馬培根 房靖華 雷小云
(1.晉城市熱力公司,山西晉城 048000;2.上海天頓環境工程公司,上海 200135;3.太原理工大學熱能系,山西太原 030024)
關于煤粉工業鍋爐的技術分析與政策思考
馬培根1房靖華2雷小云3
(1.晉城市熱力公司,山西晉城 048000;2.上海天頓環境工程公司,上海 200135;3.太原理工大學熱能系,山西太原 030024)
在技術進步和政策的推動下,煤粉工業鍋爐的應用正在形成高潮,但存在技術上的不實宣傳和推廣政策偏向問題。為使該技術能健康和可持續地發展,本文針對該鍋爐的效率、污染物排放、制粉配送、風險和經濟效益以及推廣政策等方面,做了較深入的研究。研究認為該鍋爐有高效節煤、SO2和NOx排放總量下降、集中配送煤粉和鍋爐房干凈等優點,值得推廣;但因粉塵排放總量和濃度上升,綜合環保效果處于劣勢,同時存在電耗較大、煤源要求苛刻、煤粉儲運和使用有風險,及經濟效益不確定等問題,因此必須根據全面的技術、環境和經濟評價,因地制宜地推廣。建議政府采取具體措施,如資助布局優質煤粉供應點,以節能減排實效為資助的依據,鼓勵專業鍋爐制造廠參與研發和競爭,制定地方和國家有關煤粉工業鍋爐的制造、用煤和污染物排放等標準,使該技術不斷完善,可持續地發展。
煤粉;工業鍋爐;節能;環保;政策
煤粉燃燒的特點是燃燒效率接近99%,鍋爐效率可達90%或更高,因而,除少數新崛起的循環流化床鍋爐外,幾乎所有燃煤電站均采用煤粉鍋爐。在其發展的百年歷史中,經歷過現今工業鍋爐的容量范圍。
筆者之一曾在1968年參與原一機部機床研究所的仿蘇K-4手燒鍋爐改燒煤粉的工程。在北京節能辦資助和清華大學馮俊凱教授指導下,歷時8個月完成設計、工程和試驗。值得一提的是,按英國雜志的一篇報道研制出一種小型精巧磨煤機為改造配套,其特點是在單軸上完成粗破、細破、細磨、粗細粉分離和排粉等五種功能。鍋爐燃燒器是單渦殼式側墻布置;設有前置點火馬弗爐。經測試,鍋爐效率為73%-75%,與原手燒爐的50%-60%相比,節煤效果十分顯著。由于該爐無省煤器,排煙溫度在220℃-240℃,如降到現在工業鍋爐的150℃左右,則效率可達80%以上。但該技術并未能得到推廣,原因是煙塵排放濃度過高和結焦嚴重等問題。
在1973年第一次石油危機后,各工業國均投入巨資研究煤的清潔利用,開發出的許多新技術已成為當今市場的新寵,如,循環流化床、增壓流化床聯合循環、一體化煤氣化聯合循環和水煤漿等等,其中還有一項“精細煤粉”技術的研究也取得了進展。研究發現,當煤被磨到5微米左右時,可以用物理化學的方法脫除其中的絕大部分雜質,成為超低硫、超低灰、高熱值和高揮發分的代油燃料。但因成本過高,無法在工程上應用。
由于煙塵濃度高、調節性差、易結焦以及電耗高、鍋爐房臟和噪聲大等問題在當時的條件下難以解決,煤粉燃燒長期被排斥在工業鍋爐之外,以致在眾多相關技術和排污標準中都沒有煤粉工業鍋爐的名目。
近年來,在國外小型煤粉鍋爐技術的啟發下,經煤炭研究總院及相關企業的不懈努力,國內工業煤粉鍋爐技術有了突破性進展,已初步形成產業規模,并被國家多個部委列為重點節能技術推廣,其中山西省政府已將其列入五年計劃,連續下達多個文件大力推廣。
根據煤炭研究總院的宣傳資料(以下簡稱”資料”)和山西藍天環保設備公司樣本(以下簡稱“樣本”),該技術主要優點是:(1)高效節能:燃燒效率98%-99%,鍋爐效率88%-92%,較傳統鍋爐節能30%-35%;(2)大幅度降低污染物排放:煙氣中粉塵濃度30~50mg/m3,SO2<200 mg/m3,NOx:300~400 ;(3)mg/m3,達到了燃油和燃氣鍋爐污染物排放水平。(4)實現優質煤粉的集中加工和配送,省去儲煤場地,消除煤塵和噪聲污染;(5)液化氣點火方便快捷,可滿足供熱鍋爐周期性運行的要求;(6)自控水平高,操作簡便,運行人員少,鍋爐房清潔。
煤粉燃燒的高效率,燃料配送,點火便捷和整潔的鍋爐房,值得推廣的產品。與此同時,我們也從現場調研和資料分析中發現一些問題,如夸大節能、環保和經濟效益,以及不適當的推廣政策等。以下從煤燃燒和鍋爐的基礎概念出發,就效率、環保、風險、經濟效益和政策等方面,做進一步分析和討論,以期該產品的推廣可持續發展。
根據多項調查和大量實測數據,普遍認為在上世紀90年代,我國燃煤工業鍋爐的平均運行效率約為65%,低于國外15%-20%,實際上這主要是由容量和燃料差別引起的。國外多是大型工業鍋爐,使用洗選優質顆粒煤,如美國要求:灰分<9%,硫分<0.7%,水分<8%,揮發份>35%,顆粒度為6~20mm。國內鍋爐的平均噸位小,而且只能用普通原煤(其中小于3mm的粉煤占45%-65%)。國標“鏈條爐排鍋爐用煤技術條件GB/T18342-2001”,要求使用優質顆粒煤:灰分<10%,硫分<0.5%,熱值>24MJ/kg,弱焦結性(CRC<5),顆粒度5-20 mm。如果執行了此標準,占工業鍋爐絕大多數的鏈條鍋爐效率可以達到80%或更高。
近十余年來,在環境壓力下,各地政府強制使用低硫優質煤(硫分<0.5-0.7%和熱值大于>21MJ/kg),實行集中配煤,推廣工業型煤等,工業鍋爐的燃煤質量有了明顯的改善。
隨著集中供熱的普及,近20年來國內工業鍋爐大型化的趨勢明顯,僅在1991~2001年間,大于10 t/h鍋爐的份額從25%增長到54% 。城鎮中的分散小鍋爐已基本淘汰,大型鏈條和循環流化床熱水鍋爐(相當于40~110t/h蒸汽鍋爐)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(全球環境基金)工業鍋爐效率改進項目的促進下,更重要的是國內能源與環保的壓力加大,迫使工業鍋爐不斷改進技術提高效率,如,引進大型爐排以及鍋爐設計和制造技術等;降低排煙溫度和過量空氣系數;采用膜式壁、螺紋管、分層給煤、優化拱形以及二次風等項技術。目前大中型鏈條鍋爐在燒原煤的條件下,熱效率已達80%以上,循環流化床工業鍋爐燃用劣質燃料時效率就可達85%左右。
從文獻9的150臺不同容量鍋爐運行效率實測平均數據:<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%,也可看出鍋爐效率有了顯著提高。
“樣本”中給出了鏈條鍋爐數據:“蒸發量6 t/h,每小時燃燒6000大卡/公斤的煤738公斤,效率為65%”,但該效率是錯誤的,按最高1.3MPa的飽和蒸汽算,效率應當在76%-84%。這從另一個側面證明在燃用優質煤時小型鏈條鍋爐的效率也已遠超70%。
根據平均容量增大,煤質改善,技術進步,管理提高和煤價上漲等因素,保守的估計,目前我國工業鍋爐的平均運行效率已從20年前的65%增加到70%以上了。
電站鍋爐煤粉燃燒效率高達99%,但對小型鍋爐,要達到理想的效果是不容易的,主要因為:1)工業鍋爐往往采用鍋殼式或膜式壁緊湊型爐膛,水冷度近100%,爐膛溫度較低;2)爐膛較低較短,火焰行程不夠長,沒有足夠的燃盡時間;3)沒有完善的吹灰設施;4)燃燒空氣溫度較低。因此,有可能導致飛灰含碳高和殘存CO等不利效果。
北京勞動保護科研所為該類鍋爐提供了三組鑒定測試數據,鍋爐效率:正平衡分別為90.34%、91.62%和92.73%;反平衡:93.67%、92.92%和93.02%。這個效率已達到大型電站煤粉鍋爐的最高水平,但其中飛灰含碳量為17.36%,19.04%和24.94%,而電站鍋爐的飛灰含碳量通常僅1%-5%;更令人不解的是排煙溫度僅為93.67℃、92.22℃和69.57℃,這表明該測試已遠離設計工況,以致引用此報告的專著作者,不得不加上一句“排煙溫度已在露點之下,而且與熱水溫度的溫差小到不合理的程度,應引起廠家注意”。
通常,鑒定效率比設計效率高,而實際運行效率比前兩者低5%-10%或更多。以某新產品的鑒定效率與同類產品長期的運行效率相比顯然是不恰當的。
總之,如能各自選用理想的燃料,煤粉工業鍋爐的效率雖有優勢,但并不十分突出。根據筆者的經驗,現在推廣的工業煤粉鍋爐的效率應在85%左右,這已高出一般工業鍋爐10%-15%,足以被列為重大節能舉措,而不必刻意追求最高或偶得的數據。
由于煤粉燃燒的高效率,與層燃(鏈條和往復等)相比,將減少燃煤量15%-20%,相應的污染物排放總量也下降15%-20%(其中SO2和NOx排放總量下降,但粉塵總量上升),有一定的減排效益,但它對國家標準控制的污染物排放濃度,卻有負面的影響。
由于煤粉燃燒的特性,飛灰份額(即灰分中有多少隨煙氣逸出)在90%左右,而層燃的飛灰份額僅為15%左右,因此,煤粉燃燒的原始排放濃度要比層燃高得多。北京環境科研所在1980年代曾做過大量的實際測試,統計平均值為:鏈條鍋爐粉塵原始排放濃度2 620 mg/m3,煤粉鍋爐為16 760 mg/m3,相差6倍。即使采用特低灰煤粉(灰分小于10%),原始排放濃度也約在10 000 mg/m3,要滿足30~50 mg/m3的排放要求,除塵器效率必須大于99.5%-99.7%以上。在“資料”和“樣本“中,測試數據有不少在30 mg/m3以下,但這是高效布袋除塵器的功勞。如同樣用布袋,層燃爐可以更低的代價獲得更佳的效果。即使以煤粉燃燒比層燃節煤30%計算,由于飛灰份額高,其粉塵排放總量仍然高出3倍左右。
鍋爐原煙氣中的SO2濃度主要取決于煤的含硫量和熱值,與采用何種燃燒技術基本無關。在爐內脫硫有一定的效果,如,層燃鍋爐中采用固硫型煤和脫硫劑脫硫20%-40%;煤粉鍋爐爐內噴鈣30%左右;流化床鍋爐爐內噴鈣80%-90%。即使選用超低硫優質煤粉(含硫0.5%),煤粉爐原始排放濃度也在1000 mg/m3左右,如想達到所宣稱的100~200 mg/m3,就要另設煙氣脫硫裝置,且效率必須達到80%-90%以上。
現行“鍋爐大氣污染物排放標準—GB13271-2001”沒有規定工業鍋爐的NOx排放要求,這是因為煤粉長期被排除在工業鍋爐之外,而層燃和流化床燃燒的NOx排放很低。在這三種燃燒方式中,由于燃燒溫度高,煤粉的NOx排放是最高的。用于電站鍋爐的低NOx燃燒技術可減少30%-50%的排放濃度,但同時有降低效率的風險。
煤粉工業鍋爐在SO2和NOx總量減排上有一定貢獻,但對粉塵總量和三種污染物排放濃度上卻有不利影響,總體評價是負面的。
煤粉工業鍋爐成敗的關鍵是煤粉的質量。煤粉電站鍋爐的煤種適應性相當廣泛,除了矸石和少數劣質煤外,幾乎各煤種均可使用。由于著火和燃盡條件比電站煤粉鍋爐差,工業煤粉鍋爐唯一的選擇是優質煙煤,即低灰、低硫、高揮發份和高熱值。煤粉質量的另一個重要指標是細度,基于同樣的理由,工業煤粉鍋爐要求用更細的煤粉。煙煤的R90(90微米孔篩的篩余量)通常為25%-35%,即允許有25%-35%的顆粒大于90微米,就可滿足電站煤粉鍋爐使用,但工業煤粉鍋爐要求200目(相當于R74)為3%左右(現場調研數據),比電站煤粉細得多,這將成倍增加制粉電耗。
我國煤的平均含硫量為1.12%,超低硫煤(<0.5%)極少;同時大多是中灰煤(含灰25%左右),特低灰煤(<10%)罕見。煤的灰熔點是一個關鍵指標,低灰熔點的煤在燃燒中很易發生結焦,影響鍋爐的長期穩定運行。
由此可見,找到滿足工業煤粉鍋爐要求的煤源并非易事。用洗精煤是擴大優質煤源的有效途徑,在日益嚴峻的能源和環境壓力下,工業鍋爐使用洗精煤應當再次提到日程上。
煤粉供應的方式有二種:自制和外購。以往都是用戶自己磨制煤粉直接送入爐膛燃燒,這樣成本較低,但煤質難以控制,而且煤塵噪聲等污染也難以解決。現隨著氣力輸送和粉料槽罐車的普及,使集中制粉和配送成為可能。但這里有優質煤源、制粉點和用戶三者間地理位置和運輸成本的優化問題,一個制粉點應當有個合理的配送半徑。
由于沒有儲煤設施,鍋爐的煤粉倉僅能維持3~5天,全靠槽罐車不斷補充,運輸量很大,一旦發生交通受阻,如事故和冰雪雨霧等,公路堵塞或封閉,煤粉來源將被切斷。此外,煤粉的儲運過程會發生堵塞、自燃和爆炸,煤粉越細,煤質越好,爆炸的危險性就越大,必須有足夠的防范措施。
結焦、積灰和腐蝕是燃煤鍋爐普遍遇到的難題,其中尤以煤粉燃燒方式為最。煤粉燃燒的結焦幾乎是不可避免的,煤粉火炬溫度在1 300℃以上,其中融熔的灰粒在達到受熱面之前,不能全部冷卻固化,總有顆粒粘在壁面上,不斷積累就形成焦渣,嚴重時停爐打焦,才可繼續運行。微米級的灰粒極易附著在受熱面上,但工業鍋爐因受空間限制,很難布置有效的清灰裝置,這將逐漸導致出力和效率的下降。
排煙溫度低于煙氣露點時,煙氣中SO3會凝結成硫酸,在尾部受熱面上發生低溫腐蝕。過分追求高效率或長期低負荷運行等,均可造成低溫腐蝕。露點主要與煤的硫分和煙氣中水分有關,一般在100℃-120℃,工業鍋爐的排煙溫度多為150℃左右。現場考察中所見幾臺鍋爐均在低負荷下運行,爐溫和排煙溫度相當低,飛灰含碳均在15%以上,并發現積灰、結焦和腐蝕的現象,應當引起高度警惕。
如要節煤30%,其效率必須從65%提高到93%以上;如以70%為基數,效率需達到100%。“資料”中大同市二個用戶的證明材料稱可節煤54.3%和64.5%,同時節電11.8%和19.3%,除非將原有的效率降低到50%或40%以下,否則都是打破能量守恒的說法。按計算,效率從70%提高到85%,節煤17.65%;70%到88%,節煤20.05%。如果說煤粉鍋爐效率提高10%-15%,能節約15%-20% 的煤,這還是可信的。
煤粉工業鍋爐有良好的節煤效果,但節能效果是節煤和節電的綜合,應當仔細計算。“樣本”中的數據是煤粉爐電耗略低于鏈條爐,是沒有算入制粉電耗和布袋除塵器的額外電耗。如果將這部分電耗計入,煤粉工業鍋爐是節煤費電,綜合節能效果就會打折扣。
煤粉價格由原煤進價、制粉成本和運輸成本構成。”樣本”中給出煤粉價格900元/噸 而鏈條爐用原煤為800元/噸,沒有普遍意義,分析如下:1)煤粉工業鍋爐需用優質煙煤,價格應比鏈條爐用的普通原煤高;2)電站鍋爐制粉電耗(包括磨煤,通風和干燥)一般約30度/噸,但工業鍋爐適用的煤粉要細得多,至少需50度/噸,估計成本遠大于50元/噸;3)大型半掛粉料罐車的運費(包括公路收費)估計0.6元/噸公里,如100公里即需60元;4)在2種原煤價格相同,制粉點和用戶臨近的情況下,煤粉和原煤的差價100元才有可能。煤粉鍋爐的經濟效益主要來源于節煤,如果節煤小于15%,考慮投資大幅度提高、燃料差價擴大和布袋除塵器增加的運行費等,是否真有經濟效益值得仔細核算。
山西省政府為發展經濟和改善環境,努力完成節能減排指標,制定了詳細的推廣煤粉鍋爐實施規劃和巨額資金激勵政策(省級補貼8~10萬元/蒸噸,地方配套1.6~2萬元/蒸噸,還有減免稅等),率全國之先,值得稱贊。但是,該技術并非鍋爐節能減排的萬用靈藥,過度宣傳和強行推廣,將難以收到實效。為此,對現有政策提出幾點商榷和推廣建議。
多達6個省政府文件中均稱該鍋爐為“新型高效節能環保煤粉工業鍋爐”,但國家層面的所有相關文件沒有給任何鍋爐冠以“環保”,而且研發單位僅將其命名為“高效節能煤粉工業鍋爐”。該爐節煤是優勢,而環保和耗電是劣勢,故稱“新型高效煤粉工業鍋爐”為宜。
文件中指明:“山西藍天環保設備有限公司生產的新型高效節能環保煤粉鍋爐,潔凈環保,煙塵等有害物排放全部達到燃油、燃氣鍋爐的標準,煙塵排放≤50mg/Nm3,二氧化硫排放≤200mg/Nm3”和“申請推廣應用工程省級資金支持的項目,應已與新型高效節能環保煤粉鍋爐生產企業簽訂設備購銷合同“。這里至少有兩點不妥:1)政府文件中特定供應商“藍天環保設備公司”,意味著必須購買該公司的產品,才可得到政府資金補助,這有違常規和市場經濟原則。2)政府不可將企業的宣傳和數據用到文件里。事實是該鍋爐增加了高效環保設備,才能取得排放的成果,而且所用數據也并未達到燃氣鍋爐的排放標準(SO2:100 mg/Nm3)。
水煤漿也被公認是煤的清潔燃燒技術之一,如用低灰優質水煤漿,燃燒效率容易達到95%-98%。煤粉、水煤漿和流化床三種燃燒方式在效率上基本上處于同一水平,單獨推崇煤粉有失公平。用戶如選用高效鏈條鍋爐、燃用優質顆粒煤并配置完善的環保設施,有同樣或更好的節能減排效果,是否也應當獲得資助?或企業購置外省同類鍋爐能否享有補助?
受優質煤源、制粉點布局和運輸距離的限制,并非每個用戶均能從中受益,如,現已有一新建集中供熱站項目的實例,它距現有的制粉點約400公里,而當地有廉價煤源,如采用煤粉鍋爐只能有負面經濟效益。能否為幾臺鍋爐新建制粉點,能否等新制粉點投產后再建設等等,都需要全面評估。
風險包括:(1)在煤價漲而電價不漲的政策下,制粉成本相對較低,但這種狀態是不可持續的;(2)結焦,積灰和低溫腐蝕將使出力和效率下降,并危及穩定運行;(3)公路運輸量大有風險,儲運過程中可能發生堵塞,并有自燃和爆炸的威脅;(4)除塵灰顆粒細含碳高,難以處理,可能帶來嚴重的二次污染。
推廣建議如下:(1)政府主導和資助布局數個煤粉加工配送點。(2)按推廣煤粉工業鍋爐計劃,政府每年需花費上十億資金,應十分謹慎和注重實效,不宜變成贈送設備或變成某供貨商的特權。(3)目前燃煤工業鍋爐的SO2減排仍是個難點,當務之急是真正做出幾個脫硫樣板工程,提供可信的SO2排放數據。(4)國家對工業鍋爐的NOx排放未作限制,可進行相關研發,但不必作為性能指標宣傳。(5)鼓勵鍋爐制造企業參與煤粉工業鍋爐的開發和市場競爭。(6)制定地方/全國煤粉工業鍋爐的技術條件和污染物排放標準。
新型煤粉工業鍋爐具有節煤、部分污染物總量減排、實現煤粉配送和鍋爐房清潔等優點,值得推廣,但因環保和經濟方面的問題,需進行全面的技術、環境、經濟和政策評價,切不可急于求成“一刀切”,否則,轟轟烈烈卻不可持續,而且很可能使某些項目落到“高效不環保,節煤不省錢”的境地。縱觀數十年鍋爐節能減排政策實施過程的起落,經驗教訓值得總結汲取。
以上分析表明,煤粉工業鍋爐的應用正在形成高潮,但存在技術上的不實宣傳和推廣政策偏向問題。為此,建議政府采取具體措施,如資助
布局優質煤粉供應點,以節能減排實效為資助的依據,鼓勵專業鍋爐制造廠參與研發和競爭,制定地方和國家有關煤粉工業鍋爐的制造、用煤和污染物排放等標準,使該技術不斷完善,可持續地發展。
[1]馮俊凱.小型工業鍋爐燃燒煤粉的經驗[J].鍋爐技術,1989, 11.
[2] 山西省政府辦公廳.晉政辦發[2009]155號文轉發省發改委和省環保廳制定的《山西省推廣應用新型高效節能環保煤粉鍋爐工程實施意見》.
[3] 山西省發改委,環保廳,住房和城鄉建設廳.晉發改資環發[2011]35號《山西省新型高效節能環保煤粉鍋爐推廣應用工程實施細則》的通知.
[4]煤炭科學研究總院.高效節能煤粉工業鍋爐資料:www.youku.com.
[5]山西藍天環保設備公司.產品樣本[R],2011.3.
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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
馬培根, 工程師, 晉城熱力公司總工, 主要研究方向為供熱與環境污染.