周建明，崔豫泓，賈 楠，崔名雙，張 斌 ，王彩虹

(1. 煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013;2. 煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;3. 國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

在科技部“十五”清潔能源行動(dòng)、“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃等課題支撐下，借鑒油氣鍋爐和德國(guó)煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)理念[1]，煤粉工業(yè)鍋爐從2000年開(kāi)始立項(xiàng)研發(fā)，2005年完成0.5 MW中試驗(yàn)證，2006—2009年分別在忻州、大同和鎮(zhèn)江等地完成4 t/h蒸汽鍋爐和1.4～14 MW熱水鍋爐以及62.8萬(wàn)kJ導(dǎo)熱油爐的工業(yè)示范，系統(tǒng)技術(shù)逐步發(fā)展成熟，從2010年至今，進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，先后完成14～80 MW和70 MW天然氣/煤粉雙燃料等鍋爐系統(tǒng)的應(yīng)用。由于煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有高熱效率、低煙氣污染物排放等優(yōu)點(diǎn)，有效帶動(dòng)了燃煤工業(yè)鍋爐產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為中國(guó)工業(yè)鍋爐整體技術(shù)進(jìn)步提供了有力支撐。今后隨著煤粉鍋爐技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家大氣治理的環(huán)保要求的嚴(yán)格，煤粉工業(yè)鍋爐向大型化和近零排放化方向發(fā)展。

1 煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)及發(fā)展

煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)由煤粉儲(chǔ)供、油氣點(diǎn)火、燃燒、鍋爐本體、煙氣凈化以及自動(dòng)化控制等系統(tǒng)構(gòu)成(圖1)。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)不斷發(fā)展完善，煤粉工業(yè)鍋爐裝備向大型化、模塊化和系列化發(fā)展，涵蓋蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐及熱風(fēng)爐四大品種，形成共計(jì)20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。現(xiàn)在運(yùn)行鍋爐最大容量達(dá)到80 MW，天然氣/煤粉雙燃料鍋爐達(dá)到70 MW，鍋爐熱效率大于91%，煙氣污染物達(dá)到國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展符合國(guó)家煤炭清潔利用方向。

煤粉鍋爐技術(shù)及裝備發(fā)展歷程見(jiàn)表1。

圖1 煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)示意

表1 煤粉鍋爐技術(shù)及裝備發(fā)展歷程

2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

2.1 煤粉制備技術(shù)

煤粉鍋爐采用高揮發(fā)分長(zhǎng)煙煤煤粉作為燃料。其中，煤粉要求水分4%以下，粒度為0.075 mm。鍋爐發(fā)展初期，由于容量較小，煤粉需求量較低，生產(chǎn)采用先經(jīng)回轉(zhuǎn)烘干窯烘干，再由雷蒙磨磨制的兩步法生產(chǎn)工藝。隨著鍋爐數(shù)量及單體鍋爐容量的增加，對(duì)煤粉的需求也迅速增加，煤粉生產(chǎn)發(fā)展為采用立式磨機(jī)，烘干和磨制同時(shí)進(jìn)行的一步法生產(chǎn)工藝。工藝原理為：煤粉作為燃料供入熱風(fēng)爐，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)釤煔饨?jīng)配入空氣或低溫循環(huán)煙氣調(diào)節(jié)至適宜溫度后，與粉煤同時(shí)供入立式磨煤機(jī)，粉煤在磨制過(guò)程中完成烘干，直接產(chǎn)出成品煤粉。熱煙氣既是干燥劑，也是輸送風(fēng)，熱風(fēng)爐煤粉消耗量根據(jù)產(chǎn)能和空氣吸熱等因素設(shè)計(jì)。一般烘干能消耗為18～20 kg/t煤粉，電耗為30 kWh/t煤粉。

一步法生產(chǎn)工藝系統(tǒng)在全負(fù)壓下運(yùn)行，無(wú)粉塵外漏，外排煙氣中粉塵濃度不高于30 mg/Nm3。相比兩步法，缺點(diǎn)為產(chǎn)出煤粉溫度高，安全保障措施要求高，優(yōu)點(diǎn)為流程短、設(shè)備少和比投資小等，可滿足百萬(wàn)噸級(jí)大規(guī)模制粉需求。

2.2 煤粉安定存儲(chǔ)技術(shù)

隨著煤粉產(chǎn)量的提高，大容量安全穩(wěn)定存儲(chǔ)技術(shù)及裝備要求隨之提高。參照德國(guó)BGV c12(5)、TRD413(5)及VDI-Richtlinie2263(3673)等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煤粉流動(dòng)性、自燃特性及爆炸性能深入研究[2]，通過(guò)優(yōu)化下料錐結(jié)構(gòu)，完善流化系統(tǒng)，配備溫度、料位、氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警、CO2/N2保護(hù)和泄壓等全體系檢測(cè)和防爆措施，制定儲(chǔ)罐本體設(shè)計(jì)為0.35 MPa承壓能力，常壓下使用等標(biāo)準(zhǔn)，使大容量煤粉安定存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展成熟?，F(xiàn)整體存儲(chǔ)技術(shù)和裝備發(fā)展至最大可達(dá)1 000 m3儲(chǔ)存容量。爐前煤粉存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 爐前煤粉存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.3 濃相無(wú)脈動(dòng)供粉技術(shù)

濃相無(wú)脈動(dòng)供粉是高效穩(wěn)定燃燒關(guān)鍵技術(shù)之一，在第1代螺旋式供料技術(shù)基礎(chǔ)上，第2代供料技術(shù)采用粉體氣動(dòng)活化、無(wú)脈動(dòng)給料及高速引射流濃相供粉技術(shù)[3]，系統(tǒng)由供料鎖氣閥、勻料鎖氣閥以及文丘里等組成。其中，回轉(zhuǎn)卸料閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為斜槽式，通過(guò)出口加裝擋板，閥芯側(cè)面設(shè)置壓縮空氣氣封，葉片邊緣和殼體弧形密封面控制間隙等措施，有效提高了閥體的密封性。供料過(guò)程為：中間倉(cāng)煤粉經(jīng)下料閥變頻控制轉(zhuǎn)速后，落入供料鎖氣閥，閥體采用較高轉(zhuǎn)速剪切方式進(jìn)料，煤粉被打散后落入回轉(zhuǎn)閥斜槽內(nèi)，上一個(gè)凹槽中粉體尚未完全卸完，下一個(gè)凹槽中粉體已經(jīng)開(kāi)始卸出，在密度保持不變的條件下均勻供入文丘里，由一次輸送風(fēng)形成高速混合引射流攜帶，穩(wěn)定供入燃燒器。目前已實(shí)現(xiàn)輸送阻力低于20 kPa，粉風(fēng)固氣比大于2.5 kg/m3，供料精度在±3.0%以內(nèi)，最大供料量為5 t/h的濃相供料技術(shù)與裝備。由于雙鎖氣閥供料具有調(diào)節(jié)靈活，濃相均勻穩(wěn)定供料等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鍋爐供料系統(tǒng)。供料器結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 煤粉濃相供料器結(jié)構(gòu)示意

第3代整體流化多孔濃相低脈動(dòng)圓盤(pán)供料器主要由煤粉流化系統(tǒng)、供料圓盤(pán)系統(tǒng)和壓力平衡系統(tǒng)等組成。流化系統(tǒng)先將煤粉均勻穩(wěn)定流化，再經(jīng)多孔圓盤(pán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)低脈動(dòng)輸出，供料器內(nèi)壓力由壓力平衡系統(tǒng)保證，從而實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)供料器運(yùn)行穩(wěn)定。濃相低脈動(dòng)圓盤(pán)供料器驗(yàn)證設(shè)計(jì)供料量為2.5 t/h，現(xiàn)已成功完成長(zhǎng)周期試運(yùn)行考核。供料量可在0.5～2.5 t/h調(diào)節(jié)，供料精度在±2.0%以內(nèi)，由于自帶煤粉儲(chǔ)存罐體，最短自供時(shí)間15 min，可應(yīng)對(duì)緊急情況處理，額定運(yùn)行壽命可達(dá)8 000 h以上。

供料精度更高的第4代轉(zhuǎn)子秤供料器，供料精度在±1.0%以內(nèi)，現(xiàn)在開(kāi)展供料能力為2.5 t/h樣機(jī)試制及驗(yàn)證工作。

2.4 燃燒技術(shù)

2.4.1大功率燃燒技術(shù)

大功率煤粉燃燒技術(shù)采用逆噴回流式結(jié)構(gòu)，燃燒器由一次風(fēng)管、回流帽、二次風(fēng)管、旋流葉片、前后夾層水冷錐筒及點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。借助計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的成熟應(yīng)用，基礎(chǔ)研究依據(jù)燃燒器結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)建立雙錐燃燒室旋流強(qiáng)度計(jì)算公式(式(1)[7])等計(jì)算方法，開(kāi)展模擬氣流擴(kuò)展角、回流區(qū)域范圍、回流量、旋流強(qiáng)度以及溫度和速度場(chǎng)等研究工作[4-8]，用以掌握錐體內(nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和煤粉顆粒運(yùn)行軌跡，旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒室流場(chǎng)的影響，以及直葉片與錯(cuò)角葉片結(jié)構(gòu)(圖4，β為葉片上邊和下邊在yz平面的投影在圓弧上錯(cuò)開(kāi)角度)對(duì)燃燒器阻力和旋流強(qiáng)度影響等。切向葉片安裝示意如圖5所示(d為安裝葉片環(huán)內(nèi)徑，ε為2個(gè)葉片之間的最小間隙，R0為實(shí)際旋流半徑)。

圖4 直角葉片和錯(cuò)角葉片示意[7]

圖5 切向葉片安裝示意[7]

錯(cuò)角葉片旋流強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

式中，A為常數(shù)，cosβ；d0為前錐入口長(zhǎng)度，m；d1為一次風(fēng)管直徑，m；α為葉片傾斜角，(°)；b為葉片長(zhǎng)度，m；z為葉片數(shù)量。

旋流強(qiáng)度較大時(shí)，氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈，直接影響氣流擴(kuò)展角，使回流區(qū)域增大，回流量增多，燃燒器阻力增大，一次風(fēng)逆噴距離減小，無(wú)法到達(dá)根部葉片部位，二次風(fēng)未達(dá)到前后錐位置就發(fā)生回流。6種旋流強(qiáng)度下模擬結(jié)果見(jiàn)表2。旋流強(qiáng)度n=1.37～1.64時(shí)，一次風(fēng)逆噴距離能達(dá)到根部葉片處，火焰可在錐體中部前后錐結(jié)合位置產(chǎn)生回流[7]。旋流強(qiáng)度及葉片結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器阻力影響如圖6所示。

表2 6種旋流強(qiáng)度下模擬結(jié)果[7]

圖6 旋流強(qiáng)度及葉片結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器阻力影響[7]

大功率煤粉燃燒器設(shè)計(jì)依據(jù)基礎(chǔ)研究，通過(guò)工程驗(yàn)證與優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)再驗(yàn)證的過(guò)程，最終完成定型。其中，14 MW燃燒器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，內(nèi)部溫度場(chǎng)分布合理，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證后，最終確定該燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)[8]。優(yōu)化后的溫度場(chǎng)分布如圖7所示。現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出14、29、35和最大功率為42 MW系列功率燃燒器，通過(guò)規(guī)格和數(shù)量的選擇，滿足不同容量煤粉鍋爐配置需要。

圖7 優(yōu)化后的溫度場(chǎng)分布[8]

燃燒器燃燒過(guò)程為一次風(fēng)攜帶煤粉由中心風(fēng)管噴出，經(jīng)回流帽折返180°至燃燒器根部，在沿噴管外壁返回過(guò)程中，被周邊高溫?zé)煔饪焖偌訜嶂?00 ℃左右，至燃燒器根部時(shí)，與高速?gòu)?qiáng)旋流二次風(fēng)接觸迅速著火燃燒，形成螺旋燃燒火焰，再經(jīng)出口高速噴入爐膛，完成剩余燃燒過(guò)程。由于雙錐特殊結(jié)構(gòu)和一次風(fēng)帶動(dòng)，高溫火焰在錐體中部形成回流區(qū)，約1/2高溫火焰回流至燃燒器根部區(qū)域，為后續(xù)煤粉燃燒提供穩(wěn)定的著火熱。

燃燒空氣采用三次供給方式，著火燃燒空氣由一次煤粉輸送風(fēng)和二次風(fēng)提供，約占風(fēng)總量的60%。在空氣過(guò)剩系數(shù)α=0.7～0.8的低氧條件下，完成40%～60%燃燒過(guò)程，再以100～150 m/s速度由燃燒器旋流噴出，與布置在燃燒器出口周邊供入剩余40%的三次風(fēng)混合，在α>1的條件下完成剩余燃燒過(guò)程。由于火焰高速度旋流噴出，攜帶三次風(fēng)纏繞混合，從而實(shí)現(xiàn)拉長(zhǎng)火焰，降低爐膛溫度峰值，均衡溫度場(chǎng)，抑制NOx生成的目的。燃燒器負(fù)荷可在30%～110%調(diào)整，燃燒效率≥99%，因采用濃相供粉，點(diǎn)火熱僅為稀相供粉的1/6～1/10。燃燒器前后夾層水冷錐筒由鍋爐系統(tǒng)除氧水進(jìn)行冷卻，起到保護(hù)作用。

2.4.2天然氣/煤粉雙燃料燃燒器

天然氣/煤粉雙燃料燃燒器采用逆噴式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)充分兼顧了天然氣和煤粉的燃燒特性，滿足天然氣和煤粉燃料單獨(dú)及混合使用條件。由燃?xì)鈬娮臁⒒亓髅敝行哪鎳姽?、?qiáng)旋流二次供風(fēng)葉片及前后夾層水冷錐筒等構(gòu)件組成。燃用天然氣時(shí)，天燃?xì)庥梢淮物L(fēng)管單獨(dú)供入，與根部供入的二次風(fēng)充分混合燃燒，由燃燒器高速噴入爐膛，在高速?gòu)?qiáng)旋流氣流帶動(dòng)下，使燃燒火焰拉長(zhǎng)，溫度峰值降低，分布均衡，初始NOx排放低于50 mg/m3；燃用煤粉時(shí)，結(jié)合分級(jí)燃燒技術(shù)，燃燒效率可達(dá)到99%以上，初始NOx排放低于400 mg/m3；混合燃燒時(shí)，天然氣使用比例為10%～20%，此時(shí)既可燃用煤粉，還可燃用半焦粉等低揮發(fā)分燃料。因燃料均由一次風(fēng)管供給，從而具有快速著火，便捷切換等功能?，F(xiàn)在運(yùn)行燃燒器功率達(dá)35 MW。天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

圖8 天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結(jié)構(gòu)示意

2.4.3風(fēng)冷燃燒技術(shù)

風(fēng)冷燃燒器采用逆噴式內(nèi)外雙級(jí)旋流供風(fēng)燃燒技術(shù)，由一次風(fēng)管、回流帽、二次風(fēng)管、旋流葉片、半錐及點(diǎn)火系統(tǒng)等組成(圖9)。燃燒過(guò)程與水冷結(jié)構(gòu)燃燒器相近，一次風(fēng)攜帶煤粉由中心風(fēng)管供入，在回流帽的作用下，回流至燃燒器根部與供入的旋流內(nèi)二次風(fēng)混合著火燃燒，旋流噴出半錐，外二次風(fēng)由空氣和循環(huán)煙氣混合經(jīng)外二次風(fēng)冷夾套供入，在葉片作用下旋流噴出，與半錐噴出的螺旋火焰纏繞混合，在爐膛完成整個(gè)燃燒過(guò)程。外二次風(fēng)在經(jīng)過(guò)外二次風(fēng)冷夾套時(shí)，同時(shí)對(duì)燃燒器進(jìn)行冷卻，起到保護(hù)作用。

由于取消了水冷燃燒器水冷系統(tǒng)和雙錐結(jié)構(gòu)，風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，體積更小。結(jié)合分級(jí)供風(fēng)及煙氣再循環(huán)技術(shù)，該型燃燒器具有點(diǎn)火迅速、燃燒穩(wěn)定、燃燒效率高和初始NOx排放低等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)開(kāi)發(fā)出最大功率為29 MW的燃燒器，成功應(yīng)用在天津新建4×58 MW煤粉工業(yè)鍋爐，取得了燃燒效率≥99%，NOx初始排放≤300 mg/m3的良好應(yīng)用效果。由于風(fēng)冷燃燒技術(shù)具有生產(chǎn)成本低，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，通過(guò)與鍋爐系統(tǒng)整體燃燒優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成多只燃燒器同向或?qū)姷榷喾N布置方案，能夠滿足高參數(shù)大容量鍋爐需要。風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。

圖9 風(fēng)冷燃燒器結(jié)構(gòu)示意

2.5 鍋爐本體

由于煤粉采用懸浮燃燒方式，與常規(guī)工業(yè)鍋爐燃燒方式存在較大差異。發(fā)展初期，鍋爐本體結(jié)構(gòu)因較鏈條鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系參照?qǐng)?zhí)行，主要生產(chǎn)參照常規(guī)鏈條鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在應(yīng)用中存在燃燒效率低、爐膛結(jié)渣及鍋爐出力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問(wèn)題。

隨著煤粉鍋爐技術(shù)應(yīng)用迅速發(fā)展，鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在經(jīng)歷了探索與發(fā)展歷程后，逐步形成自有設(shè)計(jì)制造規(guī)范并日臻完善。目前，20 t/h以下小型鍋爐結(jié)構(gòu)主要采用WNS鍋殼型式火管結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、氣密性好和安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。20～30 t/h容量鍋爐燃燒器前置，爐體采用DZS膜式壁爐膛耦合鍋殼高速煙火管對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)，提高了對(duì)流傳熱效果的同時(shí)，也避免了低負(fù)荷積灰問(wèn)題。40～160 t/h大型鍋爐燃燒器垂直頂置布置，爐體采用DHS全膜式壁爐膛耦合蛇形管對(duì)流換熱面立式結(jié)構(gòu)，火焰下噴，SCR脫硝系統(tǒng)布置在對(duì)流換熱面和空氣預(yù)器之間。

2.6 煙氣凈化技術(shù)

2.6.1NGD高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫除塵技術(shù)

NGD高倍率灰鈣循環(huán)脫硫技術(shù)是在德國(guó)CFB-FGD、RCFB、CFB及丹麥GSA等技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的脫硫除塵技術(shù)[9-11]。該技術(shù)利用粉煤灰中堿性氧化物如活性CaO等，通過(guò)增濕循環(huán)脫除煙氣中SO2等酸性氣體及粉塵。特點(diǎn)是占地小，運(yùn)行成本低，可實(shí)現(xiàn)廢物資源再利用以及多種污染物聯(lián)合脫除。

鍋爐排出的煙氣與加入定量水分的粉煤灰由反應(yīng)器下端進(jìn)入，煙氣中的SO2、SO3、HCl和HF等酸性氣體在懸浮流動(dòng)過(guò)程中，與含CaO的粉煤灰發(fā)生反應(yīng)，生成CaSO3、CaSO4、CaCl2和CaF2等，從而將SO2等酸性氣體吸收脫除。參與脫硫反應(yīng)后的粉煤灰隨煙氣依次進(jìn)入旋風(fēng)分離器和布袋除塵器除塵，凈化后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。由旋風(fēng)分離器、布袋除塵器底部排出的粉煤灰進(jìn)入儲(chǔ)倉(cāng)。為保證活性鈣的高利用率，在Ca/S摩爾比為1∶1～2∶1，循環(huán)量與新鮮灰量循環(huán)倍率10～100的條件下，儲(chǔ)倉(cāng)中粉煤灰經(jīng)供料器定量加水后再次供入混合器循環(huán)使用[11]。隨著運(yùn)行過(guò)程粉煤灰不斷產(chǎn)生，當(dāng)儲(chǔ)灰倉(cāng)超過(guò)高料位時(shí)，多余粉煤灰自動(dòng)卸入出灰系統(tǒng)。系統(tǒng)工藝原理如圖10所示。

圖10 NGD脫硫工藝原理

該工藝可實(shí)現(xiàn)煙氣一體化凈化過(guò)程，具有流程簡(jiǎn)單、占地少、投資小、成本低和粉煤灰資源綜合利用等多種優(yōu)點(diǎn)，可在低鈣硫摩爾比下，達(dá)到濕法工藝相近的脫硫率。系統(tǒng)脫硫和除塵效率分別達(dá)到90%和99.95%以上。

2.6.2低溫炭基預(yù)氧化脫硝耦合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)

低溫炭基預(yù)氧化脫硝耦合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)是利用活性焦炭基吸附性和催化性雙重性能，研發(fā)的鍋爐煙氣協(xié)同凈化技術(shù)，與現(xiàn)國(guó)內(nèi)外協(xié)同煙氣凈化屬同一方向。系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)、解析系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、活性焦儲(chǔ)存及再生系統(tǒng)等構(gòu)成。技術(shù)原理為：在加入臭氧或其他氧化劑條件下，利用活性半焦吸附性和催化性，在70～100 ℃低溫條件下，將NOx、二噁英大分子和汞、砷等污染物吸附并氧化，達(dá)到飽和后，活性半焦通過(guò)350 ℃熱煙氣再生解析，釋放出高濃度的NO2、其他酸性氣體、汞和砷氧化物等污染物返回至NGD脫硫反應(yīng)器，脫除SO2的同時(shí)，將NO2、HCl和HF等酸性氣體，以及二噁英大分子、汞和砷等污染物脫除。

該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單，耗水少，廢物資源再利用，無(wú)二次污染產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，更加適合于煤粉工業(yè)鍋爐的煙氣凈化。隨著技術(shù)的逐步成熟，將有效促進(jìn)煤粉工業(yè)鍋爐向集成化、協(xié)同化和近零排放化方向發(fā)展。系統(tǒng)工藝示意如圖11所示。

圖11 炭基脫硝耦合灰鈣脫硫工藝示意

2.7 智能控制技術(shù)

測(cè)控系統(tǒng)由各種傳感器、數(shù)據(jù)電纜、動(dòng)力電纜、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、邏輯運(yùn)算模塊、工程組態(tài)軟件、配電柜、控制柜及開(kāi)關(guān)柜組成。隨著鍋爐發(fā)展的大型化和規(guī)?；?，鍋爐自動(dòng)控制技術(shù)也隨之發(fā)展，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火、熄火、故障聯(lián)鎖保護(hù)，集散式遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，控制水平得到較大提升。

今后在鍋爐控制工藝和裝備不斷完善的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用控制理論、其他信息技術(shù)及專家診斷系統(tǒng)，通過(guò)儀器儀表、計(jì)算機(jī)以及一級(jí)和二級(jí)監(jiān)控室的硬件搭建，基于目前工業(yè)鍋爐應(yīng)用的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)GPRS技術(shù)和Ether Net/IP固定IP和OPC通訊技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[12-13]，鍋爐系統(tǒng)控制逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和集成化方向發(fā)展，達(dá)到確保安全、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量以及降低能耗等管控目的。

3 相關(guān)技術(shù)比較

在國(guó)家對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)的政策支持下，國(guó)外同類煤粉燃燒技術(shù)索普、Saacke及Pillard相繼進(jìn)入國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出主要以稀相供粉、旋流直噴分級(jí)供風(fēng)燃燒技術(shù)，四角切圓鍋爐配百葉窗燃燒技術(shù)，墻式鍋爐配旋流燃燒技術(shù)等。燃燒器布置方式也有差異，多為側(cè)置和頂置，部分為側(cè)置和低置，最大功率也達(dá)到42 MW。

煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)建立在以濃相煤粉燃燒，實(shí)現(xiàn)燃油、燃?xì)庑Ч砟罨A(chǔ)上，相當(dāng)或優(yōu)于國(guó)外燃燒技術(shù)，對(duì)比國(guó)內(nèi)同類煤粉燃燒技術(shù)在快速著火、燃燒穩(wěn)定、負(fù)荷調(diào)節(jié)、燃燒低氮以及煤種適應(yīng)性方面均有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和突出表現(xiàn)，已達(dá)到世界先進(jìn)水平。綜合技術(shù)比較見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)綜合比較

4 技術(shù)應(yīng)用

煤粉鍋爐自2006年起，在工業(yè)示范和規(guī)?；瘧?yīng)用過(guò)程中，采用了大量創(chuàng)新技術(shù)，在節(jié)能性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等方面較常規(guī)工業(yè)鍋爐具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前已在國(guó)能集團(tuán)神東礦區(qū)、蘭州市、天津市及濟(jì)南市等20多個(gè)省市廣泛應(yīng)用，均取得了鍋爐熱效率高，運(yùn)行成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，煙氣滿足國(guó)家排放排放標(biāo)準(zhǔn)的良好效果。

2010—2014年，中國(guó)神華能源神東煤炭分公司先后在其礦區(qū)完成總計(jì)23臺(tái)510 t/h煤粉鍋爐和配套煤粉生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的供熱，確保礦井冬季煤炭的順利生產(chǎn)。蘭州紅山根熱力公司于2014年建設(shè)完成5×58 MW煤粉鍋爐項(xiàng)目，滿足了其區(qū)域供熱增長(zhǎng)需求。天津華苑熱力公司于2015和2019年分別完成100萬(wàn)t/a煤粉制備系統(tǒng)和5×58 MW煤粉鍋爐系統(tǒng)，以及4×58 MW空冷燃燒器煤粉鍋爐系統(tǒng)建設(shè)，鍋爐煙氣凈化均采用布袋除塵+SNCR/SCR+濕法脫硫+濕式電除塵工藝，煙氣實(shí)現(xiàn)超低排放。2016—2018年，濟(jì)南漿水泉熱力公司分別完成3×80 MW煤粉鍋爐和1×70 MW天然氣/煤粉兩用鍋爐建設(shè)，鍋爐煙氣凈化采用布袋除塵+SNCR/SCR+濕法脫硫+濕式電除塵，投入運(yùn)行后，較建設(shè)前燃煤量降低40%以上，煙氣實(shí)現(xiàn)超低排放。

2010年11月—2019年11月，國(guó)家工信部等部委先后下發(fā)11份文件，在政策方面積極支持煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展，多次將煤粉工業(yè)鍋爐列入國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦名錄。2019年6月16日，國(guó)家發(fā)改委又下發(fā)《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過(guò)程中有關(guān)問(wèn)題的通知》，提出宜煤則煤適合我國(guó)能源賦存結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的使用方針。國(guó)家積極鼓勵(lì)政策的持續(xù)出臺(tái)，為煤粉工業(yè)鍋爐今后發(fā)展提供了有力保障。

5 未來(lái)煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)發(fā)展

5.1 大型化

目前煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)和裝備優(yōu)化升級(jí)，在大型化、模塊化和系列化方向已取得成效。隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，供熱需求穩(wěn)步增加，煤粉工業(yè)鍋爐集中化和大型化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。以天津市和濟(jì)南市為例，天津市華苑熱力先后完成百萬(wàn)噸級(jí)煤粉制備系統(tǒng)，以及9×58 MW煤粉鍋爐系統(tǒng)建設(shè)，為京津冀地區(qū)規(guī)模最大的煤粉鍋爐區(qū)域集中供暖項(xiàng)目。濟(jì)南漿水泉熱力建設(shè)完成3×80 MW煤粉鍋爐+1×70 MW天然氣/煤粉兩用鍋爐，為國(guó)內(nèi)投入運(yùn)行最大單體煤粉鍋爐和天然氣/煤粉燃料鍋爐。隨著今后煤炭清潔燃燒利用整體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大容量高參數(shù)煤粉工業(yè)鍋爐規(guī)?；瘧?yīng)用將成為必然趨勢(shì)。

5.2 半焦粉體復(fù)合生物質(zhì)燃燒技術(shù)

生物質(zhì)與煤炭復(fù)合燃燒是近20年逐漸發(fā)展起來(lái)的生物質(zhì)利用技術(shù)[14-20]。由于生物質(zhì)與煤粉復(fù)合燃燒可以改善煤的著火、燃燒和燃盡特性，目前歐美燃煤電站鍋爐復(fù)合生物質(zhì)燃燒技術(shù)主流發(fā)展方向是生物質(zhì)顆粒與煤粉復(fù)合燃燒。主要應(yīng)用在燃煤火力發(fā)電鍋爐，技術(shù)發(fā)展圍繞提高生物質(zhì)摻混比例，降低污染物排放，緩解飛灰堿金屬對(duì)受熱面腐蝕開(kāi)展。大型燃煤鍋爐混燒生物質(zhì)技術(shù)在英國(guó)、美國(guó)及德國(guó)等國(guó)家應(yīng)用較多，電廠裝機(jī)總量最高達(dá)1 100 MW。自2010年以來(lái)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)600 MW機(jī)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～15%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒，600 MW以下機(jī)組實(shí)現(xiàn)15%～35%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒，10～30 MW獨(dú)立工業(yè)單元超過(guò)35%的生物質(zhì)復(fù)合燃燒。工業(yè)鍋爐主要采用層燃爐和循環(huán)流化床鍋爐，雖然技術(shù)比較成熟，但也面臨生物質(zhì)燃料成本偏高、燃燒效率低及鍋爐受熱面積灰腐蝕等問(wèn)題。

由于政策方面的原因，我國(guó)生物質(zhì)與煤復(fù)合燃燒方式的電廠不多，最具代表性是山東十里泉電廠，總裝機(jī)容量140 MW，設(shè)計(jì)生物質(zhì)摻混比例為20%。工業(yè)鍋爐領(lǐng)域同歐美一樣，主要使用層燃爐和循環(huán)流化床鍋爐，但因燃燒技術(shù)差距，存在快速啟停、負(fù)荷調(diào)節(jié)、燃盡率及床料團(tuán)聚等不足。

半焦粉是由高揮發(fā)分低變質(zhì)程度長(zhǎng)煙塊煤經(jīng)中溫?zé)峤饣蚍勖旱蜏責(zé)峤獾玫降墓腆w產(chǎn)品，具有高熱值、低灰、低鋁、低硫及低磷等特點(diǎn)，復(fù)合生物質(zhì)粉體燃燒可有效解決生物質(zhì)燃料低密度、高含水、低熱值、不便于運(yùn)輸及儲(chǔ)存等問(wèn)題。目前浙江大學(xué)等高校開(kāi)展了改善煤粉與生物質(zhì)粉復(fù)合燃料燃燒互補(bǔ)性，降低污染物排放，緩解飛灰堿金屬對(duì)受熱面腐蝕等研究工作，開(kāi)發(fā)出不同類型的燃燒器，但整體粉體復(fù)合燃燒技術(shù)發(fā)展還處于研究階段。

濃相強(qiáng)旋流逆噴燃燒技術(shù)具有可增加燃料在高溫區(qū)間的行程和時(shí)間，燃燒溫度均衡的特點(diǎn)[21-22]，現(xiàn)開(kāi)展的半焦粉單獨(dú)燃燒研究工作已經(jīng)取得了一定成果，處于技術(shù)放大驗(yàn)證階段。下一步將開(kāi)展復(fù)合生物質(zhì)在30%～50%大摻混比條件下，復(fù)合燃料制備輸送、燃燒性能以及緩解受熱面腐蝕等方面研究工作。隨著國(guó)家能源政策重點(diǎn)向低碳和可再生能源等宏觀政策變化與市場(chǎng)需求，研究工作對(duì)推動(dòng)可再生生物質(zhì)合理利用、低階煤分質(zhì)利用發(fā)展、實(shí)現(xiàn)煤炭減量替代、優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染將有積極意義。

5.3 高效燃燒技術(shù)

圍繞高效和環(huán)保的技術(shù)理念，高溫空氣燃燒、無(wú)焰燃燒及富氧燃燒等技術(shù)將成為未來(lái)燃燒技術(shù)發(fā)展方向[23-27]。其中，高溫空氣燃燒技術(shù)亦稱為無(wú)焰燃燒技術(shù)，是20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始普遍推廣應(yīng)用的一種全新燃燒技術(shù)。在煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)應(yīng)用中，主要由一次煤粉輸送管和二次風(fēng)爐膛內(nèi)預(yù)熱結(jié)構(gòu)組成。燃燒過(guò)程為：煤粉由占總空氣量5%的一次風(fēng)攜帶供入，剩余空氣經(jīng)爐膛高溫預(yù)熱至8 00～1 000 ℃以上后分級(jí)供入，在低氧條件下，煤粉在高溫條氣流中完成燃燒過(guò)程。與傳統(tǒng)燃燒過(guò)程相比，技術(shù)最大特點(diǎn)是煤種適應(yīng)性寬，初始NOx排放低。

5.4 協(xié)同化煙氣凈化技術(shù)

燃煤煙氣污染超低排放控制技術(shù)經(jīng)歷了由單一污染物高效控制向多污染物協(xié)同脫除方向發(fā)展。前者主要在現(xiàn)有污染物脫除裝置上挖潛擴(kuò)容，使污染物排放濃度進(jìn)一步降低；后者綜合考慮了脫硫、脫硝和除塵之間的協(xié)同作用，在每個(gè)系統(tǒng)脫除主要污染物的同時(shí)，協(xié)同脫除其他污染物或?yàn)橄掠蚊摮廴疚飫?chuàng)造有利條件，最終完成工藝優(yōu)化組合。

目前，多種污染物協(xié)同脫除技術(shù)發(fā)展迅速，代表性工業(yè)化技術(shù)主要有MCFB技術(shù)、MPCS技術(shù)、活性炭技術(shù)、SNRB技術(shù)等[28-29]。其中，活性炭AC吸附法技術(shù)是利用活性炭的高吸附容量，在水蒸氣濃度適宜的條件下，在AC表面將煙氣中SO2和NO分別催化轉(zhuǎn)化為H2SO4和HNO3加以去除?；钚蕴课搅?、硝等污染物的同時(shí)，也會(huì)吸附其他污染物，如煙氣中的單質(zhì)氣相汞，且脫除效果較為突出。該方法具有工藝流程簡(jiǎn)單、制造維護(hù)費(fèi)用低、無(wú)次生廢料和二次污染等優(yōu)點(diǎn)，研究非?；钴S。德國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家也有大量活性炭脫硫脫硝工業(yè)裝置運(yùn)行[29]。

國(guó)內(nèi)活性炭或協(xié)同脫除燃煤煙氣中污染物研究較多[30-31]。最早在四川的豆壩電廠進(jìn)行中試[32]，2004年在貴州某電廠建立了推廣示范基地，SO2吸附脫除率達(dá)到95.7%，近期的示范工程為2014年建成的神華勝利電廠2×660 MW鍋爐配套脫硫脫硝脫汞一體化裝置，也取得了良好的運(yùn)行效果。未來(lái)隨著低溫炭基預(yù)氧化脫硝復(fù)合NGD協(xié)同煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展成熟，煤粉工業(yè)鍋爐協(xié)同化煙氣凈化有望實(shí)現(xiàn)更加清潔的近零排放。

6 結(jié) 語(yǔ)

煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)系統(tǒng)自研發(fā)以來(lái)，經(jīng)歷了從煤粉生產(chǎn)、安定儲(chǔ)供、穩(wěn)定燃燒以及煙氣清潔排放等核心技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，裝備向大型化、模塊化和系列化發(fā)展，以其高效清潔的特點(diǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果。未來(lái)隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，天然氣/煤粉鍋爐、低氮燃燒、生物質(zhì)復(fù)合半焦粉及協(xié)同化煙氣凈化等技術(shù)的開(kāi)發(fā)與成熟，煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)將成為煤炭清潔燃燒利用主要技術(shù)之一。