燃煤锅炉节能环保科技工作回顾

刘雪敏 李德标 齐国利 管 坚

(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)

(2. 西安特种设备检验检测院 西安 710065)

燃煤锅炉节能环保科技工作回顾

刘雪敏1李德标2齐国利1管 坚1

(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)

(2. 西安特种设备检验检测院 西安 710065)

锅炉作为重要的热能供应设备，其节能减排工作的开展对于节约能源和改善环境具有重要意义。锅炉节能环保技术的发展离不开科技创新的推动。本文对我国燃煤锅炉节能环保方面“十一五”和“十二五”期间的科技工作进行了简要回顾和总结，并对今后燃煤锅炉节能环保科技工作提出了思考。各种节能增效技术和新型高效污染物控制技术将得到进一步研发和应用。

燃煤锅炉 节能 环保 科技工作

锅炉是国民经济中重要的热能供应设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业,以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。截至2015年底,我国锅炉总量为57.92万台,其中工业锅炉56.53万台,电站锅炉1.39万台[1]。我国锅炉以燃煤为主,2015年我国火电发电量占总发电量的比例为73.7%[2],锅炉作为火力发电厂三大主机之一,对火力发电的发展有着举足轻重的作用。在各种工业的动力设备中,锅炉也是重要的组成部分。大多数企业用蒸汽或高温热水对其产品进行加热、焙烘、消毒、保温或作为冬季采暖、夏季空调制冷的热源等等,也有少数用蒸汽作为动力,驱动汽轮机来拖动风机、水泵。此外,还有用于生活热水供应、洗浴和采暖的工业锅炉。

近年来,电站锅炉不断向大容量、高参数发展,在燃烧效率与污染物排放方面均已达到世界先进水平;而工业锅炉由于其单台容量小、使用分散、单位容量环保投资及运行成本高的特点,仍然存在运行效率低、污染排放重等问题。

1 科技工作回顾

经过几十年的努力,我国锅炉行业不断发展与进步,产品研发与升级换代,都离不开科技进步和创新。科技人员通过承担国家科技攻关、科技支撑计划、863计划、973计划、国家自然科学基金、国家各部委与各省科技项目等,在系列高效环保燃煤锅炉研制及产业化、余热回收锅炉、烟气净化、低氮燃烧的开发及应用等方面取得了系列原创成果,解决了重点国产化产品的一系列关键技术,研制产品已经投入了工程应用。

1.1 “十一五”和“十二五”重要进展

“十一五”和“十二五”期间重要进展如下:

2007年,我国高效工业煤粉锅炉系统的研制成功,解决了小型煤粉炉炉前全密闭负压受煤与制粉技术、连续稳定精确供粉技术及低温、低NOx稳定燃烧、高效除尘、全自动控制等多项技术难题,高效煤粉锅炉热效率可达86%以上,二氧化硫浓度和烟尘排放浓度远低于现行国家燃煤工业锅炉排放标准,总体排放水平接近燃气锅炉。超临界循环流化床锅炉项目完成了主要的关键技术和关键部件的研究,形成了具有自主知识产权的600MW超临界循环流化床锅炉技术[3]。

2008年,我国已具有自主知识产权的高效燃煤工业锅炉技术,可使锅炉热效率提高10%～20%;形成工业锅炉烟气除尘、脱硫一体化技术,可使SO2排放减少50%～70%;形成的低成本煤炭加工技术可有效控制燃煤质量,从源头上减少燃煤污染,使综合节能效率达到5%以上,煤炭燃烧效率至少可提高5%[4]。

2009年,大型燃煤锅炉烟气控制装备研制取得突破性进展,实现商业化推广。建立脱硝催化剂制备和性能测试平台;开发脱硝系统物理流动模型和CFD模型,建立CFD计算中心,烟气脱硝流场模拟方法顺利应用在我国第一个百万机组的烟气脱硝工程——上海外高桥1000MW烟气脱硝工程;成功研发燃煤电厂双相整流烟气脱硫成套技术与装备及配套工艺[5]。

2012年,在役大型燃煤电站优化运行方面,完成锅炉控制系统闭环分析与优化设计;大型低品位过热蒸汽超细粉碎装备进入制造阶段;万吨超细固硫灰生产线开始生产运行;设计并搭建完成5000Nm3/h湿法超高效脱硫中试试验平台。在超临界循环流化床方面,完成示范工程锅炉机组所有试验测点安装,机组DCS带电调试[6]。

2013年,在燃煤电厂电除尘提标技术方面,华能250MW燃煤机组首次突破了电除尘出口粉尘排放10mg/Nm3左右的重大技术难关,神华国能330MW机组首次在脱硫塔出口PM10排放低于5mg/Nm3、PM2.5排放低于2mg/Nm3。在节能超低排放型循环流化床锅炉方面,建立了国内首个高温型CFB锅炉试验研究平台,掌握了CFB锅炉的低耗高效CFB锅炉SNCR脱硝技术,并在多个企业推广应用,具有良好的经济效益[7]。

1.2 “十一五”重点项目和成果简介

在燃煤锅炉节能减排的成果应用方面,“十一五”期间,国家863计划项目成果“在富氧燃烧锅炉烟气CO2捕集中回收SO2与NO的系统”提出了资源化回收NO的新方法[8]。国家863计划课题“高效低NOx中心给粉旋流煤粉燃烧技术研究”实现锅炉NOx排放量降低40%以上。国家863计划课题“燃煤锅炉烟气汞排放控制技术”开发出了适合我国国情的具有自主知识产权的烟气除汞技术;将除汞成本降低至1万元人民币/公斤。国家863计划课题“浓相大反吹多重分级高效低NOx燃烧技术研究”有效实现煤粉在炉内多重分级燃烧,达到降低NOx排放效果,同时提高锅炉运行可靠性、安全性,以及煤粉的燃尽率和燃烧的稳定性,完成了在燃烧烟煤300MW的锅炉上进行工业示范和试验。

国家科技支撑计划项目“燃煤电厂烟气脱硫脱硝脱汞关键技术研究与工程示范”开发了双相整流烟气脱硫、两级式烟气脱硝、石灰石活性在线测试等新技术,烟气脱硝喷氨混合器、大流量低背压喷嘴等新装备;建成了烟气流量规模国内最大的燃煤烟气脱硫脱硝脱汞示范工程[9]。

国家自然科学基金项目“超重场强化氨水吸收烟道气中CO2的研究”实现了二氧化硫脱除率大于96%,排放烟气含尘量小于50mg/Nm3,烟气林格曼黑度小于1级,CO2吸收率大于86%,燃煤锅炉烟气脱硫除尘的设备成本为传统方法的一半[10]。

1.3 “十二五”重点项目和成果简介

“十二五”期间,国家863计划课题“燃煤工业锅炉烟气联合脱硫脱硝脱汞关键技术与示范”开发了烟气多种污染物联合脱除关键技术及设备;在联合脱硫脱硝脱汞等工艺技术、关键材料、设备、工艺等方面取得创新性成果;并进行了多个烟气多种污染物联合脱除工程示范,活性焦联合脱除技术等得到了产业化应用[11]。国家863计划项目“焚烧烟气二恶英类监测及风险评估技术”研制出二恶英类自动连续采样设备、二恶英类前驱体工业在线气相色谱-质谱仪、在线检测质谱仪和工业在线气相色谱仪等设备,发展了二恶英类快速生物筛查及采样前处理技术[12]。国家863计划课题“燃煤烟气SCR法脱硝工程中催化剂的制备”研发出整体式蜂窝状SCR脱硝催化剂成型制备工艺,并已应用于工业化生产[13]。

国家973计划项目“锅炉低温烟气余热深度利用的基础研究”提出了工程酸露点概念,作为烟气余热深度利用准则,比传统酸露点温度低30oC左右;发明了H型翅片椭圆管换热器;提出了大型电站锅炉排烟余热能级提升系统;降低供电煤耗3g/kWh;研制了换热器原理样机[14]。

国家科技支撑计划项目“燃煤工业锅炉能效提高及能源合同管理技术与示范”完成58MW煤粉工业锅炉岛工程示范,热效率达到90%以上,排烟NOx不大于400mg/m3负荷热效率不低于85%,NOx浓度不高于300mg/m3;完成与燃烧过程协同的层燃锅炉SO2/NOx控制技术工程示范,SO2脱除率高于80%,NOx脱除率高于40%～50%[15]。

国家自然科学基金(国际(地区)合作与交流项目)课题“二氧化碳新型固相吸附捕获的应用基础研究(FOCUS):面向燃煤电厂胺类功能化吸附剂的循环流化床工艺”开发低成本胺类功能化固体吸附剂,开发新型配套循环流化床装置。国家自然科学基金子课题“柔性集尘极燃煤脱硫烟气深度净化技术”实现了与湿法脱硫逆流吸收塔协同脱除;对0.1～1um的颗粒物具有88.7%～93.9%的脱除效率;设备投资降低到50%～70%之间[16]。

2 对今后科技工作的思考

通过对“十一五”和“十二五”期间重点项目和主要成果的简单回顾,可以看出,针对燃煤锅炉的节能环保科技工作主要集中于高效低NOx燃烧、余热利用、污染物脱除等方面。对于大型电站锅炉,烟气深度净化、超低排放是研究重点;而对于工业锅炉,研究主要集中于高效稳定燃烧和污染物低成本脱除。到目前为止,电站锅炉在燃烧效率与烟气净化方面均已达到世界先进水平,工业锅炉设计运行水平也已大幅提高,基本具备了高效燃烧和低污染物排放能力。今后,超高参数条件下清洁燃煤发电、高效灵活二次再热技术、烟气净化及资源化利用、温度和颗粒物浓度等重要参数检测监测等是燃煤发电领域的研究重点。此外,研究污染物脱除过程中资源和能源消耗随脱除程度的变化规律也具有重要意义。工业锅炉自动控制水平也将不断提高;如何从源头上解决燃料问题,在宽负荷范围内实现炉内高效燃烧与深度低氮、脱硫增效,降低污染物原始排放,烟气余热高效深度回收,系统智能化监测等是工业锅炉节能与清洁燃烧技术的重要研究方向。

3 结束语

锅炉作为重要的热能供应设备,其节能减排工作的开展对于节约能源和改善环境具有重要意义。锅炉节能环保技术的发展离不开科技进步和创新的推动。“十一五”和“十二五”期间,通过科技支撑计划、863计划、973计划、国家自然科学基金等项目支持,电站锅炉在燃烧效率与烟气净化方面均已达到世界先进水平,工业锅炉设计运行水平也已大幅提高,基本具备了高效燃烧和低污染物排放能力。在今后的科技工作中,提高机组效率和排烟净化仍将是燃煤锅炉节能减排的重点。因此,各种节能增效技术和新型高效污染物控制技术将得到进一步研发和应用。

[1] 质检总局关于2015年全国特种设备安全状况情况的通报[J]．中国特种设备安全，2016，32（04）：15-18+37．

[2] 中华人民共和国国家统计局．2015年全国发电量和火电发电量[DB/CD]．http：//data．stats．gov．cn/search．htm?s=2015年全国发电量．

[3] 中华人民共和国科学技术部．国家科技计划年度报告2008[R]．

[4] 中华人民共和国科学技术部．国家科技计划年度报告2009[R]．

[5] 中华人民共和国科学技术部．国家科技计划年度报告2010[R]．[6] 中华人民共和国科学技术部．国家科技计划年度报告2013[R]．

[7] 中华人民共和国科学技术部．国家科技计划年度报告2014[R]．

[8] 阎维平，鲁晓宇．富氧燃烧锅炉烟气CO2捕集中回收NO的研究[J]．动力工程学报，2011，31（04）：294-299．

[9] 中华人民共和国科技部．“十一五”国家科技支撑计划“燃煤电厂烟气脱硫脱硝脱汞关键技术研究与工程示范”项目通过验收[DB/CD]．http：//www．most．gov．cn/kjbgz/201106/t20110627_87761．htm．

[10] 脱硫除尘一体化旋转超重机[DB/CD]．http：//bdkjsrsp．cqvip．com/handle/123456789/35397．

[11] 河北中小企业节能减排信息网．“燃煤工业锅炉烟气联合脱硫脱硝脱汞关键技术与示范”主题项目通过验收[DB/CD]．http：//jnjp．heinfo．gov．cn/shownews．asp?id=8229．

[12] 仪器信息网．焚烧烟气二恶英类监测及风险评估技术通过验收[DB/CD]．http：//www．instrument．com．cn/news/20150430/159311．shtml．

[13] 仲兆平．燃煤烟气SCR法脱硝工程中催化剂的制备[J]．中国科技成果，2014（16）：22．

[14] 中国电力企业联合会．华北电力大学承担的973项目“锅炉烟气余热深度利用的基础研究”通过验收[DB/CD]．http：//www．cec．org．cn/zdlhuiyuandongtai/qita/2015-09-14/143028．html．

[15] 质检总局科技司．十二五”国家科技支撑计划“燃煤工业锅炉能效提高及能源合同管理与示范”项目三课题顺利通过验收[DB/CD]．http：//kjs．aqsiq．gov．cn/zhxx/201704/t20170411_485997．htm．

[16] 柔性集尘极燃煤脱硫烟气深度净化技术及应用[DB/CD]．http：//bdkjsrsp．cqvip．com/handle/123456789/38814．

Review of Scienti fi c and Technological Work on Coal-Fired Boiler Energy Conservation and Environmental Protection

Liu Xuemin1Li Debiao2Qi Guoli1Guan Jian1
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Xi’an Special Equipment Inspection and Research Institute Xi’an 710065)

As an important equipment of thermal energy supply, boilers’ energy saving and emission reduction is of great signi fi cance for energy conservation and environmental improvement. The development of boiler energy conservation and environment protection technology cannot be separated from the promotion of scientific and technological innovation. Scienti fi c and technological work on coal- fi red boiler during the “11th Five-Year” and “12th Five-year” period was brie fl y reviewed and summarized in this work. Re fl ections on future work were also proposed.A variety of energy conservation and ef fi cient pollutant control technologies will be further developed and applied.

Coal- fi red boiler Energy conservation Environment protection Scienti fi c and technological work

X924

B

1673-257X(2017)11-0019-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.006

刘雪敏（1989～)，女，博士，工程师，从事高耗能特种设备节能环保技术研究工作。

刘雪敏，E-mail： liuxuemin16@163．com。

国家科技支撑计划项目(2014BAA07B05)

2017-07-18）