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隨著經濟社會發展和城市化進程的加速，我國中東部地區大氣復合污染的態勢日益嚴峻，突出表現在京津冀、長三角和珠三角等城市重度霧霾現象頻發。據有關部門統計，工業燃煤排放的污染物占霧霾來源和成因的30%～40% 。為了使大氣污染狀況得到改善，提高燃煤工業鍋爐的燃燒效率以及降低污染物的排放迫在眉睫。
1、煤粉工業鍋爐關鍵技術
煤粉工業鍋爐是由煤粉儲存塔(罐)、供料器、燃燒器、鍋爐本體、煙氣污染物聯合脫除裝置、灰庫、點火油(氣)站、壓縮空氣站、惰性氣體保護站及測控 10個子系統組成。設計、組裝該系統主要有6項關鍵技術，即煤粉制備與運輸、煤粉安定儲存、濃相煤粉輸送、煤粉燃燒器、鍋爐本體和低排放煙氣凈化。
1.1 煤粉制
煤粉的加工工藝主要有2種: ①烘干與磨制分離的兩步法工藝; ②磨制與烘干同時進行的一步法工藝。前一種工藝對設備的要求低，且系統容易控制，但功能分散、工藝鏈長，僅適用于小規模制粉。后一種系統工藝簡單，適合大規模制粉，但對磨機設備及工藝安全性要求高。兩步法工業磨機以雷蒙磨為主，一步法工藝磨機一般采用高溫立磨。煤粉的配送由加裝氮氣保護的專用罐車完成，在煤粉加工配送中心與煤粉工業鍋爐之間可實現無縫對接，根據應用經驗，罐車的經濟覆蓋半徑最大為100km。
無論采用何種工藝和設備，為了杜絕發生爆炸等事故，在煤粉制備整個流程中車間內應嚴禁揚塵的出現，各個設備應保持良好的密封性且回轉窯、磨機應負壓運行。回轉窯是用于烘干煤粉的設施，內部溫度高達700℃，在此溫度下煤塊有部分揮發分析出; 在初步破碎的過程中會產生少量的細粉，在回轉窯轉動時細粉懸浮在空中形成可燃性粉塵。 綜合這些因素回轉窯內部既有可燃性粉塵也有可燃性氣體，形成氣-固可燃性爆炸物。烘干煤粉的煙氣含氧量高達12% ，回轉窯內部同時具備發生爆炸事故的三要素，因此急需對其氣-固可燃性爆炸物的最低點火能、爆炸下限等性質進行研究，開發連鎖保護裝置，以杜絕爆炸事故的發生。
1.2 煤粉安定儲存技術
煤粉儲存的關鍵裝置是煤粉儲存塔(罐) ，儲罐本體是在常壓下使用的耐壓容器( 設計壓力不低于0.35 MPa)，為了防止靜置煤粉壓實“結壁”和起拱架橋，根據煤粉的流動特性，在煤粉存儲塔(罐)下部設計半錐角小于20°的錐斗，并在錐斗壁面開孔通入壓縮空氣。從煤粉的安全性考慮，煤粉儲存塔(罐)結構及其附屬設施設置通常要采用多種安保措施，包括靜電接地、殼體耐壓、防爆門泄爆、傳感器監控及惰性氣體保護等，結構如圖1所示。運行過程中，來自煤粉加工廠或配送中心的密閉罐車與煤粉儲存塔(罐) 燃料加注管快速對接。罐車內的煤粉被車載壓縮空氣或用戶自備壓縮空氣加壓流化，進料閥門開啟，煤粉流即以密相的形式快速注入罐內。風粉分離，煤粉靠自重下落，輸送風則通過煤粉儲罐頂部的布袋除塵器過濾后排入大氣。若發現罐內溫度快速升高并超過警戒溫度或CO濃度報警，應啟動惰性氣體保護裝置，即先從罐體底部注入N2，置換罐內O2，再從頂部注入CO2，覆蓋煤粉表面，起到隔絕空氣的作用。
圖 1 煤粉儲存罐結構示意
目前國內多數從業廠商缺乏煤粉存儲安全知識，在設計、安裝煤粉儲存塔(罐) 時存在重大的安全隱患，如將煤粉儲塔(罐) 置于全封閉建筑物內，有發生自燃甚至爆炸的危險。為了保證煤粉工業鍋爐行業健康有序發展，應圍繞在密閉空間內煤粉的自燃發火特性開展研究，為形成煤粉儲罐完整的自主安全技術規范提供理論依據。
1.3濃相煤粉輸送技術
供料器是煤粉工業鍋爐中最為主要的設備，具備無脈動、高固氣比連續穩定地給燃燒器供料的功能。供料不穩定，極易發生爐膛爆燃事故，為了保證鍋爐穩定運行，供料偏差不得超過±3% 。近年來，國內自主煤粉供料技術主要有3類: ①借鑒電站鍋爐系統的供料設備，如葉輪給粉機; ②粉體輸送設備，如(改良) 螺旋輸送機; ③引進國外的技術產品，如氣錐結合鎖氣閥。前2類均為稀相供料，固(煤粉) 氣(空氣) 比一般小于 0.3 kg/m3，初始點火困難，不適合應用于煤粉工業鍋爐領域。只有第3類為濃相供料，具備快速著火的條件，可應用于煤粉工業鍋爐領域。
隨著對煤粉流動特性認識的不斷深入，供料器從螺旋結構形式升級為主動二次活化式。主動供料器的形式包括“星鳥”耦合文丘里(圖2) 、多孔雙轉盤及轉子秤等。煤粉經過底部星型卸料閥周期性地卸入到中間緩沖倉，中間緩沖倉錐斗壁面多點通氣，使煤粉吸氣快速活化，流動性顯著增強。密度分布均一的煤粉流，依靠重力經錐斗出口進入“星鳥”耦合文丘里閥組。閥組連續均勻排出的煤粉落入高速引射流混合器組件，與一次風瞬間完成散射混合，形成高濃度風粉流。風粉流依靠一次風機提供的動力，經風粉管道源源不斷濃相送出，進入下游燃燒器。“星鳥”耦合文丘里具備二次活化、均勻連續喂料以及引射流混合發送的特點，試驗表明在供料速率2.4～4.0t/h 的工況下，“星鳥”耦合文丘里供料偏差為±1% 。
圖2“星鳥”耦合文丘里供料器
1.4 煤粉燃燒器
煤粉燃燒器是煤粉鍋爐燃燒系統中的關鍵設備。煤粉氣流的著火過程、爐膛中的空氣動力和燃燒工況，主要由燃燒器的結構和爐膛的布置方式決定。因此，燃燒器的性能對煤粉燃燒設備運行的可靠性和經濟性起到主要的作用。
工業鍋爐煤粉燃燒器大多是借鑒電站鍋爐燃燒器的設計，在此基礎上進行改造后應用于煤粉工業鍋爐領域。煤粉燃燒器的形式很多，就基本原理來分，可分為旋流式燃燒器和直流式燃燒器2 大類。旋流式煤粉燃燒器是利用其能使氣流產生旋轉的導向結構，使旋轉氣流形成有利于著火的回流區。按照產生旋轉氣流方法的不同，旋流式燃燒器可分為蝸殼式、軸向葉片式和切向葉片式 3 類，不同的組合形成了多種不同類型的旋流煤粉燃燒器。無論哪種結構的旋流煤粉燃燒器，其產生的旋轉氣流，在氣流的出口形狀、形成的回流區大小、回流強度以及氣流混合特性等方面，都應能保證煤粉穩定著火與燃燒的要求。直流式燃燒器噴出的一、二次風都是不旋轉的直流射流，噴口一般都是狹長形。
煤粉工業鍋爐停爐、啟爐的頻率要遠高于電站鍋爐，燃燒器要具備迅速著火的特點;相比電站鍋爐，煤粉工業鍋爐還有負荷調節范圍寬且占地面積小的特點。綜合這些因素，將電站鍋爐煤粉燃燒器直接應用于煤粉工業鍋爐中存在諸多問題。國內小容量直噴煤粉燃燒器主要存在初始點火困難和負荷調節范圍窄的問題。若煤粉工業鍋爐低于60%負荷運行，極易形成脫火，進而存在發生爆燃事故的安全隱患。為了解決煤粉燃燒不穩定的問題，可采取在燃燒器周圍敷設衛燃帶的措施，但此措施在爐膛結渣(焦)、傳熱能力下降時存在發生爆燃、爐膛溫度和排煙溫度過高的安全隱患。在煤粉工業鍋爐領域，煤炭科學技術研究院有限公司借鑒Dr.schoppe燃燒器的燃燒組織原理設計的中心逆噴雙錐燃燒器(圖3) 在煤粉工業鍋爐燃燒器領域取得突破。相比其他旋流式燃燒器，此燃燒器沒有單獨設立回流室，僅靠組織流場形成回流區，體積小，且在回流區內，煤粉快速升溫至1000℃，形成了高溫空氣燃燒。結合濃相送粉技術，燃燒器同時具備迅速點火、負荷調節范圍寬，火焰穩定和低氮的優點，為煤粉工業鍋爐安全可靠的運行提供了技術支撐。
圖3中心逆噴雙錐燃燒器
1.5 鍋爐本體
煤粉工業鍋爐同其他鍋爐一樣，是“鍋”和“爐”的有機結合體。“鍋”主要涉及工質(如水) 循環動力和換熱的問題。“爐”主要是穩燃室的自然延伸部分，涉及煤粉燃燒及燃盡問題。煤粉工業鍋爐本體主要有 WNS 異型爐膛火管鍋殼形式、DZS膜式壁爐膛耦合鍋殼對流換熱面形式和 DHS 全膜式壁爐膛耦合蛇形管( 或鍋殼，用于大型熱水鍋爐)對流換熱面形式3種，根據容量采用不同的鍋爐本體。容量 4～25 t /h鍋爐采用 WNS異型爐膛火管鍋殼型式( 穩燃式內置) 的鍋爐本體，該本體無出灰口，單(或雙)燃燒器水平或不小于8°傾斜前置，可以取消引風機，使鍋爐在 0～200 Pa 壓力下運行。WNS 鍋爐本體的特點是結構緊湊、強度高和氣密性好，具有現場施工量小和維護保養簡單等優點，適用褐煤、長焰煤等低階煤粉。容量 25 ～40t /h 鍋爐采用 DZS 膜式壁爐膛耦合鍋殼對流換熱面型式，單燃燒器水平或傾斜前置，用90°全膜式壁整體水平彎頭狀回燃室，連接上游全膜式壁爐膛及下游鍋殼式 (煙) 火管對流換熱面。由于用高速(煙) 火管取締傳統低速管廊，既提高了對流傳熱效果，又避免了低負荷積灰問題。此鍋爐本體模塊化組裝，現場施工量小，燃料可擴展至不黏煤粉。容量40～160t /h 鍋爐采用DHS 全膜式壁爐膛耦合蛇形管對流換熱面形式，其為全立式結構，單(或雙) 燃燒器垂直頂置，火焰下噴。低溫過熱器置于水平煙道內，燃料可以擴展至弱黏煤、氣(肥)煤粉。
總的來看，相比鏈條爐、排渣爐及循環流化床鍋爐結構，設計煤粉工業鍋爐本體主要考慮以下 3 個因素: ①容積熱負荷與鍋爐本體爐膛要協調。容積熱負荷過高，溫度高，爐膛內部容易結渣; 容積熱負荷過低，爐膛水冷度增加，不利于火焰穩定傳播，容易發生“脫火”現象。②煤粉火炬的幾何形態，火炬的形態決定了爐膛的三維尺寸，應保證擴展后的火焰任何時候不與輻射受熱面接觸，同時高溫煙氣流動至對流換熱面時，溫度應低于煤灰的變形溫度。③“鍋”的支撐(或懸掛) 方式，這一因素對中高參數蒸汽鍋爐尤為重要，支撐(或懸掛) 方式不合理，容易引起鍋筒、水冷壁管及集箱等柔性體失穩的問題。
國內煤粉工業鍋爐制造實力雄厚，加工手段齊全。但與國外發達國家相比，存在技術標準和規范不完善、本體設計及結構設計能力薄弱的問題，特別是容量小于30t/h 的中小型鍋爐。截至目前，大多數廠商沒有明確的鍋爐本體技術思想，仍停留在簡單套用常規層燃鍋爐的結構設計，存在鍋爐本體氣密性差、運行環境惡劣、爐膛結渣、停爐頻繁等問題。
1.6 低排放煙氣凈化技術
相對于電站鍋爐，煤粉工業鍋爐分散且容積小，因此電站鍋爐昂貴的煙氣凈化技術不能完全照搬到煤粉工業鍋爐上，只能開發適應于煤粉工業鍋爐特點的低成本煙氣凈化技術。
現有的除塵裝置分為4類: 機械力除塵器、濕式除塵器、過濾式除塵器和電除塵器。在煤粉工業鍋爐中，采用機械力除塵器和過濾式除塵器聯合除塵，不采用濕式除塵器和電除塵器，主要是因為在煤粉工業鍋爐運行場地，電袋除塵器的運行成本高。采用布袋除塵，在過濾煙速不超 0.8 m /min，塵排放濃度可以控制在10mg/Nm3(標況)以下，但布袋除塵器目前存在的主要問題是濾袋及脈沖閥的壽命短。
降低NOx排放的主要技術措施分為3類，即普遍采用的低NOx燃燒技術、爐膛噴射脫硝和煙氣脫硝技術。其中低NOx燃燒技術分為煙氣再循環、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和高溫空氣燃燒。對于煙氣再循環，由于煙氣再循環率的增加是有限度的，對于大型鍋爐通常控制在10%～ 20% ，此時煤粉爐的NOx排放濃度降低25% 。對于中小型煤粉工業鍋爐來說煙氣再循環率更低，降低 NOx 排放濃度有限，此項技術目前不太適合應用于煤粉工業鍋爐領域; 對于燃料分級燃燒，由于煙氣在再燃區停留時間相對較短，必須保證較高的燃燒速率，所以二次燃料宜選用高揮發分易燃且粒度更細的煤粉，對煤粉提出了苛刻的要求，不能廣泛應用于煤粉工業鍋爐領域;對于空氣分級燃燒，在保證煤粉燃盡(煙氣中CO排放質量濃度低于150 mg/m3 )的前提下，拉長火焰長度，減少高溫區，有效抑制NOx的生成。結合高溫空氣燃燒器，通過分級燃燒技術能將 NOx濃度控制在100×10-6以下。綜上所述，空氣分級燃燒和高溫空氣燃燒是煤粉工業鍋爐首選的降低NOx的技術。此外，爐膛噴射脫硝可以作為低氮燃燒技術的后續，進一步降低NOx的排放，而干法煙氣脫硝技術，由于催化劑的成本比較高，脫硝催化劑反應的溫度范圍高于排煙溫度，因此在煤粉工業鍋爐中不能被廣泛應用。
燃燒后的脫硫技術主要分為濕法脫硫、半干法脫硫和干法脫硫。煤炭科學技術研究院有限公司自主研發的爐內固硫耦合高倍率灰鈣循環煙氣脫硫技術(NGD，No Gap Desulfurization)充分挖掘和利用煤粉快速升溫及爐膛內溫和的溫度場，用煤粉中的原生鈣質碳酸鹽及預先摻混入煤粉中的石灰石，在燃燒過程中吸附50%以上的 SO2，同時將剩余的石灰石煅燒成活性CaO。系統中富含CaO的活性灰，通過富集、增濕，循環返回布袋除塵器上游一段立管式煙道做成的反應器，繼續脫除煙氣中剩余的 SO2、SO3、HCl、HF等酸性氣體，同時脫除重金屬 Hg及As。與所有濕法脫硫工藝比，NGD技術具有流程簡單、占地面積小、耗水少、運行成本低廉等特點，是一種經濟、實用的創新技術。如同煤粉供料器一樣，NGD技術的關鍵與難點仍然在于含鈣飛灰的連續穩定給料。
2、經濟效益分析
截至2014年底，煤粉工業鍋爐已在全國多個省市地區進行推廣應用，目前鍋爐產品在市場上最大單機容量為80t/h。以江蘇宿遷某工業園區容量60t/h 供汽項目進行技術經濟分析，該項目熱工與環保的第三方檢測結果見表1。
經該項目運行單位核算，使用煤粉工業鍋爐替代鏈條鍋爐，節能和經濟性情況見表2。與項目建設前使用燒散煤的鏈條鍋爐相比，每生產1t蒸汽可節約標準煤0.04t，節煤率為27.3% ;可節約成本17.1元，成本下降14.3% 。按年運行7000 h 計算，共生產蒸汽84萬t，與之前使用鏈條鍋爐相比，每年可節約標準煤 3.36萬t，成本降低1436.4萬元。
表1宿遷項目熱工及環保檢測結果
表2宿遷項目節能和經濟性能比較
根據已有的應用經驗，我國的高效煤粉工業鍋爐仍應定位于升級傳統的燃煤工業鍋爐，并能與油、氣燃料實現互換，且容量一般小于130 t /h。同時受燃料和燃燒環境的限制，容量10 t /h 以下的工業鍋爐還應以油氣為主。從熱工與環保檢測結果可以看出，煤粉工業鍋爐的熱效率與天然氣鍋爐相當，而大氣污染物排放水平已優于最苛刻的天然氣特別排放限值要求。
3、結論及建議
1) 在煤粉制備整個工業流程，各個設備應保持良好的密封性，回轉窯、磨機應負壓運行，避免車間內的揚塵，預防發生“粉塵云”爆炸事故。由于回轉窯內部同時具備發生爆炸事故的三要素，急需對其最低點火能、爆炸下限等性質進行研究，開發連鎖保護裝置，杜絕惡性爆炸事故的發生。
2) 在煤粉運輸過程中，煤粉配送由加裝氮氣保護的專用罐車完成，設計煤粉儲存塔時，應采取多種安保措施，充分考慮設置CO、CH4 等氣體以及溫度的監測和報警裝置、配備多組分惰性保護裝置和重力式防爆門裝置。
3) 煤粉濃相( 著火) 燃燒組織、穩燃室半煤氣燃燒組織、爐膛溫和燃燒組織是煤粉工業鍋爐區別于電站鍋爐的三大核心技術。三大核心技術使煤粉工業鍋爐既能很好地滿足用戶啟停頻繁、負荷變動幅度大的要求，也能為污染物控制最大限度地創造有利條件。
4) 電站鍋爐昂貴的煙氣凈化技術不能完全照搬到煤粉工業鍋爐上，只能開發適應于煤粉工業鍋爐特點的低成本煙氣凈化技術。目前宜采用機械力除塵器和過濾式除塵器聯合除塵、分級低氮燃燒耦合 SNCR 脫硝以及半干法脫硫技術。
5) 為適應我國快速城市(鎮)化、工業園區化大形勢，煤粉工業鍋爐未來的發展趨勢是: 一是滿足區域性調峰鍋爐房動輒總容量每小時數百蒸噸的需求，高溫熱水鍋爐應適當大容量化; 二是滿足能量梯級利用的需求，蒸汽鍋爐應中、高參數化，通過拖動汽輪機部分發電，可顯著改善用戶經濟效益; 三是滿足苛刻的環保要求，污染物排放控制應超低化或近零化。
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