.73%;反平衡:93.67%、92.92%和93.02%。这个效率已达到大型电站煤粉锅炉的最高水平,但其中飞灰含碳量为17.36%,19.04%和24.94%,而电站锅炉的飞灰含碳量通常仅1%-5%;更令人不解的是排烟温度仅为93.67℃、92.22℃和69.57℃,这表明该测试已远离设计工况,以致引用此报告的专著作者,不得不加上一句“排烟温度已在露点之下,而且与热水温度的温差小到不合理的程度,应引起厂家注意”。
通常,鉴定效率比设计效率高,而实际运行效率比前两者低5%-10%或更多。以某新产品的鉴定效率与同类产品长期的运行效率相比显然是不恰当的。
总之,如能各自选用理想的燃料,煤粉工业锅炉的效率虽有优势,但并不十分突出。根据笔者的经验,现在推广的工业煤粉锅炉的效率应在85%左右,这已高出一般工业锅炉10%-15%,足以被列为重大节能举措,而不必刻意追求最高或偶得的数据。
由于煤粉燃烧的高效率,与层燃(链条和往复等)相比,将减少燃煤量15%-20%,相应的污染物排放总量也下降15%-20%(其中SO2和NOx排放总量下降,但粉尘总量上升),有一定的减排效益,但它对国家标准控制的污染物排放浓度,却有负面的影响。
由于煤粉燃烧的特性,飞灰份额(即灰分中有多少随烟气逸出)在90%左右,而层燃的飞灰份额仅为15%左右,因此,煤粉燃烧的原始排放浓度要比层燃高得多。北京环境科研所在1980年代曾做过大量的实际测试,统计平均值为:链条锅炉粉尘原始排放浓度2 620 mg/m3,煤粉锅炉为16 760 mg/m3,相差6倍。即使采用特低灰煤粉(灰分小于10%),原始排放浓度也约在10 000 mg/m3,要满足30~50 mg/m3的排放要求,除尘器效率必须大于99.5%-99.7%以上。在“资料”和“样本“中,测试数据有不少在30 mg/m3以下,但这是高效布袋除尘器的功劳。如同样用布袋,层燃炉可以更低的代价获得更佳的效果。即使以煤粉燃烧比层燃节煤30%计算,由于飞灰份额高,其粉尘排放总量仍然高出3倍左右。
锅炉原烟气中的SO2浓度主要取决于煤的含硫量和热值,与采用何种燃烧技术基本无关。在炉内脱硫有一定的效果,如,层燃锅炉中采用固硫型煤和脱硫剂脱硫20%-40%;煤粉锅炉炉内喷钙30%左右;流化床锅炉炉内喷钙80%-90%。即使选用超低硫优质煤粉(含硫0.5%),煤粉炉原始排放浓度也在1000 mg/m3左右,如想达到所宣称的100~200 mg/m3,就要另设烟气脱硫装置,且效率必须达到80%-90%以上。
现行“锅炉大气污染物排放标准—GB13271-2001”没有规定工业锅炉的NOx排放要求,这是因为煤粉长期被排除在工业锅炉之外,而层燃和流化床燃烧的NOx排放很低。在这三种燃烧方式中,由于燃烧温度高,煤粉的NOx排放是最高的。用于电站锅炉的低NOx燃烧技术可减少30%-50%的排放浓度,但同时有降低效率的风险。
煤粉工业锅炉在SO2和NOx总量减排上有一定贡献,但对粉尘总量和三种污染物排放浓度上却有不利影响,总体评价是负面的。
煤粉工业锅炉成败的关键是煤粉的质量。煤粉电站锅炉的煤种适应性相当广泛,除了矸石和少数劣质煤外,几乎各煤种均可使用。由于着火和燃尽条件比电站煤粉锅炉差,工业煤粉锅炉唯一的选择是优质烟煤,即低灰、低硫、高挥发份和高热值。煤粉质量的另一个重要指标是细度,基于同样的理由,工业煤粉锅炉要求用更细的煤粉。烟煤的R90(90微米孔筛的筛余量)通常为25%-35%,即允许有25%-35%的颗粒大于90微米,就可满足电站煤粉锅炉使用,但工业煤粉锅炉要求200目(相当于R74)为3%左右(现场调研数据),比电站煤粉细得多,这将成倍增加制粉电耗。
我国煤的平均含硫量为1.12%,超低硫煤(<0.5%)极少;同时大多是中灰煤(含灰25%左右),特低灰煤(<10%)罕见。煤的灰熔点是一个关键指标,低灰熔点的煤在燃烧中很易发生结焦,影响锅炉的长期稳定运行。
由此可见,找到满足工业煤粉锅炉要求的煤源并非易事。用洗精煤是扩大优质煤源的有效途径,在日益严峻的能源和环境压力下,工业锅炉使用洗精煤应当再次提到日程上。
煤粉供应的方式有二种:自制和外购。以往都是用户自己磨制煤粉直接送入炉膛燃烧,这样成本较低,但煤质难以控制,而且煤尘噪声等污染也难以解决。现随着气力输送和粉料槽罐车的普及,使集中制粉和配送成为可能。但这里有优质煤源、制粉点和用户三者间地理位置和运输成本的优化问题,一个制粉点应当有个合理的配送半径。
由于没有储煤设施,锅炉的煤粉仓仅能维持3~5天,全靠槽罐车不断补充,运输量很大,一旦发生交通受阻,如事故和冰雪雨雾等,公路堵塞或封闭,煤粉来源将被切断。此外,煤粉的储运过程会发生堵塞、自燃和爆炸,煤粉越细,煤质越好,爆炸的危险性就越大,必须有足够的防范措施。
结焦、积灰和腐蚀是燃煤锅炉普遍遇到的难题,其中尤以煤粉燃烧方式为最。煤粉燃烧的结焦几乎是不可避免的,煤粉火炬温度在1 300℃以上,其中融熔的灰粒在达到受热面之前,不能全部冷却固化,总有颗粒粘在壁面上,不断积累就形成焦渣,严重时停炉打焦,才可继续运行。微米级的灰粒极易附着在受热面上,但工业锅炉因受空间限制,很难布置有效的清灰装置,这将逐渐导致出力和效率的下降。
排烟温度低于烟气露点时,烟气中SO3会凝结成硫酸,在尾部受热面上发生低温腐蚀。过分追求高效率或长期低负荷运行等,均可造成低温腐蚀。露点主要与煤的硫分和烟气中水分有关,一般在100℃-120℃,工业锅炉的排烟温度多为150℃左右。现场考察中所见几台锅炉均在低负荷下运行,炉温和排烟温度相当低,飞灰含碳均在15%以上,并发现积灰、结焦和腐蚀的现象,应当引起高度警惕。
如要节煤30%,其效率必须从65%提高到93%以上;如以70%为基数,效率需达到100%。“资料”中大同市二个用户的证明材料称可节煤54.3%和64.5%,同时节电11.8%和19.3%,除非将原有的效率降低到50%或40%以下,否则都是打破能量守恒的说法。按计算,效率从70%提高到85%,节煤17.65%;70%到88%,节煤20.05%。如果说煤粉锅炉效率提高10%-15%,能节约15%-20% 的煤,这还是可信的。
煤粉工业锅炉有良好的节煤效果,但节能效果是节煤和节电的综合,应当仔细计算。“样本”中的数据是煤粉炉电耗略低于链条炉,是没有算入制粉电耗和布袋除尘器的额外电耗。如果将这部分电耗计入,煤粉工业锅炉是节煤费电,综合节能效果就会打折扣。
煤粉价格由原煤进价、制粉成本和运输成本构成。”样本”中给出煤粉价格900元/吨 而链条炉用原煤为800元/吨,没有普遍意义,分析如下:1)煤粉工业锅炉需用优质烟煤,价格应比链条炉用的普通原煤高;2)电站锅炉制粉电耗(包括磨煤,通风和干燥)一般约30度/吨,但工业锅炉适用的煤粉要细得多,至少需50度/吨,估计成本远大于50元/吨;3)大型半挂粉料罐车的运费(包括公路收费)估计0.6元/吨公里,如100公里即需60元;4)在2种原煤价格相同,制粉点和用户临近的情况下,煤粉和原煤的差价100元才有可能。煤粉锅炉的经济效益主要来源于节煤,如果节煤小于15%,考虑投资大幅度提高、燃料差价扩大和布袋除尘器增加的运行费等,是否真有经济效益值得仔细核算。
山西省政府为发展经济和改善环境,努力完成节能减排指标,制定了详细的推广煤粉锅炉实施规划和巨额资金激励政策(省级补贴8~10万元/蒸吨,地方配套1.6~2万元/蒸吨,还有减免税等),率全国之先,值得称赞。但是,该技术并非锅炉节能减排的万用灵药,过度宣传和强行推广,将难以收到实效。为此,对现有政策提出几点商榷和推广建议。
多达6个省政府文件中均称该锅炉为“新型高效节能环保煤粉工业锅炉”,但国家层面的所有相关文件没有给任何锅炉冠以“环保”,而且研发单位仅将其命名为“高效节能煤粉工业锅炉”。该炉节煤是优势,而环保和耗电是劣势,故称“新型高效煤粉工业锅炉”为宜。
文件中指明:“山西蓝天环保设备有限公司生产的新型高效节能环保煤粉锅炉,洁净环保,烟尘等有害物排放全部达到燃油、燃气锅炉的标准,烟尘排放≤50mg/Nm3,二氧化硫排放≤200mg/Nm3”和“申请推广应用工程省级资金支持的项目,应已与新型高效节能环保煤粉锅炉生产企业签订设备购销合同“。这里至少有两点不妥:1)政府文件中特定供应商“蓝天环保设备公司”,意味着必须购买该公司的产品,才可得到政府资金补助,这有违常规和市场经济原则。2)政府不可将企业的宣传和数据用到文件里。事实是该锅炉增加了高效环保设备,才能取得排放的成果,而且所用数据也并未达到燃气锅炉的排放标准(SO2:100 mg/Nm3)。
水煤浆也被公认是煤的清洁燃烧技术之一,如用低灰优质水煤浆,燃烧效率容易达到95%-98%。煤粉、水煤浆和流化床三种燃烧方式在效率上基本上处于同一水平,单独推崇煤粉有失公平。用户如选用高效链条锅炉、燃用优质颗粒煤并配置完善的环保设施,有同样或更好的节能减排效果,是否也应当获得资助?或企业购置外省同类锅炉能否享有补助?
受优质煤源、制粉点布局和运输距离的限制,并非每个用户均能从中受益,如,现已有一新建集中供热站项目的实例,它距现有的制粉点约400公里,而当地有廉价煤源,如采用煤粉锅炉只能有负面经济效益。能否为几台锅炉新建制粉点,能否等新制粉点投产后再建设等等,都需要全面评估。
风险包括:(1)在煤价涨而电价不涨的政策下,制粉成本相对较低,但这种状态是不可持续的;(2)结焦,积灰和低温腐蚀将使出力和效率下降,并危及稳定运行;(3)公路运输量大有风险,储运过程中可能发生堵塞,并有自燃和爆炸的威胁;(4)除尘灰颗粒细含碳高,难以处理,可能带来严重的二次污染。
推广建议如下:(1)政府主导和资助布局数个煤粉加工配送点。(2)按推广煤粉工业锅炉计划,政府每年需花费上十亿资金,应十分谨慎和注重实效,不宜变成赠送设备或变成某供货商的特权。(3)目前燃煤工业锅炉的SO2减排仍是个难点,当务之急是真正做出几个脱硫样板工程,提供可信的SO2排放数据。(4)国家对工业锅炉的NOx排放未作限制,可进行相关研发,但不必作为性能指标宣传。(5)鼓励锅炉制造企业参与煤粉工业锅炉的开发和市场竞争。(6)制定地方/全国煤粉工业锅炉的技术条件和污染物排放标准。
新型煤粉工业锅炉具有节煤、部分污染物总量减排、实现煤粉配送和锅炉房清洁等优点,值得推广,但因环保和经济方面的问题,需进行全面的技术、环境、经济和政策评价,切不可急于求成“一刀切”,否则,轰轰烈烈却不可持续,而且很可能使某些项目落到“高效不环保,节煤不省钱”的境地。纵观数十年锅炉节能减排政策实施过程的起落,经验教训值得总结汲取。
以上分析表明,煤粉工业锅炉的应用正在形成高潮,但存在技术上的不实宣传和推广政策偏向问题。为此,建议政府采取具体措施,如资助
布局优质煤粉供应点,以节能减排实效为资助的依据,鼓励专业锅炉制造厂参与研发和竞争,制定地方和国家有关煤粉工业锅炉的制造、用煤和污染物排放等标准,使该技术不断完善,可持续地发展。
[1]冯俊凯.小型工业锅炉燃烧煤粉的经验[J].锅炉技术,1989, 11.
[2] 山西省政府办公厅.晋政办发[2009]155号文转发省发改委和省环保厅制定的《山西省推广应用新型高效节能环保煤粉锅炉工程实施意见》.
[3] 山西省发改委,环保厅,住房和城乡建设厅.晋发改资环发[2011]35号《山西省新型高效节能环保煤粉锅炉推广应用工程实施细则》的通知.
[4]煤炭科学研究总院.高效节能煤粉工业锅炉资料:www.youku.com.
[5]山西蓝天环保设备公司.产品样本[R],2011.3.
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[12] 张安国,梁辉编著.电站锅炉煤粉制备与计算[M].北京:中国电力出版社,2011.
Technical Analysis and Policy Implications of Industrial Pulverized Coal Boilers
MA Peigen1FANG Jinghua2LEI Xiaoyun3
(1. Jincheng Thermal Supply Co. Jincheng 048000, Shanxi Province; 2. Shanghai Tiandun Environmental Engineering Co. Shanghai 200135;3. Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi Province)
Due to technical progresses and governmental promotion, the number of new industrial pulverized coal PC boilers is now going up rapidly. However, it might be too exaggerated about this technology and there exists policy bias during dissemination process. In order to make this technology into a sustainable developmental way, a study is carried out in this paper on effi ciency, pollution, economy and policy. Conclusions of this study are as follows. The industrial PC boiler has the following advantages, such as higher effi ciency, more reduction in the total emissions of SO2and NOx, cleaner boiler house, effective distribution of PC to boilers from a coal mill and so on. Therefore, the PC boiler is worth to be promoted in market. However, the promotion must be based on the detailed evaluation on technology, environment and economy, because the general environmental performance of the PC boiler is negative, and at the same time, there exist other problems, such as higher power consumption, use of highest quality coal, risks of transportation, storage and use, benefi t uncertainty, etc. Upon the advertisement data, Shanxi Government issues an intensive policy of dissemination, such as monopolizing only one provider of the PC boilers, providing huge subsidy and enforcing such “One Size Fits All” implementation policy to all users. Thus the goal of energy and emission reduction would not be reached as anticipated.Suggestions for improving this technology dissemination are proposed to the Government as below: establishment of several PC mills convenient to the PC boiler users, allocating subsidy only according to the real reduction of energy and emission, inspiring specialized boiler manufacturers to involve R&D and market competition, enacting local and state standards of manufacture, coal quality and emission for the PC boiler, etc.
Pulverized Coal (PC); Industrial Boiler; Energy Conservation; Environmental Protection; Dissemination Policy
TK229.6
A
1673-288X(2011)05-0028-06
马培根, 工程师, 晋城热力公司总工, 主要研究方向为供热与环境污染.