清潔高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的實(shí)踐者

高效煤粉工業(yè)鍋爐房?jī)?nèi)景

高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)研發(fā)初期團(tuán)隊(duì)合影（左三王乃繼，右一紀(jì)任山）

【摘要】煤炭是地球上蘊(yùn)藏量最豐富，分布地域最廣和最易儲(chǔ)存的化石燃料。被人們譽(yù)為黑色的金子，工業(yè)的食糧，是十八世紀(jì)以來(lái)人類世界使用的主要能源之一。

    煤炭是地球上蘊(yùn)藏量最豐富，分布地域最廣和最易儲(chǔ)存的化石燃料。被人們譽(yù)為黑色的金子，工業(yè)的食糧，是十八世紀(jì)以來(lái)人類世界使用的主要能源之一。然而，燃燒煤炭產(chǎn)生的二氧化碳排放占到全國(guó)80%，是最大的空氣污染源，迫切需要通過(guò)自主創(chuàng)新推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，大幅降低能源消耗強(qiáng)度和二氧化碳排放強(qiáng)度，有效控制溫室氣體排放，提升煤炭提質(zhì)與資源綜合利用、高效燃煤發(fā)電、先進(jìn)煤基潔凈燃料、污染物控制及資源化利用、工業(yè)節(jié)能、重大裝備研制等技術(shù)和能力，建立世界一流研發(fā)平臺(tái)，培養(yǎng)世界一流科研隊(duì)伍，發(fā)展世界一流技術(shù)，獲得世界一流成果。

    煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)是一種以“煤粉燃燒技術(shù)”為核心的先進(jìn)工業(yè)鍋爐換代技術(shù)，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)可有效提高燃煤工業(yè)鍋爐燃燒效率，降低運(yùn)行成本，獲得顯著的節(jié)能減排效果，推廣清潔高效煤粉型工業(yè)鍋爐系統(tǒng)，是實(shí)施潔凈煤戰(zhàn)略的有機(jī)組成部分之一，更是提高煤炭潔凈高效利用的有效手段之一。日前，記者就如何全面實(shí)施“潔凈煤”戰(zhàn)略，不斷提升煤炭利用效率，滿足國(guó)家能耗排放做“減法”、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做“加法”，采訪了煤炭科學(xué)研究總院煤炭高效潔凈燃燒利用領(lǐng)域的青年專家，煤粉工業(yè)鍋爐產(chǎn)業(yè)的年輕帶頭人——紀(jì)任山。

    致力創(chuàng)新 扎根科研

    煤的高效清潔燃燒利用，是目前我國(guó)熱門的研究課題，其關(guān)鍵是如何處理煤燃燒的系統(tǒng)技術(shù)。高效工業(yè)煤粉鍋爐技術(shù)可實(shí)施爐內(nèi)脫硫（脫硝），燃燒器采用低氧分級(jí)配風(fēng)設(shè)計(jì)，煤粉燃燒充分、鍋爐換熱效果好、煤粉預(yù)混強(qiáng)化燃燒，燃燼率高、空氣過(guò)剩系數(shù)小，鍋爐系統(tǒng)熱效率高、，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、NOX含量低，煙氣采用布袋除塵，粉煤灰綜合利用，無(wú)二次污染，對(duì)功率較大的電氣設(shè)備變頻控制，節(jié)電效果明顯。是解決我國(guó)能源安全、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少城市污染物排放的有效途徑。

    2014年3月，中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)分別組織召開(kāi)了“煤粉型工業(yè)鍋爐清潔高效利用現(xiàn)場(chǎng)會(huì)”和“煤粉鍋爐供熱技術(shù)研討會(huì)”，大力推薦煤科院高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)。

    3月26日，國(guó)家能源局發(fā)展規(guī)劃司在北京組織召開(kāi)了由煤科總院承擔(dān)的“‘十三五’煤炭清潔高效發(fā)展若干重大問(wèn)題研究”課題開(kāi)題會(huì)?！啊濉禾壳鍧嵏咝Оl(fā)展若干重大問(wèn)題研究”課題是國(guó)家能源局部署的“十三五”能源規(guī)劃前期重大問(wèn)題研究20個(gè)課題中唯一一個(gè)針對(duì)我國(guó)主體能源——煤炭資源的清潔高效開(kāi)發(fā)，特別是清潔高效利用方面展開(kāi)全面且有重點(diǎn)的綜合研究課題，其研究工作的啟動(dòng)及后續(xù)的研究成果對(duì)于科學(xué)編制及有效地服務(wù)于我國(guó)“十三五”能源規(guī)劃將具有重要意義。

    在我國(guó)，煤炭占一次能源消費(fèi)比重近70%，富煤少氣貧油的能源結(jié)構(gòu)，決定了煤炭清潔利用的必要性。但是，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)總量持續(xù)增長(zhǎng)，使我國(guó)污染控制和環(huán)境保護(hù)依然面臨巨大壓力。到2020年，如不采取有效措施，即使按照污染物產(chǎn)生量最少的情景預(yù)計(jì)，二氧化硫、氮氧化物年排放量將分別達(dá)到4000萬(wàn)噸和3500萬(wàn)噸。燃煤污染作為能源環(huán)境問(wèn)題，將對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響和制約。

    煤炭科學(xué)研究總院是我國(guó)煤炭行業(yè)唯一的綜合性科研機(jī)構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新基地，擁有優(yōu)秀穩(wěn)定的人才隊(duì)伍，設(shè)有“國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等十多個(gè)國(guó)家及行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和研究中心，及配套的核心設(shè)備生產(chǎn)基地。承擔(dān)了煤炭行業(yè)70%以上的科技攻關(guān)項(xiàng)目，累計(jì)科技成果5000余項(xiàng)，獲得國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科技獎(jiǎng)1000余項(xiàng)、各類專利500多項(xiàng)。伴隨著我國(guó)科技體制改革的步伐，始終堅(jiān)持以“推動(dòng)煤炭科技進(jìn)步，發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)”為企業(yè)使命。

    煤科總院研制的高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有清潔燃燒、高效運(yùn)行、顯著節(jié)煤、節(jié)約占地、簡(jiǎn)易操作、友好環(huán)境等特點(diǎn)。目前，煤科總院在東部沿海和北部高寒地區(qū)的煤炭企業(yè)集團(tuán)、市政熱力和大型工業(yè)園區(qū)市場(chǎng)取得了很好的推廣業(yè)績(jī)，已在天津、河北、山東、安徽、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西等地區(qū)，內(nèi)蒙古、陜西、山西、甘肅等西部高寒礦區(qū)，共計(jì)20多個(gè)省市地區(qū)建成推廣應(yīng)用煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)500余臺(tái)套，近萬(wàn)蒸噸等效容量。

    紀(jì)任山作為我國(guó)高效工業(yè)煤粉鍋爐技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)始人之一，十多年如一日扎根科研、產(chǎn)業(yè)第一線，參與或主持國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目10多項(xiàng)，取得專利40余項(xiàng)，其成果引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為中國(guó)煤炭高效低碳利用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2013年，紀(jì)任山光榮獲評(píng)第二十二屆孫越崎科技教育基金“優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)”，成為他科研工作中一個(gè)新的起點(diǎn)。

    高效清潔 技術(shù)先進(jìn)

    我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)總量持續(xù)增長(zhǎng)，使我國(guó)污染控制和環(huán)境保護(hù)依然面臨巨大壓力。初步研究預(yù)測(cè)，到2020年全國(guó)煤炭消費(fèi)量將達(dá)到48億噸左右，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重仍達(dá)60%以上。燃煤的大量粗放式使用，無(wú)疑成為我國(guó)大面積霧霾的一大根源。

    高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)是煤炭科學(xué)研究總院在國(guó)家科技支撐計(jì)劃，863計(jì)劃及國(guó)際科技合作等項(xiàng)目的支持下，歷時(shí)數(shù)年，獨(dú)立開(kāi)發(fā)成功的擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。相對(duì)于傳統(tǒng)燃煤工業(yè)鍋爐而言，高效煤粉工業(yè)鍋爐更具清潔環(huán)保、循環(huán)發(fā)展、環(huán)境友好、節(jié)能降耗等優(yōu)良特性，不僅符合國(guó)家十分緊迫的節(jié)能減排形勢(shì)和政策導(dǎo)向，還是傳統(tǒng)高污染、高能耗燃煤工業(yè)鍋爐的升級(jí)換代產(chǎn)品，也是油、氣鍋爐的理想替代品。

    2001年剛剛工作就參與到王乃繼博士的煤氣化燃燒、工業(yè)爐二次增氧燃燒、消煙及除塵等潔凈煤技術(shù)開(kāi)發(fā)工作中。當(dāng)時(shí)，身為帶頭人的王乃繼博士總是耐心地對(duì)年輕人進(jìn)行關(guān)心和疏導(dǎo)，前輩的嚴(yán)傳身教成為紀(jì)任山科研事業(yè)的重大轉(zhuǎn)折，也為他的科研工作確立了標(biāo)桿。跟隨導(dǎo)師，他先后參加了煤科總院技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“氣化、燃燒集成化耦合裝置及聯(lián)鎖自動(dòng)控制技術(shù)系統(tǒng)”的開(kāi)發(fā)，中日合作項(xiàng)目“鏈條鍋爐高效煤燃燒專家診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”，以及煤科總院青年基金課題“鏈條爐層狀煤燃燒特性研究”等項(xiàng)目的研究工作。

    紀(jì)任山在工作中不斷鉆研，受王乃繼博士科研精神的影響，他提出了我國(guó)層狀煤燃燒特性的評(píng)價(jià)方法，為熱煤氣燃燒開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，并先后到山西、江蘇、上海、湖南、內(nèi)蒙及北京的工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)服務(wù)。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，他積極與各專業(yè)的技術(shù)人員探討、解決關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，虛心向各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)習(xí)，不僅順利完成了工作及試驗(yàn)任務(wù)，也使自身的知識(shí)層面不斷拓展，提高了職業(yè)技能和業(yè)務(wù)水平。

    多年來(lái)，紀(jì)任山一直潛心研究煤粉高效潔凈燃燒技術(shù)，并取得了豐碩的研究成果。先后主持并參與了國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“中小型高效煤粉鍋爐技術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究”、“十一五”科技支撐項(xiàng)目“高效工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)”、國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“小容量高效低污染煤粉燃燒技術(shù)”、國(guó)際合作項(xiàng)目子課題“煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)供料新技術(shù)開(kāi)發(fā)及燃燒優(yōu)化”、“高效煤粉工業(yè)鍋爐關(guān)鍵裝備的合作研發(fā)”等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目；作為執(zhí)行負(fù)責(zé)人，參與組建“國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”及“煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。在以上項(xiàng)目的支持下，紀(jì)任山帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)解決了無(wú)脈動(dòng)供粉、中小型煤粉空氣分級(jí)低氮燃燒、鍋爐受熱面無(wú)積灰換熱等一系列關(guān)鍵性技術(shù)難題，成功研發(fā)出2-100t/h煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)技術(shù)及裝備。該技術(shù)集10—50萬(wàn)t/a煤粉制備工藝、煤粉安全儲(chǔ)存及運(yùn)輸、重力式濃相供料、空氣無(wú)級(jí)分級(jí)低氮燃燒、鍋爐本體、一體化脫硫除塵、智能測(cè)控等關(guān)鍵技術(shù)于一體，系統(tǒng)熱效率達(dá)90%以上，污染物排放濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家或地方環(huán)保指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了煤粉的高效、潔凈燃燒利用。

    燃煤之“困” 除霾之“急”

    煤炭燃燒是霧霾的重要污染源，但是防治霧霾又不能不燒煤，關(guān)鍵是怎么燒和燒后如何處理？由煤炭精細(xì)化利用、開(kāi)發(fā)的先進(jìn)燃煤系統(tǒng)，必定成為燃煤工業(yè)鍋爐的必然選擇。紀(jì)任山長(zhǎng)期深處科研和產(chǎn)業(yè)一線，熟悉我國(guó)燃煤鍋爐的現(xiàn)狀和性能，通過(guò)參與或主持一批國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目研究知道“困”與“急”，對(duì)我國(guó)煤炭清潔高效利用領(lǐng)域的有關(guān)煤炭氣化、水煤漿、煤粉及鍋爐技術(shù)等科研、產(chǎn)業(yè)更是一腔熱情。他介紹說(shuō)，鍋爐按用途劃分大至分為兩種：發(fā)電站鍋爐和工業(yè)鍋爐。我國(guó)發(fā)電用鍋爐與國(guó)外差異很小，而工業(yè)鍋爐企業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)鍋爐，由于同業(yè)競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)峻，技術(shù)落后，受生產(chǎn)條件和規(guī)模所限，僅相當(dāng)國(guó)外“二戰(zhàn)”時(shí)期的水平。發(fā)達(dá)國(guó)家依托煤粉濃相燃燒技術(shù)，發(fā)展的煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)已很成熟。

    我國(guó)工業(yè)鍋爐熱效率較低，能耗大，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行熱效率為72%—83%，實(shí)際運(yùn)行效率60%—65%，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水平和國(guó)際平均水平。而工業(yè)鍋爐燃煤又多為沒(méi)有洗選的原煤，灰分硫分較高，且粒度質(zhì)量較差，是導(dǎo)致燃燒效率低，污染物排放水平較高直接原因。目前，我國(guó)煤粉鍋爐的污染物排放已能做到與燃油、燃?xì)忮仩t接近，而分別采用輕油、天然氣、煤粉作為燃料的鍋爐，其運(yùn)營(yíng)成本之比大至為5∶3∶1，煤粉鍋爐最便宜。煤粉鍋爐具有燃燒效率高、污染物排放少的天然優(yōu)勢(shì)。如果工業(yè)鍋爐采用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效煤粉鍋爐，可將蘊(yùn)涵著上千億元產(chǎn)值的市場(chǎng)激活。

    檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)的鏈條鍋爐相比，煤粉型工業(yè)鍋爐系統(tǒng)平均效率由65%提高至90%，綜合節(jié)煤率達(dá)30%以上；煤粉型工業(yè)鍋爐系統(tǒng)實(shí)測(cè)煙塵排放僅為11毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)鏈條鍋爐的80毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，與天然氣鍋爐的排放水平相當(dāng)；二氧化硫排放不超過(guò)100毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米；氮氧化物排放不超過(guò)200毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米。與燃煤鏈條鍋爐相比，煙塵排放降低85%以上，減少二氧化硫排放30%至40%，減少氮氧化物排放50%左右，并大大減少可吸入顆粒物的排放量。

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭科學(xué)研究總院從1999年開(kāi)始，在消化吸收國(guó)外先進(jìn)燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)煤粉安定儲(chǔ)存、無(wú)脈動(dòng)密相輸送、二次空氣無(wú)級(jí)分級(jí)配風(fēng)、前置強(qiáng)化燃燒、煙氣再循環(huán)、高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，創(chuàng)立了燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)的系統(tǒng)集成運(yùn)作“島鏈”模式，開(kāi)發(fā)出了3個(gè)系列15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，獲得了31項(xiàng)專利，3項(xiàng)省部級(jí)科技獎(jiǎng)，開(kāi)啟了我國(guó)新型煤粉鍋爐的設(shè)計(jì)、制造和使用的新篇章。這項(xiàng)創(chuàng)新成果2007年通過(guò)國(guó)家技術(shù)鑒定。