清潔高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的實踐者

高效煤粉工業(yè)鍋爐房內(nèi)景

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

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

    煤炭是地球上蘊藏量最豐富，分布地域最廣和最易儲存的化石燃料。被人們譽為黑色的金子，工業(yè)的食糧，是十八世紀(jì)以來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80%，是最大的空氣污染源，迫切需要通過自主創(chuàng)新推動能源生產(chǎn)和利用方式變革，大幅降低能源消耗強度和二氧化碳排放強度，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，培養(yǎng)世界一流科研隊伍，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)”為核心的先進工業(yè)鍋爐換代技術(shù)，應(yīng)用該項技術(shù)可有效提高燃煤工業(yè)鍋爐燃燒效率，降低運行成本，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)，是實施潔凈煤戰(zhàn)略的有機組成部分之一，更是提高煤炭潔凈高效利用的有效手段之一。日前，記者就如何全面實施“潔凈煤”戰(zhàn)略，不斷提升煤炭利用效率，滿足國家能耗排放做“減法”、經(jīng)濟發(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)可實施爐內(nèi)脫硫（脫硝），燃燒器采用低氧分級配風(fēng)設(shè)計，煤粉燃燒充分、鍋爐換熱效果好、煤粉預(yù)混強化燃燒，燃燼率高、空氣過剩系數(shù)小，鍋爐系統(tǒng)熱效率高、，燃燒過程中產(chǎn)生的SO2、NOX含量低，煙氣采用布袋除塵，粉煤灰綜合利用，無二次污染，對功率較大的電氣設(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，中國煤炭工業(yè)協(xié)會、中國城鎮(zhèn)供熱協(xié)會分別組織召開了“煤粉型工業(yè)鍋爐清潔高效利用現(xiàn)場會”和“煤粉鍋爐供熱技術(shù)研討會”，大力推薦煤科院高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)。

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

    在我國，煤炭占一次能源消費比重近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)和能源消費總量持續(xù)增長，使我國污染控制和環(huán)境保護依然面臨巨大壓力。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，二氧化硫、氮氧化物年排放量將分別達到4000萬噸和3500萬噸。燃煤污染作為能源環(huán)境問題，將對經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響和制約。

    煤炭科學(xué)研究總院是我國煤炭行業(yè)唯一的綜合性科研機構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新基地，擁有優(yōu)秀穩(wěn)定的人才隊伍，設(shè)有“國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室”、“煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室”等十多個國家及行業(yè)重點實驗室和研究中心，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)項目，累計科技成果5000余項，獲得國家級、省部級科技獎1000余項、各類專利500多項。伴隨著我國科技體制改革的步伐，始終堅持以“推動煤炭科技進步，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、高效運行、顯著節(jié)煤、節(jié)約占地、簡易操作、友好環(huán)境等特點。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、市政熱力和大型工業(yè)園區(qū)市場取得了很好的推廣業(yè)績，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20多個省市地區(qū)建成推廣應(yīng)用煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)500余臺套，近萬蒸噸等效容量。

    紀(jì)任山作為我國高效工業(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，參與或主持國家重點項目10多項，取得專利40余項，其成果引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，填補了國內(nèi)空白，為中國煤炭高效低碳利用打下了堅實的基礎(chǔ)。2013年，紀(jì)任山光榮獲評第二十二屆孫越崎科技教育基金“優(yōu)秀青年科技獎”，成為他科研工作中一個新的起點。

    高效清潔 技術(shù)先進

    我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和能源消費總量持續(xù)增長，使我國污染控制和環(huán)境保護依然面臨巨大壓力。初步研究預(yù)測，到2020年全國煤炭消費量將達到48億噸左右，在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比重仍達60%以上。燃煤的大量粗放式使用，無疑成為我國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)研究總院在國家科技支撐計劃，863計劃及國際科技合作等項目的支持下，歷時數(shù)年，獨立開發(fā)成功的擁有全部自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。相對于傳統(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，不僅符合國家十分緊迫的節(jié)能減排形勢和政策導(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)開發(fā)工作中。當(dāng)時，身為帶頭人的王乃繼博士總是耐心地對年輕人進行關(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)新基金項目“氣化、燃燒集成化耦合裝置及聯(lián)鎖自動控制技術(shù)系統(tǒng)”的開發(fā)，中日合作項目“鏈條鍋爐高效煤燃燒專家診斷系統(tǒng)開發(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，他提出了我國層狀煤燃燒特性的評價方法，為熱煤氣燃燒開辟了新的應(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)場進行技術(shù)服務(wù)。在項目實施過程中，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任務(wù)，也使自身的知識層面不斷拓展，提高了職業(yè)技能和業(yè)務(wù)水平。

    多年來，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家“十五”科技攻關(guān)項目“中小型高效煤粉鍋爐技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)研究”、“十一五”科技支撐項目“高效工業(yè)煤粉鍋爐系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)”、國家863計劃項目“小容量高效低污染煤粉燃燒技術(shù)”、國際合作項目子課題“煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)供料新技術(shù)開發(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)”等多項國家級科研項目；作為執(zhí)行負責(zé)人，參與組建“國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室”及“煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室”。在以上項目的支持下，紀(jì)任山帶領(lǐng)研究團隊解決了無脈動供粉、中小型煤粉空氣分級低氮燃燒、鍋爐受熱面無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t/a煤粉制備工藝、煤粉安全儲存及運輸、重力式濃相供料、空氣無級分級低氮燃燒、鍋爐本體、一體化脫硫除塵、智能測控等關(guān)鍵技術(shù)于一體，系統(tǒng)熱效率達90%以上，污染物排放濃度遠低于國家或地方環(huán)保指標(biāo)，實現(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？由煤炭精細化利用、開發(fā)的先進燃煤系統(tǒng)，必定成為燃煤工業(yè)鍋爐的必然選擇。紀(jì)任山長期深處科研和產(chǎn)業(yè)一線，熟悉我國燃煤鍋爐的現(xiàn)狀和性能，通過參與或主持一批國家重點項目研究知道“困”與“急”，對我國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，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。我國發(fā)電用鍋爐與國外差異很小，而工業(yè)鍋爐企業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)鍋爐，由于同業(yè)競爭嚴(yán)峻，技術(shù)落后，受生產(chǎn)條件和規(guī)模所限，僅相當(dāng)國外“二戰(zhàn)”時期的水平。發(fā)達國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。

    我國工業(yè)鍋爐熱效率較低，能耗大，設(shè)計經(jīng)濟運行熱效率為72%—83%，實際運行效率60%—65%，遠低于設(shè)計水平和國際平均水平。而工業(yè)鍋爐燃煤又多為沒有洗選的原煤，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，我國煤粉鍋爐的污染物排放已能做到與燃油、燃氣鍋爐接近，而分別采用輕油、天然氣、煤粉作為燃料的鍋爐，其運營成本之比大至為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。如果工業(yè)鍋爐采用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高效煤粉鍋爐，可將蘊涵著上千億元產(chǎn)值的市場激活。

    檢測數(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30%以上；煤粉型工業(yè)鍋爐系統(tǒng)實測煙塵排放僅為11毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，遠優(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100毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米；氮氧化物排放不超過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，煤炭科學(xué)研究總院從1999年開始，在消化吸收國外先進燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)基礎(chǔ)上，對煤粉安定儲存、無脈動密相輸送、二次空氣無級分級配風(fēng)、前置強化燃燒、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)進行了開發(fā)創(chuàng)新，創(chuàng)立了燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)的系統(tǒng)集成運作“島鏈”模式，開發(fā)出了3個系列15個標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，獲得了31項專利，3項省部級科技獎，開啟了我國新型煤粉鍋爐的設(shè)計、制造和使用的新篇章。這項創(chuàng)新成果2007年通過國家技術(shù)鑒定。