德国煤粉工业锅炉实践及我国研发、推广的现状与发展
发布时间：2021-12-17
摘 要: 现代煤粉工业锅炉在我国是新生事物，呈现出蓬勃发展的态势，但同时也存在不少问题，主要表现在对煤粉工业锅炉的本质及定位认识模糊，没有先进、明确的中小容量煤粉燃烧组织的技术思想做指导。论述了德国煤粉工业锅炉的渊源、关键及核心技术要领，重点回顾了我国典型自主技术的原理、特点及推广应用情况。目的为行业的健康有序发展作积极的引导。
关键词: 德国煤粉工业锅炉; 煤粉燃烧组织; 自主技术; 推广应用
0 前言
中小容量锅炉煤粉浓相( 着火) 燃烧技术是一种先进的煤炭燃烧利用方式。在德国，经过了 30 多年的起落发展，目前已完全成熟，并广泛应用于燃煤工业锅炉及工业炉( 窑) 。公开资料表明，各种流派的煤粉工业锅炉热效率一般可达到 92% 以上，与电站煤粉锅炉、油( 气) 锅炉相当; 烟尘、SO2 及 NOx 等污染物的实际排放也远低于德国 TA-Luft 标准的限值，与天然气锅炉接近; 自动控制系统完备，可实现 72 小时无人值守，也可实现多台锅炉远程集散控制。
我国现代煤粉工业锅炉( 区别于 20 世纪 80 年代的煤粉工业锅炉) 的应用研究起步较晚。煤炭科学研究总院( 简称“煤科院”) 借鉴德国的成功经验和理念，历时近 10 年，一些关键和核心自主技术 ( 如供料、燃烧等) 率先取得突破。近两三年来，受煤科院的引领和启发，国内诞生了十几个从事煤粉工业锅炉推广应用的厂商，且有迅速增多的趋势。煤粉工业锅炉的先进性在业界得到广泛认可，尽管在我国燃煤工业锅炉“大家族”里的占比仍微不足道，但快速发展的态势已经形成。
我国煤粉工业锅炉具备了一定的发展基础，但与德国相比，差距十分明显。一是煤粉工业锅炉的本质及客观规律认识不清，绝大多数厂商远未形成自己明确的煤粉工业锅炉认识及技术思想，只是机械套用电站煤粉锅炉的某些做法，认为煤粉工业锅炉就是电站煤粉锅炉的“缩微”形式，导致燃烧组织不理想，甚至无法组织; 二是起点低，德国的煤粉工业锅炉源自油( 气) 锅炉，所以进入门槛高，设备制作精良，系统扎实。我国的煤粉工业锅炉源自常规层燃锅炉( 甚至手烧炉) ，所以进入门槛很低，设备质量粗劣，系统“羸弱”。
真正的煤粉工业锅炉是先进性、安全性、可靠性、实用性及经济性的统一体，几者缺一不可。显然，客观公正地认真剖析国内外煤粉工业锅炉的经验和教训，对行业的健康有序发展具有重要意义。
1 德国煤粉工业锅炉实践
1. 1 德国煤粉工业锅炉的渊源
据欧洲专利局数据库 ( worldwide. espacenet. com) 的公开资料及多方印证，Fritz Schoppe 是德国煤粉工业锅炉的最早涉足者，他领导的 Dr. Schoppe 公司及他的继承者领导的 Carbotechnik 公司( www. carbotechnik. de) ，掌握世界最先进的煤粉工业锅炉成套技术，特别是燃烧器技术、供料器技术、锅炉本体技术及煤粉储存塔( Silo) 技术，也拥有德国最广泛的煤粉工业锅炉及工业炉( 窑) 应用业绩，数量多达上百台套。
Dr. Schoppe 公司 1997 年的宣传资料显示，德国相关燃烧技术企业及学术机构，专注于小容量煤粉燃烧，始于 1973 ～ 1980 年的第一次世界能源危机。众所周知，德国本土鲜有天然气和石油资源，消费需求基本依赖进口。能源危机爆发以前，工业锅炉、工业炉( 窑) 等中小分散式燃烧设施主要以油 ( 气) 为燃料; 能源危机爆发以后，进口能源价格飞涨，依靠石油、天然气难以为继，必须寻找新的廉价的替代能源作为出路。
德国缺油少气，但拥有丰富的煤炭资源，且品质优良。据 2007 年 Euracoal members 发布的信息，当年德国的硬煤( 指烟煤、无烟煤) 、褐煤资源量分别为 2 300 亿 t 和772 亿 t，保有储量分别为230 亿 t 和 408 亿 t。硬煤的灰分一般为 6. 0% ～ 7. 0% ，硫分为 0. 8% ～ 1. 0% ; 褐煤灰分为 1. 5% ～ 20. 0% ，硫分为 0. 15% ～ 2. 8% 。有相当一部分世界顶级煤炭，无需进行洗选加工，干燥、粉碎、研磨后就可作为清洁燃料，直接替代油( 气) 入炉使用。
得益于德国联邦政府及鲁尔煤炭公司的大力资助，1980 年 Dr. Schoppe 公司的 0. 7 MW 煤粉燃烧器取得突破，1981 年在鲁尔矿区建成 3 × 0. 7 MW 煤粉热水锅炉系统，用于采暖供热，验证了清洁煤粉应用于工业锅炉替代油( 气) 的可行性。
经过 30 多年的起落和波折发展，德国的中小容量煤粉燃烧技术及煤粉工业锅炉技术已经完全成熟，也诞生了除 Dr. Schoppe 以外的不同技术流派，如 HM、Pillard( combustion. fivesgroup. com) 及 Saacke ( www. Saacke. com) 等。
1. 2 德国煤粉工业锅炉技术及产业
1. 2. 1 技术现状
基于满足工业锅炉用户对负荷多变、启停频繁等区别于电站锅炉的特殊要求，无论哪一种技术流派，均采用了煤粉浓相燃烧组织的技术思想，只是供料器、燃烧器、锅炉本体的具体表现形式不尽相同而已，且无论哪一种流派，供料器的技术难度远超过燃烧器和锅炉本体。因为供料器是精密机械传动设备，担负着煤粉高浓度、连续、稳定、较长距离喂料的任务; 而燃烧器是结构件，锅炉本体是( 类) 容器。
以 Dr. schoppe 技术体系为例( 锅炉烟风系统如图 1 所示) 。供料器为浓相容积式整体流态化多孔转盘( 如图 2 所示) [1]，工作原理全面体现了煤粉二次活化、无脉动喂料、密封发送等粉体主动供料理念。从转盘圆心至圆周，直径由小到大的装料孔列，按 6°沿转盘面均布。运行过程中，多孔盘浸没在二次活化后的煤粉床内，并依靠压紧弹簧、橡胶软连接等形成的一套复杂组件，夹紧在风粉管上下游的一对法兰密封面之间，完成中低速旋转。转盘每秒钟的进料单元数最少 10 个，最高 20 个左右，所以风粉管内的煤粉流接近连续( 无脉动) 。供料固气比高达 3 kg ( 煤粉) /m3 ( 空气) 以上，而供粉偏差小于 ± 2% 。机械动密封是这套结构缜密、制造精良装置的核心所在。
Dr. schoppe 燃烧器采用了燃料中心逆喷强制回流技术( 如图 3 所示) [2]，结合结构独特的前置双锥稳燃室和火焰加速喷射原理，强化着火燃烧组织燃料出稳燃室喷口时的燃烧进程已达 60% 以上，而 100 ～ 150 m / s 以上的高速对数螺旋线火焰喷射进入炉膛，不“飞边”不“撞壁”，起到了辐射受热面的自发清洁作用。该型燃烧器点火功率很小，煤粉着火热用得极少，只需传统稀相直喷燃烧器的六分之一至十分之一，所以初始点火十分便捷，几十秒钟就可以切断助燃油( 气) ，完成煤粉自主燃烧。火焰高 “鲁棒性”、低负荷特性好，50% 负荷可以长期稳定运行，30% 负荷可以短期稳定运行; 过量空气系数 α 为 1. 2 时，双锥稳燃室内，喷管回流帽缝隙处的煤粉初级火焰不熄灭。
Dr. schoppe 锅炉本体采用异型大炉膛火管锅壳型式，双锥稳燃室置锅壳内，回燃式为全膜式壁构造( 见图 3) ，炉膛底部、后管板及大口径火管束“喇叭”入口端，配置强大的压缩空气脉冲吹扫装置，保证了炉膛底部( 少量) 积灰及管板灰沾污的周期性强制清理。烟风系统去除引风机，为正压燃烧，过程十分稳定。锅炉效率很高，一般达 92% 以上。单炉膛锅炉，容量最大达到 20 t / h( 直径 ?2 200 mm，带加强箍) 。超过 20 t / h 时，一般采用双炉膛( 如图 4 所示) ，由于燃烧器配置单独的烟风系统，所以锅炉的负荷调节范围达到 30% ～ 110% ，下限甚至可以更低，而燃烧稳定性不受任何影响，因为单台燃烧器的最低燃烧负荷始终保持在 50% ～ 60% 以上。
煤粉中添加石灰石，炉内固硫率不低于 50% 。采用空气分级燃烧，20% 左右的助燃风为三次风，从燃烧器底部高速喷入炉膛形成“OFA”。NOx 排放浓度为 250 ～ 350 mg /m3 ( 标态) ( 烟气中实测 O2 浓度，一般为 2% 左右) ，见图 5。
另据 Fives pillard 公司报道，2008 年为用户建造了 24 t / h、36 bar、310 ℃ 系统，如图 6 所示。采用 VKK 膜式壁水管锅炉本体，Altmayer 立式多孔转盘供料器，及 PK-K 型燃烧器，取得不错的热工运行效果。煤粉中添加 2% ～ 3% 的石灰石粉，SO2 达标排放; 空气分级结合烟气再循环，NOx 原始排放浓度测试值为 206 mg /m3 ( 标态) ( 折算 O2 浓度为 7% ) 。
近几年来，Saacke 公司也将自己传统优势的 ( 重) 油( 气) 燃烧技术嫁接至煤粉燃烧，诞生了 SSBG - D 强旋流、短火焰燃烧器( 如图 7 所示) ，同时诞生了具有压力波动保护的煤粉供料体系。公司 2014 年的宣传资料显示，为一家造纸厂建造的 22 t / h、48 bar、450 ℃ 热电联供系统，运行效果良好，无需采用烟气脱硫技术，SO2 排放浓度一般小于 200 mg /m3 ( 标态) ; 无需采用 SNCR 技术，NOx 排放浓度一般小于 300 mg /m3 ( 标态) ，如图 8 所示。
1. 2. 2 产业现状
截至目前，德国国内 80% 以上的燃煤工业锅炉采用煤粉燃烧[3]，独立工业用户使用的锅炉容量一般较小，大多在 5 ～ 30 t / h，个别达到 40 t / h。仍以 Dr. Schoppe 系统为例，全部业绩列表及经典项目建设情况与实际运行效果可参看 www. carbotechnik. de 中的 Referenzen。
德国的蒸汽锅炉系统大多与汽轮机耦合，即热量梯级利用: 高品位热发电，低品位热用于工厂生产或民用采暖，而与我国情况类似的，用于城市区域性集中供暖( 或调峰) 的大容量煤粉热水锅炉系统或每小时几百吨级的特大煤粉锅炉房，目前未见报道。
德国国内完整的煤粉工业锅炉产业体系已经形成，包括技术研发、设备制造、工程设计及建设; 燃料制备、物流和配送、合同能源管理( EMC) 专业化服务等。RWE ( Rheinbraun pulverized lignite) 和 Vattenfall Europe AG( Lausitzer pulverized lignite) 是德国两家最大的清洁煤粉供应商，依托完善的配送网络，每年合计的配送量达到 200 万 t 以上，服务半径 600 km 以上。Getec 是一家著名的 EMC 上市公司，远程服务运行的锅炉类热工设施超过 1 000 台，有相当数量为煤粉锅炉。
1. 3 德国煤粉工业锅炉发展的几点认识
( 1) 德国发展煤粉工业锅炉的初衷或定位是油 ( 气) 替代。由于拥有扎实的油( 气) 锅炉技术基础和先进的国家工业制造基础，所以德国煤粉工业锅炉技术起点高，理念新颖、装备先进，因而被我国业界普遍认为是对常规层燃锅炉的“颠覆”。两个理念中的一个是“燃油( 气) 式”煤粉工业锅炉，即煤粉工业锅炉从油( 气) 锅炉演化而来，表现形式具有明显的油( 气) 锅炉烙印; 另一个是燃烧与污染物控制应成为一个有机的统一体，即污染物控制应充分利用燃烧创造的有利条件。煤粉工业锅炉的实际应用验证了与油( 气) 等同的热工与环境效果。
( 2) 煤粉工业锅炉和煤粉电站锅炉没有相同的历史渊源，前者绝不是后者的缩微形式，两者遵守各自独特的技术发展规律。工业锅炉普遍需要响应速度快、宽负荷运行，有时甚至启停频繁。煤粉工业锅炉炉膛空间受限、燃烧组织较困难，同时要兼顾苛刻的污染物控制要求，所以德国煤粉工业锅炉的技术发展始终把煤粉浓相着火燃烧组织，前置稳燃室强化燃烧组织，炉膛内温和煤粉燃烧组织( 平均温度不超 1 050 ℃ ) 等技术思想作为立足点。这是煤粉工业锅炉与煤粉电站锅炉的本质区别。
( 3) 煤粉工业锅炉要达到或接近油( 气) 锅炉的燃烧效果，内因是煤粉。锅炉工艺和装备、运行管理等因素，是外部条件。实践表明，煤粉工业锅炉应以高品质( 低灰、低硫) 、高活性褐煤及次烟煤( 长焰煤、不粘煤、弱粘煤) 为主要燃料。小容量锅炉对煤粉的燃烧特性( 燃烧速度) 要求应更苛刻。
( 4) 煤粉工业锅炉是多技术集成的复杂系统，需要管理及运行人员具有较高的专业化素养，同时 “锅炉岛”基建投资大，筹措的经费多。对于绝大多数用户要满足这些条件是困难的。实践证明，合同能源管理( EMC) 是解决上述问题的一种经典的创新商业模式。用户不仅可以轻易享受实惠和便利，也可以腾出精力，致力于提升自己产品的竞争力。
2 我国煤粉工业锅炉研发、推广的现状及发展
2. 1 我国煤粉工业锅炉发展总体概况
据考证，上世纪八十年代，随着电站煤粉锅炉的迅速发展，国内一些科研院所及企业曾尝试煤粉在工业锅炉上的应用。但由于认识、材料、装备及全社会科技水平的制约，未取得实质性进展。燃烧界甚至断言，煤粉不适合在 35 t / h 以下工业锅炉上使用。
1999 年，煤科院接受科技部的委托，调研发达国家燃煤工业锅炉的使用情况。受德国“现代版” 煤粉工业锅炉的触动，尝试与德国公司合作开发有中国特色的煤粉工业锅炉技术，未果。
2003 年，煤科院借力科技部“清洁能源行动计划”，正式启动 0. 5 MW 原理验证系统的建设。2005 年完成试验研究，达到了预期效果。2006 年在山西忻州建成 4 t / h 示范系统一套，在大同建成 2. 8 MW 示范系统一套，当年两套装置全部交付用户使用。 2007 年，接受大同市环保资金资助，一次性建成 1. 4 ～ 4. 2 MW 示范系统 18 套，取得区域性连片示范效果。2008 年以来，接受科技部、财政部、能源局及北京市科委总计数千万元经费资助，促进了自主技术快速发展。目前烟风系统优化，单元技术及装备日臻成熟，60 t / h 及 58 MW 以下产品全面进入市场。建成了神华神东( 514 t / h) 、朔黄铁路( 2 × 15 t / h，锅壳式) 、兰州热力( 258 MW) 、江苏宿迁( 2 × 60 t / h) 、宁夏银川( 2 × 40 t / h) 、山东烟台( 66 t / h) 、石家庄晋州( 2 × 40 t / h) 、天津热力( 在建) ( 5 × 58 MW) 等经典煤粉工业锅炉工程项目数十个，也取得了丰富的煤粉工业锅炉的系统运行经验。
近年来，在煤科院的引领和示范带动下，国内很多单位也加入到煤粉工业锅炉的实践中来。目前，有较多新建项目业绩的如山西蓝天公司、杭州聚能公司等，有经典改造业绩的如山东索普公司等。总的来看，国内煤粉工业锅炉呈蓬勃发展，大气候已经形成。但也存在不少问题，有些问题甚至很严重: 锅炉系统运行质量低劣，用户利益受损，在社会上形成负面影响。由于沈阳某热力公司煤粉工业锅炉使用中存在的诸多问题迟迟得不到解决，燃烧学术界某院士甚至认为煤粉工业锅炉是“谎言”!
根据十多年的煤粉工业锅炉研发实践，笔者以为，在所有问题中，最主要的问题是业界对煤粉工业锅炉的定位及内在规律认识模糊，没有形成明确的煤粉工业锅炉主导( 哲学) 思想及技术思想。绝大多数盲目“跟风”、为利益驱动的企业，并不掌握真正的小容量煤粉燃烧技术，煤粉工业锅炉的核心和关键问题识别不清。
2. 2 我国自主煤粉工业锅炉技术现状及发展
煤科院及其它自主煤粉工业锅炉“岛”烟风系统的工艺流程大同小异。但单元技术不尽相同，设备接口及构造型式差异悬殊，基本不具有兼容性和通用性。
以煤科院为例，“锅炉岛”主要包括煤粉储存塔 ( 罐) 、供料器、燃烧器、锅炉本体、烟气污染物联合脱除装置、灰库、点火油( 气) 站、压缩空气站、惰性气体保护站及测控等十个子系统，流程示意如图 9 所示。该系统技术理念及技术思想与德国同行大致一致，目的是用清洁高活性煤粉真正达到天然气锅炉的热工与环境效果。燃烧器预留天然气接口，可实现煤粉与天然气备份或互换。
2. 2. 1 煤粉储存塔( 罐)
煤粉储存塔( 罐) 是系统的专有关键装置，是一多设备、多部件构成的组合体。煤科院参照德国 BGV c12 ( 5 ) 、TRD413 ( 5 ) 、VDI-Richtlinie2263 ( 3673) 等标准设计制造。储罐本体为耐压容器( 设计压力不低于 0. 35 MPa ) ，但在常压下使用。由三部分构成: 顶部为椭球形封头，设置尺寸不等的若干接口，用来安装布袋过滤器、重力式防爆门、各类传感器( 含温度、料位及 CO 浓度等) 及其它附属设施; 中部为圆柱状筒体，壁面开孔，安装多点温度传感器; 底部为锥斗，锥斗上口与圆柱状筒体对接过渡，下口为出料口，通过法兰与下游设备连接。锥斗壁面同样开孔安装温度和低料位传感器。另外锥斗壁面装有煤粉松动风设施，目的在于防止静置煤粉压实“结壁”和起拱架桥。半锥角根据煤粉的流动特性确定，一般最大不宜超过 20°。
煤粉储存塔( 罐) 结构及其附属设施设置主要从煤粉的安全性考虑[4]，通常应安保措施冗余，包括静电接地、壳体耐压、防爆门泄爆、传感器监控及惰性气体保护等，结构示意见图 10。——论文作者：王乃继1，2，3 ，尚庆雨1，2，3 ，张 鑫1，2，3 ，梁 兴1，2，3 ，肖翠微1，2，3 ，王永英1，2，3
