神華煤安全清潔燃用技術研究與實踐

王樹民，宋 暢，劉志江，李 巍，陳寅彪，張 翼，張清峰

(1.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011; 2.中國神華能源股份有限公司國華電力分公司，北京 100025; 3.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100024; 4.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045)

能源是影響我國兩個“百年夢想”實現的全局性、戰略性問題[1]。雖然當前經濟發展進入新時代，但我國“以煤為主，多元發展”的能源方針和以煤電為主的電源結構在較長時期內不會改變[2-4]。聯合國為解決社會、經濟和環境的發展問題，提出了2015—2030年可持續發展目標[5]，通過能源技術革命，消除能源貧困，獲得可持續的現代能源。我國石油和天然氣對外依存度高，煤炭是支撐經濟社會可持續發展的重要保障，研究先進的煤炭開發利用技術，實現煤炭綠色開采及水資源保護[6]和清潔低碳、安全高效利用[7-10]，對于改善我國生態環境和保障能源安全具有重大戰略意義。

位于鄂爾多斯盆地的神府東勝煤田(簡稱“神東煤田”)是最年輕的世界級特大煤田之一[11]，主產侏羅紀煙煤，已探明儲量2 240億t。為加快神東煤田開發，1995年國家成立神華集團，開啟了中國現代化礦井“五高四化”建設的新篇章，形成了“神華煤”品牌[12]。神華煤是我國的優質動力煤，但在應用初期，出現過制粉系統爆炸和爐膛嚴重結焦等嚴重問題，隨著環保標準的提高，神華煤又面臨清潔利用問題。筆者歸納總結了神華煤大容量鍋爐安全燃用[13]和煙氣污染物“近零排放”關鍵技術，并提出了燃煤安全清潔發電的未來發展方向及相關建議。

1 神華煤安全燃用技術

1.1 典型神華煤特性

神華煤主要礦區包括神府東勝、準格爾等。神府東勝煤具有低灰、低硫、中高熱值、易燃等特點，但灰熔點低，燃燒時容易結渣，影響鍋爐安全，為開發利用帶來難題。神府東勝煤兼有中高熱值和灰中鈣鐵含量高的特征，已有結渣判別依據及結渣防治手段并不能解決其安全燃燒問題[14]。神華準格爾煤硫含量低、揮發分和發熱量較高，其灰中鋁硅含量高、灰熔點高，是適宜摻燒煤種，但由于灰的比電阻高，要實現煙塵“近零排放”難度較大[9]。典型神華煤的煤質特性見表1。

表1 典型神華煤煤質特性Table 1 Coal characteristics of typical Shenhua coal

1.2 早期技術研究及應用

1.2.1在役鍋爐摻燒神華煤

1989年2至3月，能源部華北電業管理局在河北下花園電廠1，2號2臺410 t/h鍋爐試燒神華煤[15]，先后發生了制粉系統爆炸和爐膛嚴重結焦、過熱蒸汽超溫等問題。華北電業管理局發電處、華北電科院、下花園電廠共同研究提出了加裝冷風管降低一次風溫度，提高一次風強度，推遲著火點的技術方案。1989年6月開展了1,2號鍋爐燃燒調整試驗。結果表明，鍋爐額定負荷運行時，噴燃器燒損問題得到緩解，爐膛結焦現象明顯減輕，過熱蒸汽溫度在一定程度上得到了控制，減溫水量由25.9 t/h降到3.5 t/h。但由于摻燒神華煤后，爐膛容積熱負荷、斷面熱負荷等關鍵參數嚴重偏離設計值，制粉系統爆炸未得到有效解決，且電廠煤場儲煤能力有限，不能解決按比例配煤問題，在燃用30萬t神華煤后，停止了試燒工作。

1.2.2新設計鍋爐燃用神華煤

以神華煤為設計煤種的鍋爐主要集中在華東和華南地區，見表2。為確保新設計鍋爐安全燃用神華煤，上海電力局于1988年4月組織在內蒙古包頭電廠220 t/h鍋爐上試燒神華煤，為華東地區的電站鍋爐設計提供了經驗。由于對神華煤燃燒特性了解較少，在燃用神華煤初期仍發生過嚴重的結渣問題，但通過設備改造、燃燒優化等手段，實現了一定比例燃用神華煤。

表2 新設計鍋爐燃用神華煤Table 2 Newly designed shenhua coal-fired boiler

1.3 神華煤安全燃用技術研究

2000年，神華國華電力公司(簡稱“國華電力”)組織開展神華煤安全清潔利用技術創新，對國內在役鍋爐改燒摻燒神華煤進行了全面調研[16]，掌握了影響鍋爐安全運行的主要問題，通過因爐施策，研究制定了各類型鍋爐安全燃用神華煤技術措施，解決了非設計煤種鍋爐燃用神華煤的技術難題，見表3。

表3 不同類型鍋爐燃用神華煤治理技術Table 3 Treatment technologies of burning Shenhua coal for different types of boilers

2001年，開展了新建工程鍋爐選型研究，對廣東臺山和河北定州、滄東等電站鍋爐進行了設計優化，容積熱負荷由87.63 kW/m3降至 84.93 kW/m3，有效緩解了爐內結渣、結焦問題，見表4。

表4 燃用神華煤典型電站鍋爐設計優化Table 4 Boiler design optimization of typical power stations burning with shenhua coal

為更加系統全面的解決神華煤安全燃用技術問題，國華電力聯合相關科研單位研究了煤質、燃燒、結渣、沾污、研磨、重金屬含量、污染物排放等主要特性[19-20]，建立了神華煤結渣程度的判斷方法，掌握了神華煤結渣規律，提出了結渣判別指標及其應用方法，形成了神華煤安全燃燒及防結渣技術。研究成果應用到臺山3～5號、寧海1～4號、錦界1～4號燃煤鍋爐，實現了長周期安全燃用神華煤。

構建的神華煤及混煤結渣特性關聯模型[13]為

CS=f(TS,B/A,w(Fe2O3)/w(CaO),Ad,

w(Fe2O3),w(CaO),w(Al2O3),w(SiO2))

(1)

形成的結渣判別表達式為

CS=2.521-0.001 65TS+0.35B/A

(2)

其中，CS為結渣指數;TS為灰軟化溫度，℃;B/A為灰成分指標，堿酸比。其復相關系數達0.85，并在實踐中得到了較好的驗證。

1.4 燃用神華煤鍋爐設計準則

由于電力行業標準缺乏燃用神華煤的鍋爐選型參數，國華電力組織開展了神華煤鍋爐燃燒系統、燃燒方式及布置等方面的研究，掌握了燃燒設備參數、燃煤特性指標及其燃燒效果之間的相互關系[13]。通過式(3)和(4)，優化了爐膛煤粉停留時間t和爐膛出口煙氣溫度T。

(3)

(4)

其中，L為上一次風中心至屏下緣的距離，m;Bj為計算燃料量，kg/s;Vy為煙氣體積，m3/kg;Tp為爐膛平均溫度，K;a,b為爐膛長和寬，m;Pd為當地大氣壓，kPa;Ta為理論燃燒溫度，K;M為爐內火焰最高溫度相對位置;σ0為玻爾滋曼常數;al為爐膛黑度;φpj為爐膛熱有效系數;Fct為爐膛受熱面積，m2;φ為爐膛保熱系數;vcpj為平均比熱容，kJ/(kg·K)。

根據爐膛結構尺寸、煤粉停留時間、出口煙溫等設計參數優化結果和鍋爐實際運行情況，于2007年提出了大容量煤粉鍋爐燃用神華煤的爐膛設計參數選取意見，見表5，將神華煤適應的機組容量擴展至1 000 MW，在河北定州、滄東等600 MW超臨界和浙江寧海、廣東臺山、遼寧綏中、江蘇徐州等1 000 MW超超臨界鍋爐應用，在此基礎上形成了電力行業《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》[21]，提高了我國鍋爐設計水平，為全國不同等級鍋爐安全燃用神華煤提供了技術支撐。

表5 鍋爐特征參數限值推薦范圍(BMCR)Table 5 Recommended range of the limits of boiler chara-cteristic parameters (BMCR)

1.5 神華煤標準化

通過神華煤系統研究，形成了神優、神混、石炭等不同系列的神華煤型號，構建了一套標準化的煤質管理體系[22]，塑造了神華煤品牌，有效促進了神華煤在電力行業的廣泛應用及作為資源在煤化工等領域的推廣，出口到日本、韓國等國家，成為國際能源領域的知名品牌。1999—2018年，我國煤炭消費增長了2.76倍，年均增長5.48%，如圖1所示。在解決神華煤安全燃用問題后，2004—2018年，神華煤在電力行業消費量增長了5.30倍，年均增長12.65%，有力支撐了我國經濟的快速發展。

2 燃煤煙氣污染物清潔技術

神華煤具有良好的環保特性，但并不能滿足環保排放標準不斷提高的要求，亟需技術創新。2012年，國華電力提出了燃煤鍋爐煙氣污染物排放達到天然氣燃氣輪機組排放限值的“近零排放”企業標準，即在基準氧含量6%條件下，煙塵，SO2，NOx和汞排放質量濃度限值分別為5，35，50，0.03 mg/m3，研究確定了原則性技術路線，開發了除塵、脫硫、脫硝、脫汞等關鍵技術，于2014年6月率先在浙江舟山電廠350 MW新建機組完成工程示范，開啟了煤電大氣污染物“近零排放”新時代。截至2018年底，研究成果已在101臺燃煤鍋爐上推廣應用[23-24]，經環境監測單位現場監測，煙塵排放質量濃度為0.23～5.00 mg/m3，SO2排放質量濃度為2～35 mg/m3，NOx排放質量濃度為6～50 mg/m3，均達到天然氣燃氣輪機組排放限值，引領了煤電清潔化發展，為我國大氣污染防治作出了重要貢獻。

2.1 除塵脫硫脫硝關鍵技術

為實現燃煤鍋爐煙氣污染物“近零排放”，研究開發了煙塵，SO2，NOx深度脫除關鍵技術[25-27]。研究了除塵器極板表面水膜形成規律及動力特性，揭示了高濕煙氣降溫過程中可凝結顆粒物凝結、脫除作用機制，構建了流速、停留時間等多因素耦合匹配的設計準則，開發了剛性極板和纖維織物極板濕式靜電除塵(WESP)技術，實現了首套國產裝備在“近零排放”示范工程中的應用，獲得了不同WESP在典型負荷下的除塵效果，如圖2所示。研發了單塔強化濕法脫硫技術，構建了物料平衡計算模型，通過塔內結構、流場優化和強化傳質，脫硫效率由95%提高到99%以上。研究揭示了煤粉燃燒火焰溫度、煤粉濃度、氧量與 NOx生成、還原和煤粉燃盡之間的影響規律，開發了過程與空間尺度耦合的低氮燃燒技術，通過空間尺度三維多區和過程尺度多節點功能區，實現高效燃燒、強NOx還原、防腐蝕結渣;研究成果在浙江寧海電廠3號鍋爐應用[28]，首次實現額定負荷鍋爐出口NOx質量濃度低于100 mg/m3，如圖3所示。在此基礎上，研究了鍋爐低NOx燃燒動態變負荷特性，解決了動態響應速度慢、汽溫控制難等問題。

圖2 不同WESP除塵效果Fig.2 Dedusting effect of different WESPs

圖3 不同負荷下的低氮燃燒技術指標Fig.3 Technical index of low nitrogen combustion under diffe-rent loads

2.2 汞排放控制技術

根據中國環境科學院的研究，神華煤痕量元素含量總體偏低，但由于煙氣中鹵素含量低，實現汞的深度穩定脫除難度大。利用燃煤鍋爐副產物粉煤灰為原料，開發了溴化耦合機械法吸附劑表面改性技術，研制了活性強、吸附能壘低的脫汞吸附劑，吸附容量較原始粉煤灰提高了1～2個數量級，形成了吸附劑“在線改性、均勻噴射、即時吸附”脫汞技術和裝備[29-30]，在河北三河電廠和江蘇徐州電廠分別建成世界首個300 MW和1 000 MW示范工程，綜合脫汞效率超90%，排放質量濃度分別為0.29，1.52 μg/m3，如圖4所示，成本僅為活性炭噴射脫汞技術的10%～15%。

圖4 改性粉煤灰脫汞技術應用效果Fig.4 Application effect of demercuration technology with modified fly ash

2.3 50 000 m3/h中試平臺

依托國家科技支撐計劃課題，在河北三河電廠建成了基于實際煙氣的50 000 m3/h污染物“近零排放”全流程控制中試平臺，開發了寬溫度窗口脫硝催化劑、濕式機電耦合除塵等新技術。開發的過渡金屬/稀土金屬氧化物寬溫度窗口催化劑，提高了催化劑表面配位不飽和氧含量，強化了吸附活化能力，溫度窗口拓寬到250 ℃以下;通過多工況、長時間試驗，實現了270～330 ℃溫度窗口內脫硝效率≥88%，氨逃逸<10-6，SO2/SO3轉化率<0.5%，解決了脫硝效率與氨逃逸難以兼容的技術難題。濕式機電耦合除塵技術，采用多級氣旋除霧器結構和一體化設計，通過機械力和電場力作用，協同除塵效率高達95%，煙塵排放質量濃度低于1 mg/m3，煙氣阻力較常規濕式電除塵降低200～300 Pa。

研究了燃煤煙氣多污染物脫除過程中的相互影響和協同控制規律，干、濕電除塵裝置對SO3和汞等重金屬有協同脫除效果;脫硫系統可實現顆粒物的高效協同脫除;SCR脫硝系統對汞等重金屬有氧化作用，有利于在后續流程中高效協同脫除，但SO2氧化為SO3后，易與逃逸氨生成硫酸氫氨堵塞空預器。通過干、濕式除塵系統集成耦合，脫硫系統液氣比、pH值和脫硝效率等參數匹配，獲得了煙塵、SO2和NOx不同排放目標下的運行優化控制方法(表6)。通過試驗研究和現場測試，獲得了汞、SO3和NH3排放特征(圖5)。經中國環境監測總站現場監測結果表明，煙塵排放質量濃度0.4～0.9 mg/m3，SO2排放質量濃度1.2 mg/m3，NOx排放質量濃度10.2 mg/m3，汞排放質量濃度0.11～0.22 μg/m3。

表6 50 000 m3/h中試平臺多污染物深度脫除結果Table 6 Deep removal of multiple pollutants in 50 000 m3/h pilot platform

圖5 汞、SO3和NH3的排放特征Fig.5 Emission characteristics of Hg,SO3 and NH3

2.4 “1123”生態環保排放限值探索

伴隨社會發展和火電技術進步，中國于1996年、2003年、2011年修訂了火電廠大氣污染物排放標準，指標達到了國際先進水平。2012年，國華電力提出了燃煤鍋爐煙氣污染物排放達到天然氣燃氣輪機組排放限值的“近零排放”企業標準，并完成了系列工程實踐，推動了2014年9月中國《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》落地。

在此基礎上，結合中試平臺開發了污染物深度脫除新技術，通過系統協同優化和過程精準調控，進一步降低了污染物排放濃度。2016年，山東壽光電廠1,2號1 000 MW超超臨界機組投產，經第3方現場測試，煙塵、SO2、NOx排放質量濃度分別不超過1，2，18 mg/m3，汞排放質量濃度分別為0.90，0.52 μg/m3。山東壽光1號鍋爐2017—2018年和陜西富平2號鍋爐2018—2019年煙氣污染物排放質量濃度分別如圖6和圖7所示，實現長時間遠低于天然氣燃氣輪機組排放限值。

圖7 富平2號鍋爐煙氣污染物排放質量濃度Fig.7 Pollutant emission concentrations of boiler No.2 in Fuping

基于中試平臺技術研究和山東壽光電廠工程實踐，探索并提出了“1123”生態環保排放限值[31]，即在基準氧體積分數6%的情況下，煙塵、SO2、NOx和汞排放質量濃度分別不高于1,10,20,0.003 mg/m3，較GB 13223—2011的排放限值小1個數量級。煤電“近零排放”的創新實踐推動了燃煤煙氣污染物排放標準的進步，與世界部分國家和地區新建燃煤電廠大氣污染物排放標準要求的濃度限值對比情況見表7。

表7 中國與部分國家和地區新建燃煤電廠大氣污染物排放質量濃度限值比較Table 7 Comparison of the air pollutant emission limits of the newly built coal-fired power plants for China and some countries and regions

2.5 生態環境效益

中國燃煤煙氣“近零排放”技術的成功實踐始于2014年，以2013年全國電力煙塵、SO2、NOx排放量為基準，分析了全國電力行業和國華電力燃煤煙氣污染物減排效果，見表8。可以看到，國華電力2018年煙塵、SO2和NOx排放量比2013年分別減少96.62%，92.88%和94.50%，減排成效顯著。

表8 全國電力行業和國華電力煙氣污染物減排效果Table 8 Reduction effect of air pollutants for national power industry and Guohua Power

3 結語及展望

神華煤20多年的發展歷程，從鍋爐摻燒試燒到新建全燒并形成設計導則推廣，從環保達標排放到“1123”排放限值探索，是技術創新和工程實踐的有機結合，推動了我國煤炭、電力工業的科學發展和技術進步。自1995年以來，神華煤累計銷售76億 t，占同期全國原煤消費總量620億 t的12.3%，為保障我國能源安全和經濟發展作出了重要貢獻。通過配煤摻燒、鍋爐選型及燃燒運行優化等技術的研究和應用，解決了神華煤安全燃用的難題。通過污染物深度脫除關鍵技術及裝備研發、系統集成和工程示范，“近零排放”清潔煤電實現了“技術可行、運行可靠、經濟合理”。

當前，燃煤安全清潔發電雖取得顯著成效，但仍存在能源利用效率低、燃煤副產物資源化程度低、非常規污染物深度脫除技術難度大、CO2排放量大且捕集成本和能耗高等問題。高效發電方面，需要進一步研究高效的一、二次再熱技術，包括鍋爐燃燒技術和汽輪機高位布置技術，為開發700 ℃超超臨界發電技術提供支撐;清潔發電方面，開發煤炭多維燃燒NOx深度還原技術、煙氣多污染物一體化脫除及資源化技術、汞等重金屬深度脫除及回收技術，推動清潔煤電向“1123”生態環保排放新標準邁進;CO2捕集、利用與封存方面，研發新一代低成本CO2吸收劑和高效低能耗CO2捕集技術，同時探索CO2利用新途徑，研發CO2高效礦化關鍵技術等，通過系統集成與工程示范，實現CO2的“近零排放”。

面向“十四五”乃至更長遠時期，煤炭作為一種重要能源和寶貴資源，一方面要深入推進能源技術革命，持續創新煤炭清潔低碳、安全高效燃用技術，推動煤炭、電力工業的高質量可持續發展，為構建現代能源體系提供支撐;另一方面要充分發掘其資源屬性，研發煤炭分級轉化和分質利用技術，建設煤直接、間接液化及煤基多聯產等現代化煤化工產業，實現安全、穩定、清潔運行，增強我國能源自主保障能力，大幅度提高煤炭利用價值。