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節(jié)能環(huán)保
工業(yè)領域煤炭清潔高效燃燒利用技術現(xiàn)狀與發(fā)展建議
2019-05-06 09:16:23   來源: 中國網(wǎng)

 

我國煤炭的基礎能源地位將維持相當長時間,據(jù)預測,2030年前我國能源消費需求仍將持續(xù)穩(wěn)定增長,其中年煤炭消費量仍將保持在35億噸,占能源消費總量的50%左右。盡管煤炭消費占一次能源消費總量比重從2011年的70.2%下降為2017年的60.4%,但是煤炭燃燒利用占煤炭消費量比重仍超過80%。2017年我國煤炭消費總量為38.28億噸,其中燃煤發(fā)電用煤占比52%,鋼鐵、建材、化工占比37%。目前,我國發(fā)電領域70%的燃煤發(fā)電機組已經(jīng)實現(xiàn)超低排放,達到了天然氣燃燒排放水平;除發(fā)電領域外的工業(yè)領域依然呈現(xiàn)燃燒利用水平不高、排放污染嚴重、技術裝備落后的狀態(tài),污染物排放貢獻度超過70%。當前工業(yè)領域煤炭清潔高效燃燒利用的科技支撐不足,基礎研究相對薄弱,關鍵核心技術支持不夠,對顛覆性變革技術創(chuàng)新關注不足,采用發(fā)電領域的尾部為主的煙氣凈化系統(tǒng),成本昂貴而無法應用。近年來,霧霾已經(jīng)成為我國“民生之痛”,并被作為自然災情進行預告和防治。工業(yè)領域煤炭利用的粗獷方式使其成為造成霧霾的“元兇”之一。因此,工業(yè)領域煤炭清潔高效燃燒利用技術發(fā)展尤為重要:提高燃燒利用水平,實現(xiàn)超低排放,是徹底解決煤炭作為清潔能源利用的關鍵和目標;創(chuàng)新驅動將是煤炭清潔高效利用的重要保障,也是我們打贏污染防治攻堅戰(zhàn)和藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要支撐。工業(yè)領域煤炭高效清潔燃燒利用技術亟待根本性革命。

煤炭清潔高效燃燒利用技術國內外現(xiàn)狀

發(fā)電領域國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

煤炭燃燒利用在國際上主要用于集中發(fā)電,在發(fā)達國家發(fā)電用煤占比超過80%。近年來,主要燃煤發(fā)電國家都在為實現(xiàn)發(fā)電凈效率大于50%的目標努力,研發(fā)多能互補發(fā)電技術、智能發(fā)電技術,以實現(xiàn)燃煤發(fā)電的安全高效和靈活智能。大型燃煤發(fā)電鍋爐在氣體污染物控制方面大多數(shù)采用脫硫、脫硝和其他多種污染物聯(lián)合控制技術,已廣泛商業(yè)化應用,其中日本及歐美發(fā)達國家和地區(qū)處于先進行列。燃煤鍋爐最初分別對顆粒物、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)進行控制,形成了豐富多樣的單一污染物控制技術,滿足了不同機組的環(huán)保要求。隨著對污染物協(xié)同控制機理的認識,對燃煤煙氣中2種及以上污染物進行聯(lián)合控制,降低煙氣凈化成本,實現(xiàn)鍋爐在全負荷范圍內的污染物高效脫除,已經(jīng)成為燃煤污染物控制技術發(fā)展的重要趨勢,并成為研究熱點和難點。

我國已投入運行的大型超臨界參數(shù)的燃煤發(fā)電機組超過430臺,能效指標、污染物排放指標均進入世界先進行列,鍋爐實現(xiàn)了高效燃燒,熱效率一般大于91%。我國燃煤電廠大多數(shù)的污染物控制技術和裝備已實現(xiàn)國產(chǎn)化;我國燃煤機組大氣污染物排放執(zhí)行世界上最嚴格的標準。截至2018年底,燃煤電站實現(xiàn)超低排放改造占比達到70%,處于世界領先水平。

燃煤工業(yè)鍋爐國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

除電力領域外,工業(yè)領域煤炭燃燒利用形式主要為中、小型燃煤工業(yè)鍋爐供熱。燃煤工業(yè)鍋爐目前在歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)仍有應用,其中大多數(shù)為鏈條鍋爐和煤粉鍋爐,其燃料質量控制、燃燒技術及自動控制均已達到很高水平。德國是世界上工業(yè)煤粉鍋爐技術水平最高的國家,其工業(yè)煤粉鍋爐能夠實現(xiàn)全密閉煤粉制備與配送、煤粉精確供料、煤粉濃相燃燒、全自動化無人值守等。國外燃煤工業(yè)鍋爐由于數(shù)量少,燃用高品質煤炭,且燃料特性穩(wěn)定,故鍋爐熱效率較高,但對污染物排放要求并不嚴格。例如,歐盟國家燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放標準為低于200mg/Nm3。在工業(yè)爐窯方面,世界技術領先的有法國的Stein和德國的LOI等,爐窯熱效率高、超低排放、智能運行,且多種煤質燃燒適應性技術先進。

我國在役燃煤工業(yè)鍋爐近50萬臺,約占全國煤炭消費總量的20%。工業(yè)鍋爐排放的煙塵、SO2、NOx分別占全國排放總量的40%、26%、12%左右。工業(yè)鍋爐能源消耗和污染排放均位居全國第二,僅次于電站鍋爐,煤炭消耗量遠高于鋼鐵、石化、建材等高耗能工業(yè)行業(yè)。

我國燃煤工業(yè)鍋爐主要以鏈條爐技術為主,近年來循環(huán)流化床鍋爐技術也得到了很好的應用,總體上技術發(fā)展趨勢是以大容量化為主,并形成35t/h、65t/h、75t/h、130t/h、240t/h的蒸汽鍋爐系列。“十一五”期間,我國開發(fā)出了煤粉工業(yè)鍋爐,并逐步在市場上得到推廣。

我國在一段時期容量為10t/h及以下燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量占總量的80%左右,這類小鍋爐基本上是層燃鍋爐,鍋爐效率低、污染嚴重。2013年我國在《大氣污染防治行動計劃》(國發(fā)〔2013〕37號)文中明確提出全面整治燃煤小鍋爐等多項舉措,并規(guī)定了到2017年,除必要保留的以外,地級及以上城市建成區(qū)基本淘汰10t/h及以下的燃煤鍋爐,禁止生產(chǎn)和新建20t/h以下的燃煤鍋爐。因此,大量被淘汰的小型層燃鍋爐逐漸被大容量的煤粉工業(yè)鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐取代。不過,我國煤粉工業(yè)鍋爐的NOx排放濃度偏高,其技術成熟度還有待提高。隨著國家環(huán)保要求的日益嚴苛,給燃煤工業(yè)鍋爐排放提出了更高的要求,然而燃煤工業(yè)鍋爐存在燃燒技術落后、燃料適用性差、污染物排放高、控制及管理水平落后等問題。目前我國燃煤鏈條工業(yè)鍋爐熱效率平均約70%—80%,循環(huán)流化床和煤粉工業(yè)鍋爐熱效率接近達到90%。NOx原始排放平均水平在200—400mg/Nm3左右,須通過選擇性非催化還原(SNCR)技術、選擇性催化還原(SCR)技術,且輔以低氮燃燒才能實現(xiàn)超低排放(50mg/Nm3),脫硫脫硝費用遠高于鍋爐成本,致使鍋爐煙氣凈化實施困難。

燃煤工業(yè)爐窯國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

國外在燃煤工業(yè)爐窯的清潔燃料制備、高效燃燒及爐型結構、低NOx燃燒技術和燃燒煙氣的深度治理方面進行了大量研究,成果顯著。以耗煤量最大的冶金及建材行業(yè)為例,英國、美國、德國等都對噴吹粉煤技術進行了研究和應用,通過噴吹粉煤技術有效降低了焦煤比,實現(xiàn)了煤炭的高效利用。

我國引進和發(fā)展了高爐噴煤技術、富氧/全氧冶金技術、水泥窯分級燃燒等技術,提升了工業(yè)爐窯的煤炭利用水平。但我國燃煤工業(yè)爐窯的平均熱效率仍比國外先進水平低15%左右,污染排放則更高。2015年統(tǒng)計表明,我國工業(yè)爐窯年煤耗量占全國煤炭消耗總量的8%,NOx年排放量占全國燃煤NOx排放總量的19%,其中以水泥、鋼鐵兩大行業(yè)的爐窯所占比例最大。以我國水泥爐窯污染物排放標準中NOx為例,重點地區(qū)排放控制水平不高于320mg/Nm3,一般地區(qū)不高于400mg/Nm3,江蘇、河南等一些地方省、市、地區(qū)甚至提出不高于100mg/Nm3的排放標準。目前我國水泥爐窯主要采用常規(guī)低氮燃燒器和分級燃燒技術,尾部分解爐采用SNCR脫硝技術,脫硝效率只能達到50%,NOx減排效果不太理想,NOx排放基本在300—400mg/Nm3,但噴入脫硝用的氨水所帶來的氨逃逸問題沒有很好地解決(河南省已將氨逃逸排放濃度列入排放指標,規(guī)定在10%基準氧含量條件下氨逃逸排放濃度不能高于8mg/Nm3);而SCR技術雖然NOx減排效果較好(脫硝效率可達到90%),但是投資、運行和維護成本較高,很難在水泥行業(yè)推廣應用。從日益嚴苛的排放標準來看,水泥爐窯的污染物減排形勢非常嚴峻。

我國工業(yè)領域煤炭燃燒技術的產(chǎn)業(yè)需求

量大、面廣、需求強勁的局面將持續(xù)

我國是世界上擁有燃煤工業(yè)鍋爐最多的國家,這也是我國煤炭為主的能源資源稟賦和經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定的。工業(yè)鍋爐市場需求主要為北方地區(qū)供暖和工業(yè)生產(chǎn)提供蒸汽。截至2016年底,我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億平方米,燃煤取暖面積約占總取暖面積的83%;取暖用煤年消耗約4億噸標煤,其中散燒煤(含低效小鍋爐用煤)約2億噸標煤,主要分布在農村地區(qū)。清潔燃煤集中供暖(工業(yè)鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn))面積僅約35億平方米。此外,燃煤工業(yè)鍋爐約50%以上用于為工業(yè)生產(chǎn)提供蒸汽。據(jù)統(tǒng)計,在我國工業(yè)生產(chǎn)中輕紡工業(yè)、能源工業(yè)、建材業(yè)、建筑業(yè)、化學工業(yè)、冶金工業(yè)和交通運輸業(yè)等行業(yè)均是工業(yè)鍋爐的主要市場。工業(yè)鍋爐需求的容量等級蒸汽量從20t/h到480t/h、熱水鍋爐從14MW到116MW已形成系列產(chǎn)品等級。總體呈現(xiàn)量大、面廣、需求強勁的局面。

我國以煤炭為燃料的工業(yè)爐窯種類較多。以耗煤量較大的水泥工業(yè)為例,2018年我國全年水泥產(chǎn)量達21.8億噸,雖然較2017年減少1.4億噸,但絕對體量仍然較大。根據(jù)水泥大數(shù)據(jù)研究院最新預計,2019年我國水泥產(chǎn)量仍將維持在21億噸左右。截至2018年,我國現(xiàn)有新型干法水泥生產(chǎn)線近1700條,且均以煤炭為主要燃料,按照最新預計的水泥產(chǎn)能計算,年耗標煤2億噸左右。如果這些生產(chǎn)線均實現(xiàn)煤炭清潔高效燃燒利用,達到超低排放水平,水泥行業(yè)對于煤炭燃燒技術的技術升級和裝備升級需求巨大。類似于水泥行業(yè),在鋼鐵、化工等行業(yè)也同樣對煤炭燃燒技術升級有較強的需求。

國家政策助力煤炭清潔高效燃燒技術及裝備升級換代

2014年,《燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程實施方案(發(fā)改環(huán)資〔2014〕2451號)》發(fā)布,指出我國出現(xiàn)的大范圍、長時間嚴重霧霾天氣,與燃煤工業(yè)鍋爐區(qū)域高強度、低空排放的特點密切相關,對地級及以上城市建成區(qū)禁止新建20t/h以下的燃煤鍋爐,并加大對鍋爐節(jié)能環(huán)保基礎性、前沿性和共性關鍵技術的研發(fā)力度。2015年,工信部和財政部聯(lián)合編制了《工業(yè)領域煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020年)》,明確指出在工業(yè)鍋爐等重點用煤領域加強對能耗高、污染重的工藝裝備技術改造,從源頭減少煤炭消耗及污染物的產(chǎn)生。2015年,工信部印發(fā)《2015年工業(yè)綠色發(fā)展專項行動實施方案》,對工業(yè)領域煤炭清潔化利用做出布局,實施燃煤鍋爐節(jié)能環(huán)保綜合提升工程。2016年7月,工信部印發(fā)《高效節(jié)能環(huán)保工業(yè)鍋爐產(chǎn)業(yè)化實施方案》提出,到2020年底,攻克一批高效節(jié)能環(huán)保工業(yè)鍋爐關鍵共性技術,培育一批高效節(jié)能環(huán)保工業(yè)鍋爐制造基地,高效節(jié)能環(huán)保工業(yè)鍋爐市場占有率達60%以上。2018年7月,國務院公布《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》,明確了大氣污染物防治的總體思路、基本要求、主要目標和保障措施,提出了打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的時間表和路線圖。

隨著大氣污染的日益凸顯,國家政策總體上出現(xiàn)了重點地區(qū)“限煤”傾向。因此,從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看,目前靠投資和產(chǎn)能擴張推動行業(yè)發(fā)展增長的方式將遇到瓶頸,工業(yè)領域必須以變革性和顛覆性的煤炭清潔高效燃燒技術及裝備的創(chuàng)新,來推動產(chǎn)業(yè)的升級和新的增長點。

日益嚴格的環(huán)保標準迫使煤炭清潔高效燃燒技術及裝備升級換代

在工業(yè)領域,燃煤工業(yè)鍋爐的大氣污染物排放標準逐步提高。2014年7月1日實施的《鍋爐大氣污染物排放標準》,規(guī)定了新建燃煤鍋爐大氣污染物顆粒物、SO2、NOx排放標準分別為30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。近年來,各地區(qū)在國家標準的基礎上逐步將工業(yè)鍋爐的排放標準向燃煤電站鍋爐排放標準看齊,要求超低排放。表1給出了我國主要省份和城市工業(yè)鍋爐排放標準及標準修訂討論稿,以及與世界發(fā)達國家相應標準的對照。可以看出,我國將執(zhí)行世界上最嚴格的工業(yè)鍋爐排放標準,這將會給技術和產(chǎn)業(yè)升級換代提供巨大機會。


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