裴连军¹  黄鸾²  尚庆雨³  高少东⁴  韩崇刚⁵

 

（1.天津能源投资集团有限公司, 天津 300100；2.天津市热电设计院有限公司 天津 300204；3.煤炭科学技术研究院有限公司节能工程技术研究分院，北京 100013；4.天津能源投资集团技术中心,天津 300204； 5.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

 

摘  要：以天津华苑5×58MW煤粉锅炉项目为例，介绍了大型高效煤粉工业锅炉的工艺流程、关键技术及配套烟气治理技术和设施。经测试，锅炉平均热效率93.32%；经检测，烟尘≤3.75mg/m³、SO2≤15mg/m³、NOx≤84mg/m³；经核算，该锅炉每年运行成本降低1440万元。天津华苑5×58MW煤粉锅炉项目运行参数验证了该大型高效煤粉工业锅炉具有节能环保效果，并由此工程项目对工业锅炉得到如下结论和建议：1、相比传统的链条锅炉，煤粉工业锅炉的节能效率至少提高10%；2、采用分级低氮燃烧技术的煤粉工业锅炉从源头上降低了氮氧化物的排放，结合SNCR和SCR脱硝技术能达到超低排放的标准。3、过滤式除尘+湿电除尘技术使此系统的烟尘排放低于3.75mg/m³；石膏湿法脱硫技术使SO2排放低于15mg/m³。该项目节能减排效益显著，达到了煤炭清洁利用的目的，为天津地区乃至京津冀地区调整能源结构、破解能源供应瓶颈寻找了一条很好的出路。

关键词：高效煤粉锅炉系统；烟气治理；节能环保；热效率

 

0　 引  言

随着我国工业化和城市化进程的加速，我国中东部地区大气复合污染的态势日益严峻，突出表现为京津冀、长三角和珠三角等城市重度雾霾现象频发。据有关部门统计，中国（含港澳台地区）工业燃煤总量占世界总消费量的 50%以上 ^[1-4] ，工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的30%～40%。火力发电用煤占工业燃煤总量的50%以上^[5]，工业锅炉约为20%。目前全国燃煤工业锅炉总数近60万台^[6]，占现役工业锅炉总数的85%^[7-8] 且每年以1.5% 左右的速度增长。

调查结果表明，燃煤工业锅炉容量在20t/h以下的约占80%，我国20t/h以下燃煤工业锅炉实际平均热效率为60%-65%。另外，我国燃煤工业锅炉普遍存在环保设施简陋，污染严重等问题。我国容量在10t/h以下的工业锅炉基本没有脱硫，对环境造成了严重污染。容量在20t/h以上的燃煤工业锅炉基本上都配备了脱硫设备，且脱硫设备多为脱硫除尘一体化的水浴除尘器、水膜除尘器，但是运行效果较差，平均效率为30~40%。据统计我国工业锅炉每年向大气排放的SO2 高达500多万吨，约占全国SO2总排放量的21%，烟尘排放量达620t，约占全国总烟尘排放量的33%。另外氮氧化物也是燃煤的主

要污染物之一，大气中 67%的氮氧化物由煤燃烧所产生^[9]。氮氧化物与全球变暖、酸雨及臭氧层的破坏有直接关系。氮氧化物作为主要的细颗粒物的前驱物，也是形成灰霾的二次颗粒物的主要来源^{[10, 11]}。工业锅炉烟气治理落后、治理难度大、监管困难，其排放造成的污染已经超过了电站锅炉。为了使大气污染状况得到改善，提高燃煤工业锅炉的燃烧效率以及降低污染物的排放迫在眉梢^[12]！

为解决燃煤工业锅炉行业存在的这些问题，国内各界曾先后通过自主开发及国际合作，开展了大量燃煤工业锅炉优化升级等方面的工作，掌握了多项关键技术。近年来已成功研发出中小型煤粉燃烧技术系统^[13-15]，全程优化配风及运行自动诊断技术、燃煤工业锅炉烟气除尘、脱硫一体化等技术。不仅提高了燃煤工业锅炉的燃烧效率，又从源头上减少了污染物的排放。

为缓解天津市燃气供应压力，有效解决供热负荷热源不足的问题，天津市政府组织工信委及能源集团专题调研、论证，确定华苑5×58MW煤粉供热锅炉为天津市煤炭清洁利用试点项目。本文将以天津华苑5×58MW煤粉锅炉项目为例，介绍了大型高效煤粉工业锅炉的工艺流程、关键技术及配套烟气治理技术和设施。

1．项目概况天津华苑5×58MW煤粉锅炉位于华苑供热管理所，总投资6.6亿元，其中设备投资4.8亿元。该项目出资方天津市热力公司，隶属于天津能源投资集团有限公司。天津能源投资集团有限公司成立于2013年5月30日，是经天津市委、市政府批准，由天津市津能投资公司和天津市燃气集团有限公司重组而成，为天津市国资委出资监管的国有独资公司。天津市热力公司华苑供热管理所，于2004年建成运行，位于西青区中北镇。供热区域为华苑产业园环外部分、第三高教区、中北镇居住区、中北工业园和侯台科技园区以及华苑产业园西侧规划区。供热面积：规划供热面积为1200万平米，实际供热面积780万平方米。锅炉容量：已建成4台58MW、2台46MW燃煤热水锅炉、3台35吨蒸汽锅炉，新建5台58MW煤粉锅炉。锅炉总容量614MW热水锅炉和105吨蒸汽锅炉。

新建5台58MW煤粉锅炉房由天津市热电设计院有限公司设计，锅炉系统采用了煤科院煤粉燃烧技术系统，其中供料单元为最新的“星鸟”耦合文丘里供料器，燃烧单元核心是中心逆喷双锥低氮燃烧器。烟气治理采用布袋除尘与湿电除尘相结合，脱硝同时采用了选择性催化还原（SCR）+选择性非催化还原（SNCR），脱硫采用石灰石膏湿法脱硫。

图 1  天津华苑5×58MW煤粉锅炉房全景图

 

  2．工艺流程设计

煤粉工业锅炉一般是由煤粉储存系统 、供料系统、燃烧系统、锅炉系统、烟气污染物联合脱除系统、粉煤灰存储系统、点火油系统、压缩空气系统、惰性气体系统及测控系统10 个子系统组成。煤粉工业锅炉系统采用以下工艺流程：制备好的煤粉通过气力输送输送至煤粉塔暂时储存，塔内煤粉按需进入中间计量仓后由供料器及风粉混合管道送入煤粉燃烧器，燃烧器和锅炉炉膛构成燃烧系统。燃烧换热后的烟气进入脱硝装置后再进入布袋除尘器。除尘器排出的烟气经引风机引至脱硫装置进行脱硫后进入湿电除尘，再由烟囱排至大气，布袋收集的飞灰密闭排出，集中处理。锅炉系统的运行由点火程序控制器和上位计算机监控系统共同完成。高效煤粉锅炉系统总工艺流程图如图2所示。

                           图 2  高效煤粉锅炉系统工艺流程图 

 

3．几个关键技术 3.1. 煤粉安定储存技术

煤粉储存的关键装置是煤粉塔，为了防止静置煤粉在压实的情况下结壁或起拱架桥，根据煤粉的流动特性，在煤粉塔下部设计半锥角小于20°的锥斗^[16]，并在锥斗壁面增设流化装置。考虑煤粉的安全性，煤粉塔结构设有静电接地、防爆门泄爆、传感器监控及惰性气体保护等装置及措施。运行过程中，若罐内温度快速升高并报警，应立即启动惰性气体保护装置，即先从塔体底部注入N2，再从顶部注入CO2，覆盖在煤粉表面，隔绝空气。

3.2浓相煤粉输送技术

供料器是煤粉锅炉中最为重要的设备，供料不稳定，导致燃烧不稳定，炉膛负压波动较大，膜式壁震动，喷灰等现象，情况严重的会发生炉膛爆燃事故。为了保证锅炉稳定运行，供料偏差不得超过±３％。此项目采用煤炭科学技术研究院有限公司最先研发的“星鸟”耦合文丘里供料器，随着对煤粉流动特性以及文丘里输送特向认识的不断深入，供料器从螺旋结构形式升级为“星鸟”耦合文丘里供料器，具备二次活化、均匀连续喂料以及引射流混合发送的特点。煤粉经过顶部星型卸料

阀周期性地卸入到中间缓冲仓，中间缓冲仓锥斗壁面多点通气，使煤粉吸气快速活化，流动性显著增强。密度分布均一的煤粉流，依靠重力经锥斗出口进入“星鸟”耦合文丘里阀组。阀组连续均匀排出的煤粉落入高速引射流混合器组件，与一次风瞬间完成散射混合，形成高浓度风粉流。风粉流依靠一次风机提供的动力，经风粉管道源源不断浓相送出，进入下游燃烧器。采用“星鸟”耦合文丘里供料器供料稳定，供料偏差为±１％，燃烧稳定，炉膛负压波动较小。

                                  图3 “星鸟”耦合文丘里供料器

  3.3　低氮煤粉燃烧技术

煤粉燃烧器是煤粉锅炉燃烧系统中的关键设备。煤粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要由燃烧器的结构和炉膛的布置方式决定。因此，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备运行的可靠性和经济性起到主要的作用。此项目采用煤炭科学技术研究院有限公司专利产品低氮煤粉燃烧器。借鉴Dr.schoppe燃烧器的燃烧组织原理设计的中心逆喷双锥燃烧器（图4）在煤粉工业锅炉燃烧器领域取得突破。相比其他旋流式燃

烧器，此燃烧器没有单独设立回流室，仅靠组织流场形成回流区，体积小，且在回流区内，煤粉快速升温至1000 ℃，形成了高温空气燃烧。结合浓相送粉技术，燃烧器同时具备迅速点火、负荷调节范围宽，火焰稳定和低氮的优点，为锅炉安全可靠的运行提供了技术支撑。 

图4 中心逆喷双锥燃烧器

 

3.4锅炉本体

锅炉本体，首先是“锅”和“炉”的有机结合体。“锅”的作用主要涉及工质( 如水) 循环动力和换热的问题，在这里主要讨论“炉”。“炉”主要是指稳燃室和炉膛，其作用涉及煤粉是否能够及时点燃、燃烧稳定性及燃尽率问题。煤粉工业锅炉本体结构主要有WNS 卧式异型炉膛水火管锅壳形式及DZS（单锅筒纵置式）、DHS（单锅筒横置式）三种结构形式。相比链条炉排锅炉及循环流化床锅炉结构，设计煤粉工业锅炉本体主要考虑以下3 个因素: ①炉膛容积热负荷qv；炉膛容积热负荷表明在单位炉膛容积内每小时燃料燃烧所释放的热量，是设计炉膛时需选用的一个重要的热力参数。qv反映炉膛容积的大小，还反映燃料在炉膛内的停留时间，直接影响炉内的温度水平；取高值，炉膛容积减小，炉内温度水平高；取低值，可以防止水冷壁结焦；qv选取的原则为燃料的燃尽条件和烟气的冷却条件。②煤粉火炬的几何形态，火炬的形态决定了炉膛的三维尺寸，应保证扩展后的火焰任何时候不与辐射受热面接触，同时保证高温烟气至炉膛出口时温度应比灰的变形温度低50℃，防止尾部的对流受热面结焦。③锅炉的支吊方式，这一因素对中高参数蒸汽锅炉尤为重

要，支吊结构不合理，容易引起锅筒、水冷壁管及集箱等受压部件膨胀不均、焊缝开裂及锅炉结构失稳等问题。本项目5台58MW煤粉锅炉充分考虑以上因素，选用炉膛采用DHS 全膜式壁炉膛，其为全立式结构，双燃烧器垂直顶置，火焰下喷；对流受热面采用烟火管结构，为增加传热，烟火管采用螺纹烟管锅壳结构。彻底消除了锅炉本体气密性差、运行环境恶劣、炉膛结渣、停炉频繁等问题。

3.5锅炉尾气综合利用技术

此项目配备的煤粉制备系统需要高温烟气，为节省耗煤量和控制煤粉制备的氧含量，该项目采用120 ℃烟气与热风机所产生的高温烟气进行混合使混合后的烟气达到280 ℃对煤粉制备系统进行烘干。锅炉尾气的利用一是充分利用了120 ℃的排放烟气节约了能源，通过计算每台磨一个采暖季能节省约49万元。（一台磨机需要烟气量8.8万Nm3/h，每台磨每小时节能56.36kJ/ Nm3*8.8万Nm3=4960MJ，折0.2t煤粉，合0.2*850=170元/小时）两台磨机每采暖季节省98万。二是通过尾气的利用提高了安全保护同时节省了氮气量的制备，保证了制粉系统烟气的含氧量在安全的范围内，确保了制粉系统的安全可靠。

3.6锅炉测控系统

锅炉测控系统由传感器仪表系统、DCS控制系统、通信系统、视频监控系统等子系统组成。测控系统的具体功能包括点火、熄火保护，运行数据采集与整理，故障报警与分析诊断，过程状态控制与调整等。该项目锅炉控制方式采用上位集控/柜体盘面就地，两种方式可转换。锅炉正常运行生产时，使用集控自动方式，设备按工艺要求的顺序和流程由中央控制台控制、联锁保护；可在中央控制台操作各设备，有互锁和联动关系；就地时，在现场操作可启停设备。锅炉测控系统采用分散控制、集中管理方式。本系统在网络结构上分为设备控制层和中央监控层。控制层采用DCS作为控制站，各控制站之间以及控制站与中央监控层操作站之间通过工业以太网总线构成一个整体网络。DCS系统包含：数据通讯系统、数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）等。这些子系统实对锅炉装置及其辅助系统的调节控制。

计算机和控制柜盘均可实现对引风机、鼓风机、一次风机，燃油泵及给水泵、出渣机及锅炉各进出口电动阀等设备的启/停控制、转速调节和安全连锁；同时设有各辅机动力柜的现场控制操作，实现了现场操作和计算机操作的二级联控；锅炉控制采用工业

控制计算机、DCS控制器，和现场仪表组成的控制系统。系统采用“一对一”型，即每个控制站独立控制一台锅炉，另一台锅炉不工作时其控制站及相关一次表能独自断电。对锅炉房各关键点进行视频监控并配备一套独立的计算机系统，实现了对供暖系统各运行参数的有效监控及锅炉安全可靠、平稳高效的运行。

4．配套烟气治理措施

采用双除尘：低温受热面出来的烟气首先通过布袋除尘器，布袋除尘的除尘效率在99.8%以上。布袋除尘后的烟气通过湿法脱硫后进入湿式静电除尘，可高效捕集PM2.5颗粒，同时解决脱硫系统产生的石膏雨、SO3气溶胶等问题，湿电除尘后的烟气粉尘含量小于5mg/m3。采用低氮燃烧与脱硝相结合：低氮燃烧技术，NOx初始排放低于300mg/m³；选择性非催化还原SNCR（炉内脱硝），选择性催化还原SCR（炉外脱硝）NOx最终排放低于50mg/m³。采用石灰石膏法脱硫：按照本工程二氧化硫排放浓度要求，脱硫效率不小于98.4％，脱硫喷嘴采用国际领先水平的氮化硅脱硫喷嘴，雾化效果好，使用寿命长（使用寿命10年以上）。

5．节能环保效益 5.1能效测试

本试点工程于2016年1月上旬陆续交付使用，已运行2个月，截止目前累计运行约600 h以上，总体运行情况良好。抽查其中两台锅炉，经北京市煤炭节约办公室节能监测中心对系统热工性能测试结果表明：4#锅炉当煤用收到基低位发热量为27.86MJ/Kg煤粉时，锅炉出力为57.36MW ,锅炉排烟温度112.30 ℃、排烟处空气过剩系数1.23、飞灰可燃基含量12.50%、锅炉系统正平衡效率93.88%、反平衡效率92.76%、平均效率93.32%，见表1。5#锅炉当煤用收到基低位发热量为29.25MJ/Kg煤粉时，锅炉出力为58.94MW ,锅炉排烟温度118.74 ℃、排烟处空气过剩系数1.17、飞灰可燃基含量5.39%、锅炉系统正平衡效率92.76%、反平衡效率93.92%、平均效率93.34%，见表2。

表1：4#炉试验结果汇总

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燃煤种类	锅炉出力 （MW）	正平衡效率（%）	反平衡效率（%）	排烟温度 Tpy(℃）	排烟处过量空气系数apy	飞灰可燃物含量C1z(%)
煤粉	57.36	93.88	92.76	112.30	1.23	12.50
锅炉平均出力（MW）		57.36		锅炉平均效率（%）		93.32