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    節能環保
    工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術現狀與發展建議
    2019-05-06 09:16:23   來源: 中國網

       我國煤炭的基礎能源地位將維持相當長時間,據預測,2030年前我國能源消費需求仍將持續穩定增長,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,其中燃煤發電用煤占比52%,鋼鐵、建材、化工占比37%。目前,我國發電領域70%的燃煤發電機組已經實現超低排放,達到了天然氣燃燒排放水平;除發電領域外的工業領域依然呈現燃燒利用水平不高、排放污染嚴重、技術裝備落后的狀態,污染物排放貢獻度超過70%。當前工業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新關注不足,采用發電領域的尾部為主的煙氣凈化系統,成本昂貴而無法應用。近年來,霧霾已經成為我國“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,工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術發展尤為重要:提高燃燒利用水平,實現超低排放,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和藍天保衛戰的重要支撐。工業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狀

      發電領域國內外發展現狀與趨勢

      煤炭燃燒利用在國際上主要用于集中發電,在發達國家發電用煤占比超過80%。近年來,主要燃煤發電國家都在為實現發電凈效率大于50%的目標努力,研發多能互補發電技術、智能發電技術,以實現燃煤發電的安全高效和靈活智能。大型燃煤發電鍋爐在氣體污染物控制方面大多數采用脫硫、脫硝和其他多種污染物聯合控制技術,已廣泛商業化應用,其中日本及歐美發達國家和地區處于先進行列。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保要求。隨著對污染物協同控制機理的認識,對燃煤煙氣中2種及以上污染物進行聯合控制,降低煙氣凈化成本,實現鍋爐在全負荷范圍內的污染物高效脫除,已經成為燃煤污染物控制技術發展的重要趨勢,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的燃煤發電機組超過430臺,能效指標、污染物排放指標均進入世界先進行列,鍋爐實現了高效燃燒,熱效率一般大于91%。我國燃煤電廠大多數的污染物控制技術和裝備已實現國產化;我國燃煤機組大氣污染物排放執行世界上最嚴格的標準。截至2018年底,燃煤電站實現超低排放改造占比達到70%,處于世界領先水平。

      燃煤工業鍋爐國內外發展現狀與趨勢

      除電力領域外,工業領域煤炭燃燒利用形式主要為中、小型燃煤工業鍋爐供熱。燃煤工業鍋爐目前在歐洲等發達國家和地區仍有應用,其中大多數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。德國是世界上工業煤粉鍋爐技術水平最高的國家,其工業煤粉鍋爐能夠實現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。國外燃煤工業鍋爐由于數量少,燃用高品質煤炭,且燃料特性穩定,故鍋爐熱效率較高,但對污染物排放要求并不嚴格。例如,歐盟國家燃煤工業鍋爐NOx排放標準為低于200mg/Nm3。在工業爐窯方面,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。

      我國在役燃煤工業鍋爐近50萬臺,約占全國煤炭消費總量的20%。工業鍋爐排放的煙塵、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、建材等高耗能工業行業。

      我國燃煤工業鍋爐主要以鏈條爐技術為主,近年來循環流化床鍋爐技術也得到了很好的應用,總體上技術發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,我國開發出了煤粉工業鍋爐,并逐步在市場上得到推廣。

      我國在一段時期容量為10t/h及以下燃煤工業鍋爐數量占總量的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〔2013〕37號)文中明確提出全面整治燃煤小鍋爐等多項舉措,并規定了到2017年,除必要保留的以外,地級及以上城市建成區基本淘汰10t/h及以下的燃煤鍋爐,禁止生產和新建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鍋爐和循環流化床鍋爐取代。不過,我國煤粉工業鍋爐的NOx排放濃度偏高,其技術成熟度還有待提高。隨著國家環保要求的日益嚴苛,給燃煤工業鍋爐排放提出了更高的要求,然而燃煤工業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鍋爐熱效率平均約70%—80%,循環流化床和煤粉工業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。

      燃煤工業爐窯國內外發展現狀與趨勢

      國外在燃煤工業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,實現了煤炭的高效利用。

      我國引進和發展了高爐噴煤技術、富氧/全氧冶金技術、水泥窯分級燃燒等技術,提升了工業爐窯的煤炭利用水平。但我國燃煤工業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年統計表明,我國工業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,重點地區排放控制水平不高于320mg/Nm3,一般地區不高于400mg/Nm3,江蘇、河南等一些地方省、市、地區甚至提出不高于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。

      我國工業領域煤炭燃燒技術的產業需求

      量大、面廣、需求強勁的局面將持續

      我國是世界上擁有燃煤工業鍋爐最多的國家,這也是我國煤炭為主的能源資源稟賦和經濟發展水平決定的。工業鍋爐市場需求主要為北方地區供暖和工業生產提供蒸汽。截至2016年底,我國北方地區城鄉建筑取暖總面積約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。清潔燃煤集中供暖(工業鍋爐熱電聯產)面積僅約35億平方米。此外,燃煤工業鍋爐約50%以上用于為工業生產提供蒸汽。據統計,在我國工業生產中輕紡工業、能源工業、建材業、建筑業、化學工業、冶金工業和交通運輸業等行業均是工業鍋爐的主要市場。工業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已形成系列產品等級。總體呈現量大、面廣、需求強勁的局面。

      我國以煤炭為燃料的工業爐窯種類較多。以耗煤量較大的水泥工業為例,2018年我國全年水泥產量達21.8億噸,雖然較2017年減少1.4億噸,但絕對體量仍然較大。根據水泥大數據研究院最新預計,2019年我國水泥產量仍將維持在21億噸左右。截至2018年,我國現有新型干法水泥生產線近1700條,且均以煤炭為主要燃料,按照最新預計的水泥產能計算,年耗標煤2億噸左右。如果這些生產線均實現煤炭清潔高效燃燒利用,達到超低排放水平,水泥行業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,在鋼鐵、化工等行業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,《燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程實施方案(發改環資〔2014〕2451號)》發布,指出我國出現的大范圍、長時間嚴重霧霾天氣,與燃煤工業鍋爐區域高強度、低空排放的特點密切相關,對地級及以上城市建成區禁止新建20t/h以下的燃煤鍋爐,并加大對鍋爐節能環保基礎性、前沿性和共性關鍵技術的研發力度。2015年,工信部和財政部聯合編制了《工業領域煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020年)》,明確指出在工業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生。2015年,工信部印發《2015年工業綠色發展專項行動實施方案》,對工業領域煤炭清潔化利用做出布局,實施燃煤鍋爐節能環保綜合提升工程。2016年7月,工信部印發《高效節能環保工業鍋爐產業化實施方案》提出,到2020年底,攻克一批高效節能環保工業鍋爐關鍵共性技術,培育一批高效節能環保工業鍋爐制造基地,高效節能環保工業鍋爐市場占有率達60%以上。2018年7月,國務院公布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》,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戰的時間表和路線圖。

      隨著大氣污染的日益凸顯,國家政策總體上出現了重點地區“限煤”傾向。因此,從產業發展來看,目前靠投資和產能擴張推動行業發展增長的方式將遇到瓶頸,工業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新,來推動產業的升級和新的增長點。

      日益嚴格的環保標準迫使煤炭清潔高效燃燒技術及裝備升級換代

      在工業領域,燃煤工業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,各地區在國家標準的基礎上逐步將工業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鍋爐排放標準及標準修訂討論稿,以及與世界發達國家相應標準的對照。可以看出,我國將執行世界上最嚴格的工業鍋爐排放標準,這將會給技術和產業升級換代提供巨大機會。

      包括我國在內的很多國家都對水泥工業的NOx排放水平制定了較為嚴苛的標準(表2)。我國《水泥工業大氣污染物排放標準》(GB4915-2013)中規定,重點地區NOx排放控制水平不高于320mg/Nm3,一般地區不高于400mg/Nm3。同時,一些地方省市地區甚至提出了更嚴格的排放標準。例如:江蘇省規定水泥工業2019年6月1日前NOx排放不能高于100mg/Nm3;河南省在2019年初,對全省范圍的水泥熟料生產企業進行提標治理,規定在基準氧含量10%條件下,水泥爐窯的NOx排放濃度不得高于100mg/Nm3;山東省規定水泥工業NOx排放不能高于300mg/Nm3。出臺的一系列嚴格標準給水泥行業煤炭清潔高效燃燒技術及污染物控制技術提出了更高的要求,同時也為產業升級提供了空間。

      高效清潔燃燒先導項目部署助力工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術發展

      中國科學院針對我國能源發展對技術的戰略需求,部署了A類戰略性先導科技專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”。“高效清潔燃燒關鍵技術與示范”是其中一個關鍵項目,其核心目標是針對工業領域高效清潔燃燒利用,以降低散煤燃燒NOx排放、減少霧霾為導向,實現NOx排放降低40%,為工業及民用散煤高效燃燒與NOx減排提供技術方案和應用實例。最核心的任務是研究開發在燃燒過程中實現NOx超低排放的燃燒技術,實現燃燒技術的變革。選定最為迫切、污染嚴重、量大面廣、難度最大、比較分散的工業鍋爐和工業窯爐為技術研發和應用對象。

      我國工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術面臨的挑戰與發展建議

      我國燃煤發電領域中的燃煤鍋爐具有容量大、集中度高的特點,很快實現了超低排放,即達到天然氣燃燒排放水平,正在向近零排放水平努力;工業鍋爐和工業窯爐具有應用分散、規模小的特點,直接采用發電鍋爐的燃煤污染物控制技術并不經濟,也不適應,需要重新開發,挑戰性巨大。

      煤炭清潔高效燃燒利用技術面臨的挑戰

      我國以煤炭為主的能源資源稟賦和經濟發展水平,決定了煤炭燃燒利用是不可不用的。2017年我國在北方地區還是以燃煤采暖為主,這種狀況還會持續多年。近些年我國大力發展其他清潔能源,如風能、太陽能、核能等;我國風能、太陽能發電量也居世界前列。但是,這些能源發電成本遠高于火力發電成本,體量太小,并且需要大規模財政補貼。如果北方大面積實行“煤改氣”“煤改電”,各級地方政府無疑會負擔沉重。而如果沒有財政補貼,目前清潔能源是很難有競爭力的。我國工業企業技術水平還不高,低成本仍然是我國工業的主要優勢;一旦天然氣、電力成本上升,我國工業企業是難以承受的,實體經濟將會受到更大的打擊。

      我國能源安全是建立在煤炭基礎之上的,因此在工業領域如何高效清潔地利用煤炭是目前我國“卡脖子”的關鍵領域,而工業煤炭的清潔高效燃燒技術是突破“卡脖子”的關鍵技術。近年來雖然高效、環保、節能的燃煤工業鍋爐得到了快速發展,工業爐窯的綜合能耗和排放也有了很大的進步,但仍存在以下核心關鍵技術的挑戰:

      燃煤工業鍋爐總體技術水平落后,單機容量小,鍋爐能耗高,熱效率低,自動化程度低;

      中小型鍋爐需求數量多,不集中,污染物排放控制技術水平低,污染物排放嚴重;

      燃煤工業鍋爐煙氣凈化設備投資和后期的運行費用高。達到超低排放標準,尾氣凈化工藝無法完全借鑒燃煤電站鍋爐;

      工業爐窯煤炭燃燒技術落后,能耗高,實現超低排放困難。

      煤炭清潔高效燃燒利用技術發展的建議

      面對以上挑戰和困難,我們需要在煤炭清潔高效燃燒的核心關鍵技術和燃燒裝備方面加大投入。從我國的基本國情出發,開發適合中國的工業領域煤炭清潔高效燃燒技術,真正解決我國由于工業用煤造成的二次污染問題,實現污染物排放達到燃燒天然氣的水平;同時,將煤炭作為清潔能源實現高效利用。基于此,針對煤炭清潔高效燃燒技術的發展提出4個方面的建議。

      開發燃煤工業鍋爐升級換代技術。以提高鍋爐能效為前提,污染物減排為目標,重點開發爐內高效清潔燃燒技術的升級換代技術,徹底淘汰落后的層燃鍋爐技術。短期內,針對大量分散的在用小型工業燃煤設備的優化、改造和升級是非常必要的。提高工業鍋爐容量和蒸汽參數,重點研發單臺容量75—220t/h等級的循環流化床工業蒸汽鍋爐以及相當容量的熱水鍋爐,進一步提高循環流化床工業鍋爐的節能環保性能,提高鍋爐制造及運行的可靠性和穩定性;開發清潔高效煤粉燃燒技術,以大容量高參數煤粉鍋爐代替淘汰的層燃鍋爐,提高燃煤工業鍋爐效率,并且集中進行煙氣凈化處理;優化鍋爐島輔機設備的配置,降低系統能耗,提高整體能效。

      研發先進的工業鍋爐燃燒技術及燃燒器。針對煤種適應性和超低排放的要求,研發適用于工業鍋爐的新型燃燒技術及燃燒器,通過理論和技術的原始創新,獲得高效燃燒耦合超低氮排放的綜合效果。重點研發不同煤種單臺容量35—220t/h等級的新型工業鍋爐,性能指標和排放指標均優于已有工業鍋爐爐型,燃燒原始NOx排放直接達到超低排放水平,無須進行煙氣脫硝處理。重點研發低揮發分煤,如無煙煤以及煤炭轉化過程中的飛灰殘炭等超低揮發分燃料,高效清潔燃燒的工業鍋爐技術,突破已有工業鍋爐無法清潔高效燃燒此類燃料的技術瓶頸,拓寬工業鍋爐燃料的適應性,使工業鍋爐可以因地制宜地選擇燃料,從而降低使用成本。

      探索適用于燃煤工業鍋爐的煙氣凈化工藝及最優系統。從工業鍋爐容量和煤質出發,通過與電站鍋爐煙氣凈化工藝的對比研究和應用實踐,系統分析煙氣凈化工藝的技術經濟性,獲得最優的燃煤工業鍋爐煙氣凈化工藝。評估循環流化床鍋爐爐內脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫和脫硫脫硝一體化工藝的適用范圍,以及與爐內低氮燃燒和煙氣脫硝的耦合匹配。重點開發煤粉工業鍋爐脫硫、脫硝和除塵的優選工藝。開發低成本的煙氣凈化一體化工藝和設備,進一步降低燃煤工業鍋爐煙氣凈化的成本。

      全面提升工業爐窯的煤炭燃燒技術及污染物控制水平。針對燃煤高耗能、高污染的工業爐窯,如水泥爐窯等,開發先進的低氮燃燒技術,改造和提升現有水泥爐窯的NOx控制水平。進一步開發工業爐窯煤炭燃燒利用的升級換代技術和裝備,改變目前盲目采用SNCR和SCR脫硝技術的粗獷模式,從根本上避免氨逃逸等二次污染問題。結合我國實際工業爐窯的節能特點,開發新型工業爐窯,結合成熟的互聯網技術和工業自動化技術,提高在線監測、無人值守等自動化程度,全面提升我國工業爐窯的煤炭清潔高效燃燒技術和污染物控制水平。

      發展煤炭燃燒的變革性技術,經濟地實現NOx超低排放或近零排放水平。開發煤炭高效清潔燃燒的變革性技術,僅通過煤炭燃燒過程,無需煙氣脫硝設備,就可以實現NOx超低排放,這將大幅降低燃煤工業鍋爐的投資和運行成本,使燃煤工業鍋爐實現超低排放成為可能。以循環流化床工業鍋爐燃燒技術為例,通過新型分級燃燒及后燃技術直接實現NOx超低排放。以煤粉工業鍋爐燃燒技術為例,研發煤粉預熱NOx超低排放燃燒技術,以期實現燃煤工業鍋爐達到超低排放的目標。實現經濟性好和不受規模限制的高效燃煤的近零排放技術突破,讓煤炭成為清潔能源,而不再是大氣污染的主要因素,是我國工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術研發和應用的終極目標。這項技術完全可以應用到燃煤電站鍋爐,使得排放控制成本大幅度降低。

      開發并應用工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術是打贏污染防治攻堅戰和藍天保衛戰的重中之重。我國燃煤發電領域中的燃煤鍋爐具有容量大、集中度高的特點,很快實現超低排放,即達到天然氣燃燒排放水平,正在向近零排放水平努力;但是由于成本高,還存在二次污染,需要在燃燒過程大幅度降低NOx的生成,才能經濟地實現常規燃煤污染物的超低排放甚至近零排放。燃煤工業鍋爐和爐窯量大、面廣、規模小,主要靠燃燒過程的氮氧化物控制的燃燒技術,輔以尾部凈化技術實現超低排放。因此,開發具有變革性的燃燒技術,即在燃燒過程中直接控制NOx生成的高效超低排放燃燒技術,突出經濟性好和不受規模限制特點,實現高效燃煤的近零排放技術突破,讓煤炭成為清潔能源,而不再是大氣污染的主要因素,以適應我國高速的經濟發展和生態環境建設,這也是我國工業領域煤炭清潔高效燃燒利用技術研發和應用的終極目標。

      (作者:呂清剛李詩媛黃粲然,中國科學院工程熱物理研究所。《中國科學院院刊》供稿)


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