隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和城市化進程的加速，我國中東部地區(qū)大氣復合污染的態(tài)勢日益嚴峻，突出表現(xiàn)在京津冀、長三角和珠三角等城市重度霧霾現(xiàn)象頻發(fā)。據(jù)有關部門統(tǒng)計，工業(yè)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(yè)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(yè)鍋爐關鍵技術
   煤粉工業(yè)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(lián)合脫除裝置、灰?guī)臁Ⅻc火油(氣)站、壓縮空氣站、惰性氣體保護站及測控 10個子系統(tǒng)組成。設計、組裝該系統(tǒng)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(tǒng)容易控制，但功能分散、工藝鏈長，僅適用于小規(guī)模制粉。后一種系統(tǒng)工藝簡單，適合大規(guī)模制粉，但對磨機設備及工藝安全性要求高。兩步法工業(yè)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(yè)鍋爐之間可實現(xiàn)無縫對接，根據(jù)應用經(jīng)驗，罐車的經(jīng)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(fā)生爆炸等事故，在煤粉制備整個流程中車間內(nèi)應嚴禁揚塵的出現(xiàn)，各個設備應保持良好的密封性且回轉(zhuǎn)窯、磨機應負壓運行。回轉(zhuǎn)窯是用于烘干煤粉的設施，內(nèi)部溫度高達700℃，在此溫度下煤塊有部分揮發(fā)分析出; 在初步破碎的過程中會產(chǎn)生少量的細粉，在回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動時細粉懸浮在空中形成可燃性粉塵。  綜合這些因素回轉(zhuǎn)窯內(nèi)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(zhuǎn)窯內(nèi)部同時具備發(fā)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(zhì)進行研究，開發(fā)連鎖保護裝置，以杜絕爆炸事故的發(fā)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(jié)壁”和起拱架橋，根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jiān)控及惰性氣體保護等，結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)。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(fā)現(xiàn)罐內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)示意

   目前國內(nèi)多數(shù)從業(yè)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(nèi)，有發(fā)生自燃甚至爆炸的危險。為了保證煤粉工業(yè)鍋爐行業(yè)健康有序發(fā)展，應圍繞在密閉空間內(nèi)煤粉的自燃發(fā)火特性開展研究，為形成煤粉儲罐完整的自主安全技術規(guī)范提供理論依據(jù)。
   1.3濃相煤粉輸送技術
   供料器是煤粉工業(yè)鍋爐中最為主要的設備，具備無脈動、高固氣比連續(xù)穩(wěn)定地給燃燒器供料的功能。供料不穩(wěn)定，極易發(fā)生爐膛爆燃事故，為了保證鍋爐穩(wěn)定運行，供料偏差不得超過±3% 。近年來，國內(nèi)自主煤粉供料技術主要有3類: ①借鑒電站鍋爐系統(tǒng)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(chǎn)品，如氣錐結(jié)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(yè)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(yè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)子秤等。煤粉經(jīng)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(jīng)錐斗出口進入“星鳥”耦合文丘里閥組。閥組連續(xù)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(jīng)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(xù)喂料以及引射流混合發(fā)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(tǒng)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(jié)構(gòu)和爐膛的布置方式?jīng)Q定。因此，燃燒器的性能對煤粉燃燒設備運行的可靠性和經(jīng)濟性起到主要的作用。
   工業(yè)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(yè)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的導向結(jié)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)氣流形成有利于著火的回流區(qū)。按照產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的旋流煤粉燃燒器，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流，在氣流的出口形狀、形成的回流區(qū)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(wěn)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(zhuǎn)的直流射流，噴口一般都是狹長形。
   煤粉工業(yè)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(yè)鍋爐還有負荷調(diào)節(jié)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(yè)鍋爐中存在諸多問題。國內(nèi)小容量直噴煤粉燃燒器主要存在初始點火困難和負荷調(diào)節(jié)范圍窄的問題。若煤粉工業(yè)鍋爐低于60%負荷運行，極易形成脫火，進而存在發(fā)生爆燃事故的安全隱患。為了解決煤粉燃燒不穩(wěn)定的問題，可采取在燃燒器周圍敷設衛(wèi)燃帶的措施，但此措施在爐膛結(jié)渣(焦)、傳熱能力下降時存在發(fā)生爆燃、爐膛溫度和排煙溫度過高的安全隱患。在煤粉工業(yè)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(yè)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(qū)，體積小，且在回流區(qū)內(nèi)，煤粉快速升溫至1000℃，形成了高溫空氣燃燒。結(jié)合濃相送粉技術，燃燒器同時具備迅速點火、負荷調(diào)節(jié)范圍寬，火焰穩(wěn)定和低氮的優(yōu)點，為煤粉工業(yè)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(yè)鍋爐同其他鍋爐一樣，是“鍋”和“爐”的有機結(jié)合體�！板仭敝饕�涉及工質(zhì)(如水) 循環(huán)動力和換熱的問題�！盃t”主要是穩(wěn)燃室的自然延伸部分，涉及煤粉燃燒及燃盡問題。煤粉工業(yè)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(jù)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(wěn)燃式內(nèi)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(jié)構(gòu)緊湊、強度高和氣密性好，具有現(xiàn)場施工量小和維護保養(yǎng)簡單等優(yōu)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(tǒng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(nèi)，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(huán)流化床鍋爐結(jié)構(gòu)，設計煤粉工業(yè)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(xié)調(diào)。容積熱負荷過高，溫度高，爐膛內(nèi)部容易結(jié)渣; 容積熱負荷過低，爐膛水冷度增加，不利于火焰穩(wěn)定傳播，容易發(fā)生“脫火”現(xiàn)象。②煤粉火炬的幾何形態(tài)，火炬的形態(tài)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(shù)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(wěn)的問題。
   國內(nèi)煤粉工業(yè)鍋爐制造實力雄厚，加工手段齊全。但與國外發(fā)達國家相比，存在技術標準和規(guī)范不完善、本體設計及結(jié)構(gòu)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(shù)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(guī)層燃鍋爐的結(jié)構(gòu)設計，存在鍋爐本體氣密性差、運行環(huán)境惡劣、爐膛結(jié)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(yè)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(yè)鍋爐上，只能開發(fā)適應于煤粉工業(yè)鍋爐特點的低成本煙氣凈化技術。
   現(xiàn)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(yè)鍋爐中，采用機械力除塵器和過濾式除塵器聯(lián)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(yè)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(huán)、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(huán)，由于煙氣再循環(huán)率的增加是有限度的，對于大型鍋爐通�？刂圃�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(yè)鍋爐來說煙氣再循環(huán)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(yè)鍋爐領域; 對于燃料分級燃燒，由于煙氣在再燃區(qū)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(fā)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(yè)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(zhì)量濃度低于150 mg/m3 )的前提下，拉長火焰長度，減少高溫區(qū)，有效抑制NOx的生成。結(jié)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(yè)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(xù)，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(yè)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(fā)的爐內(nèi)固硫耦合高倍率灰鈣循環(huán)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(nèi)溫和的溫度場，用煤粉中的原生鈣質(zhì)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(tǒng)中富含CaO的活性灰，通過富集、增濕，循環(huán)返回布袋除塵器上游一段立管式煙道做成的反應器，繼續(xù)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(jīng)濟、實用的創(chuàng)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(xù)穩(wěn)定給料。 
   2、經(jīng)濟效益分析  
   截至2014年底，煤粉工業(yè)鍋爐已在全國多個省市地區(qū)進行推廣應用，目前鍋爐產(chǎn)品在市場上最大單機容量為80t/h。以江蘇宿遷某工業(yè)園區(qū)容量60t/h 供汽項目進行技術經(jīng)濟分析，該項目熱工與環(huán)保的第三方檢測結(jié)果見表1。
   經(jīng)該項目運行單位核算，使用煤粉工業(yè)鍋爐替代鏈條鍋爐，節(jié)能和經(jīng)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(chǎn)1t蒸汽可節(jié)約標準煤0.04t，節(jié)煤率為27.3% ;可節(jié)約成本17.1元，成本下降14.3% 。按年運行7000 h 計算，共生產(chǎn)蒸汽84萬t，與之前使用鏈條鍋爐相比，每年可節(jié)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(huán)保檢測結(jié)果

   表2宿遷項目節(jié)能和經(jīng)濟性能比較

   根據(jù)已有的應用經(jīng)驗，我國的高效煤粉工業(yè)鍋爐仍應定位于升級傳統(tǒng)的燃煤工業(yè)鍋爐，并能與油、氣燃料實現(xiàn)互換，且容量一般小于130 t /h。同時受燃料和燃燒環(huán)境的限制，容量10 t /h 以下的工業(yè)鍋爐還應以油氣為主。從熱工與環(huán)保檢測結(jié)果可以看出，煤粉工業(yè)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(yōu)于最苛刻的天然氣特別排放限值要求。
   3、結(jié)論及建議
   1) 在煤粉制備整個工業(yè)流程，各個設備應保持良好的密封性，回轉(zhuǎn)窯、磨機應負壓運行，避免車間內(nèi)的揚塵，預防發(fā)生“粉塵云”爆炸事故。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部同時具備發(fā)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(zhì)進行研究，開發(fā)連鎖保護裝置，杜絕惡性爆炸事故的發(fā)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(jiān)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(wěn)燃室半煤氣燃燒組織、爐膛溫和燃燒組織是煤粉工業(yè)鍋爐區(qū)別于電站鍋爐的三大核心技術。三大核心技術使煤粉工業(yè)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(chuàng)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(yè)鍋爐上，只能開發(fā)適應于煤粉工業(yè)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(lián)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(zhèn))化、工業(yè)園區(qū)化大形勢，煤粉工業(yè)鍋爐未來的發(fā)展趨勢是: 一是滿足區(qū)域性調(diào)峰鍋爐房動輒總?cè)萘棵啃�時數(shù)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(shù)化，通過拖動汽輪機部分發(fā)電，可顯著改善用戶經(jīng)濟效益; 三是滿足苛刻的環(huán)保要求，污染物排放控制應超低化或近零化。