工业锅炉节能减排效果及安全性分析

浅谈工业锅炉的节能减排

葛升群

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

工业锅炉在国民经济和社会发展中的地位和重要性是尽人皆知的，它所耗用的能源量之大，烟尘、二氧化硫、二氧化碳、氮的氧化物排放量占全国相应排放量的比例之高就说明了这一点。所以，工业锅炉节能、环保与国家建设资源节约型和环境友好型社会有直接的关系，它又与人民群众生活质量的改善息息相关。

西安能源研究会组织相关科技人员，经过一年多的辛勤工作，在相关单位及人员的大力配合支持下，对全市具有代表性的1 570台锅炉进行了摸底调研，基本掌握了西安市中小型锅炉的使用现状，有针对性地提出了节能减排治理对策。

2　中小型锅炉的现状与分析

西安市原有锅炉9 000多台。近几年经过市政府全面实施“蓝天工程”，拆除二环以内燃煤锅炉和全力推进集中供热、天然气锅炉等项目，许多污染严重的锅炉得以更新改造和大面积拆除，大气环境有了明显改善，但目前锅炉的治理情况仍不容乐观，节能减排的任务艰巨。

2.1　燃料结构上仍以煤炭为主，清洁能源使用率偏低

目前西安三环以内尚存各种类型的中小型锅炉2 461台，其中燃煤锅炉1 992台，约占锅炉总台数的81％，年耗原煤202万吨；型煤锅炉172台，燃油锅炉144台，燃气锅炉153台，清洁能源锅炉仅占总台数的19％，比例明显偏低。而国外燃油燃气锅炉占85％～95％。例如，美国工业锅炉和商业锅炉共有130多万台，燃煤的仅占5％左右。到2008年底，西安市将有200多台燃煤锅炉改造为清洁能源锅炉，届时西安市的清洁能源使用率将达到27.2％，有助于进一步缓解市区空气污染程度。

2.2　取暖燃煤锅炉比例偏重，季节性环境污染压力大

作为北方典型的煤烟型污染城市，西安市的燃煤采暖锅炉在锅炉布局中占据很大比重。目前全市有5 026台中小型燃煤锅炉用于冬季取暖，占中小型锅炉总台数的74％，而其他用于日常的生产生活的各类中小型锅炉只有1 766台。众所周知，煤的燃烧产物是污染大气的主要元凶，燃烧1吨煤平均排放CO₂490kg，粉尘13.6kg，SO₂14.8kg。另外，固体废渣及煤的堆放对地面及地表水也有严重的破坏。取暖期燃煤锅炉的大量集中使用，对西安市冬季取暖期的大气环境质量形成了很大的压力，冬季的大气污染指数较其他季节明显偏高。因此，采暖燃煤锅炉的治理改造应作为西安市中小型燃煤锅炉改造的重中之重。

2.3　锅炉平均吨位小，燃烧技术落后，除尘设备效率低下

目前西安市的中小型锅炉单机容量小，平均吨位只有1.9吨/台，其中1吨以下锅炉767台，1～4吨锅炉1 221台，4～10吨锅炉4 683台，10吨以上锅炉121台。这些锅炉中的燃煤锅炉多为链条炉、往复炉排式层燃锅炉，其中，链条炉层燃式炉排锅炉占90％，悬燃式锅炉和沸腾床锅炉等占10％。层燃式锅炉中，链条炉排锅炉占，往复炉排锅炉占，大多燃用混合煤。由于锅炉吨位较小、燃烧方式低下，多为层燃式，燃烧效率低，污染物排放强度高。锅炉烟尘排放浓度一般为250～300mg/m³，而国外为50～100mg/m³；锅炉平均热效率只能达到50％～60％，较国外低20％～30％。同时，由于多数手烧锅炉未安装或仅安装了简单低效的除尘设施，烟尘的排放没有得到相应的技术和设施加以有效遏制，市区冒黑烟的现象屡有发生。二氧化硫的治理长期以来也没有得到足够的重视，由于中小型燃煤锅炉先进脱硫技术的开发一直处在矛盾之中，在技术和成本没有达到合理平衡的情况下，推广上存在较大难度，无法得到治理企业的积极响应和支持，进展一直十分缓慢。

2.4　锅炉房管理水平较低，跑、冒、滴、漏严重

在调研中发现，大多数燃煤锅炉房管理混乱，规章制度不健全，司炉工的技术水平较低，节能环保意识淡漠。有些锅炉的仪器仪表长时间不维护，锅炉水处理不规范，甚至不处理，锅炉受热面内侧严重结水垢，外侧积灰垢。不按规定排污，锅炉烟道处漏风严重，个别锅炉的过量空气系数高达3以上，排烟温度高达300℃以上，炉膛中煤燃烧不充分，炉渣中含碳量高达25％。锅炉长期低负荷运行，使锅炉传热变差，经济性明显下降。

3　治理措施可行性研究

目前，无论从国外还是国内治理比较好的城市的治理情况来看，中小型燃煤锅炉的治理多是从调整燃料结构、改进燃烧方式入手，将原有的燃煤锅炉更新改造为燃油锅炉、燃气锅炉、电加热锅炉或使用成熟的洁净煤技术，成效较为明显，值得借鉴。但是，由于西安市实际情况不同，无法完全照搬成型的经验，应根据本地情况，从实际出发，既要照顾到区域经济的发展，又要在保证区域经济可持续发展的基础上摸索出有效的治理举措，逐步、分阶段、高起点地进行治理。

3.1　煤炭、石油和天然气燃烧的影响及评价

3.1.1　煤炭、石油和天然气污染物排放评价

煤炭燃烧过程中排放出多种污染物，如烟尘、SO₂、NO_x、CO₂、CO、烃类、醛类、痕量金属、放射性物质，以及大量的灰渣。其中痕量元素包括砷、铍、铅、汞及放射性等有毒有害的痕量元素；灰渣包括底渣和除尘器收集的飞灰。

石油和重油燃烧不良时，会产生少量黑烟污染环境。但除了钒等痕量金属元素外，没有其他粉尘排放到大气中，所以比燃煤要干净得多。石油中的硫化物大都残留在重油里，不易脱除，燃烧后变成SO₂，但其排放量要比燃煤少得多。另外，油燃烧时还会排放出CO₂、NO_x、CO、烃类、醛类等污染物，其中CO₂的生成量要比煤炭燃烧时少得多。

天然气是一种高热值的清洁燃料，燃烧时产生的污染物很少，基本上可视为洁净燃烧，SO₂生成量极少，燃烧时生成NO_x、CO₂、CO等。CO₂的生成量也比煤炭要少得多。

3.1.2　煤炭、原油和天然气燃烧影响评价

以1 000MW发热量采用不同能源时的“三废”排放量。采用原煤为燃料时，每年排放的烟尘、SO₂、废渣最多，对环境污染危害也最大；以石油油品、型煤产品为燃料时居中；而以天然气为燃料时污染物排放量最少，对环境污染危害最小，近似清洁生产。

3.2　电加热锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和洁净煤技术产品比较分析

3.2.1　从环境效益的角度看，燃烧设备的改造应保证治理后从根本上提高市区大气环境质量

电加热锅炉是以电作为燃料来支持燃烧的，没有烟尘和二氧化硫排放方面的忧虑，应该说是最为环保的，符合环境效益上的要求。燃气锅炉使用天然气或煤气作为燃料，有其燃料上的优势，天然气或煤气燃烧产生的烟气基本上对环境不构成什么威胁。燃油锅炉从燃料上分为两种，一种是燃重油、渣油锅炉，这种锅炉所使用的重油、渣油往往含硫量很高，烟尘排放严重，约为燃煤的2倍，同时二氧化硫和二氧化氮的排放浓度也远远高于燃煤；另一种是燃用轻质油锅炉，这类锅炉主要使用轻质柴油、汽油支持燃烧，轻质柴油、汽油都是经过裂变后产生的优质油品，硫分含量相对较低，燃烧值很高，能够满足锅炉对热量的高要求，同时从环保的角度也保证了烟气排放的清洁度。

洁净煤技术是一种新兴的先进技术，早在上世纪90年代初就已经引起国家的高度重视，主要包括4个领域14个方面：一是煤炭加工领域，包括选煤、型煤、配煤、水煤浆技术；二是煤炭的高效洁净燃烧技术领域，包括先进的燃烧器、硫化床燃烧（FBC）技术、整体煤气化联合循环发电技术；三是煤炭转化领域，包括煤炭气化、煤炭液化、燃料电池；四是污染排放控制与废弃物处理领域，包括烟气净化、煤层气的开发利用、煤矸石、粉煤灰和煤泥的综合利用、工业锅炉和窑炉等技术。经过十几年的研发、实践，其中许多技术已经得到了不断的改进，具备了相当的实用性。

3.2.2　从技术适用性的角度看，燃烧设备的改造治理应在符合环保要求的前提下提高实用性

目前，电加热锅炉、燃气锅炉和燃油锅炉的技术条件已经比较成熟了，能够满足取暖需求和工业生产上的要求，但在降低能耗方面一直没有取得突破性的进展，相对于燃煤锅炉而言，能耗还是比较高的，有待于进一步研发成熟实用的节能技术。在推广上，这三种类型锅炉比较适用于小吨位（主要是4吨以下）锅炉的更新改造。

洁净煤技术经过十几年的发展已经取得了一定的成就，但对于中小型燃煤锅炉的治理，比较适用的只有洁净配煤和型煤锅炉技术，其他诸如煤炭气化、煤炭液化、硫化床燃烧（FBC）技术、整体煤气化联合循环发电技术等适用于大型锅炉的改造，对于中小型燃煤锅炉的改造，技术上的实用性并不强。(www.xing528.com)

3.2.3　从经济性的角度看，燃烧设备应该适合于地区特点，便于推广

从经济的角度来说，电加热锅炉、燃气锅炉并不适应不发达地区，首先是因为更新改造的成本较大，治理单位前期投入很大，据估算，1吨位大约需要前期投入12～15万元。这在经济不发达、企业经济效益不太理想的地区，推广的难度是可想而知的。其次，这几种类型的锅炉在使用的过程中较之燃煤锅炉，使用成本的提高也是很大的，环保部门即便在锅炉的更新改造前期投入时动用环保补助资金予以补助，也很难调动企业改造的积极性。因此，电加热锅炉、燃气锅炉的推广只能局限于小吨位锅炉的改造。

虽然燃油锅炉能够满足锅炉环保方面的要求，热效率高、环保效果好、占地少、便于调节，前期更新改造的投入较之燃煤锅炉也差不多，但燃油锅炉在经济不发达地区的推广也存在一定的难度，主要是使用成本太高，环保型燃油锅炉对燃油的要求较高，一般需要燃用轻质柴油，廉价的重油无法达到环保的排放标准。另外，燃油除了烟尘排放比燃煤少以外，其他污染物的排放并不比燃煤少，推广使用上只能局限于小范围、特定的行业部门。

基于西安市能源结构、经济状况和当前国内国际洁净煤技术的发展情况，西安市的中小型燃煤锅炉治理应侧重于推广型煤、配煤和烟气脱硫等洁净煤技术。这批技术由于从20世纪90年代初就开始开发研究，到现在为止已经比较成熟了，能够在短期内显著减少烟煤污染，是一批实用而可靠的先进技术。而且，这批技术在实际的推广过程中，由于其成本低、热效率高、环保效果好等优点，能够减少大面积推广的难度，在较短的时间里取得明显的环保效益和经济效益。

3.3　固硫型煤及型煤专用炉推广前景

3.3.1　固硫型煤的特性

（1）型煤的反应活性（α）比原煤高。试验表明，在同一温度下，型煤的活性（α）值比原煤高0.3～2.6倍。940℃时原煤活性（α）值为0.17，型煤的活性（α）值为0.78，型煤（α）值比原煤提高了3.58倍，此时型煤炉温可达1 100℃。

（2）型煤燃烧性能比原煤好。试验表明，型煤的燃烧性能比原煤好。由于型煤具有良好的燃烧性能，所以型煤热效率高，燃尽率高，节煤好。

（3）型煤固灰固硫能力比原煤好。由于型煤燃烧性能好，型煤燃烧时烟尘排放量减少50％～80％，苯并（α）芘的排放量也有大幅度下降，至少减少50％。型煤含有固硫剂及其特殊的结构，SO₂排放量减少了40％～60％。

3.3.2　固硫型煤在锅炉上的应用

（1）固硫型煤在锅炉上应用的环境效益和经济效益，优于其他各种煤加工途径所产生的这两种效益。

（2）固硫型煤在锅炉上应用的节能效益，优于煤炭不同加工产品所产生的节能效益。

（3）固硫型煤在锅炉上应用节约的基建费用，低于各种不同煤加工途径所产生的费用。

（4）锅炉燃烧固硫型煤的经济效益。锅炉燃烧固硫型煤时经济效益十分显著。据研究资料记载，在总吨位150吨的几台锅炉上燃用固硫型煤时，比燃用原煤时每年可节约237.6万元。

5）锅炉燃用固硫型煤的环境效益。锅炉燃烧固硫型煤时环境效益也相当可观，在几台总吨位达5 000吨锅炉上燃用固硫型煤后，与链条炉相比烟尘年排放量可减少1 577.2吨，烟尘排放量可减少57％；可降低烟气林格曼黑度3度；SO₂年排放量减少162.722吨，型煤的固硫效率为54.52％。锅炉排放烟气烟尘浓度，烟气黑度及SO₂的浓度，可达到GB13271 －2001《锅炉大气污染物排放标准》的要求。

综上所述，经济快速发展不污染破坏环境，资源综合利用是基础。搞好了资源综合利用环保就有动力，就会提高能源的利用效率。因此发展经济，保护环境是前提；而环保工作要做好，节能和资源综合利用又是前提。从环境效益、技术性和经济性上分析，基于目前中小型燃煤锅炉的现状，西安市中小型燃煤锅炉的治理改造应在坚持使用清洁能源的基础上，要鼓励企业和科技人员积极进行环境保护、节能和资源综合利用的科研活动，对于环保资源综合利用产生的新产品给予政策性优惠、鼓励。另外，对于成熟的系统性环境保护、节能和资源综合利用项目，给予资金支持，建设一批样板示范工程。用取得良好效益的环保典型推动节能减排产业的发展。

4　中小型燃煤锅炉综合治理对策

由于目前型煤专用锅炉的成熟技术仅限于6吨以下（包括6吨）锅炉，因此，为加速低效锅炉的更新改造，必须从实际出发，坚持“切实可行，全面规划，抓好重点，科学论证，先易后难”的原则，采取改用清洁能源、热电结合、集中供热、联片供热和单炉更新改造等不同方式，逐步取消各种燃原煤锅炉。

4.1　基本思路

（1）对于燃煤锅炉，尤其是小容量（1吨以下）锅炉，优先燃烧清洁燃料，从源头上控制燃料燃烧产生的SO₂、烟尘等。在实际的操作过程中，考虑到治理企业经济状况不甚理想，确有困难或不具备条件的，可改用型煤专用锅炉。

（2）对于1～6蒸吨（不含1蒸吨，含6蒸吨）取暖锅炉，在集中供热管网覆盖区域内的，原则上要求其采用集中供热方式，拆除现有锅炉；暂时不具备条件的，可改用型煤专用锅炉；对于1～4蒸吨（不含1蒸吨，含4蒸吨）非采暖锅炉，实行蜂窝型煤专用锅炉治理改造。

（3）对于6蒸吨以上取暖锅炉和4蒸吨以上非采暖锅炉，由于目前该吨位的蜂窝型煤专用锅炉技术尚不成熟，一方面在加强技术攻关力度的同时，暂时根据区域环境管理的需要允许一部分单位进行除尘器配套改造，改用干湿两级除尘或静电、布袋等高效除尘设施。另外，在燃料的选用上加强控制管理，杜绝散煤在市区范围内的使用，推广适用效率较高、环保的洁净配煤。

（4）积极推进城市集中供热和联片供热工程的实施，通过城市集中供热管网的延伸取缔拆除覆盖区域内且具备采用集中供热条件的锅炉，从根本上改变我市供热方式，降低取暖锅炉比重，降低点源低空污染，实行规模化集中管理。

4.2　禁止原煤直接燃烧

目前西安市燃煤锅炉SO₂和烟尘污染状况严重，主要是因为高灰高硫的原煤未经洗选筛选直接燃烧和燃烧技术落后造成的。由于煤炭洗选能力较低，燃煤锅炉的煤炭品质基本上得不到保证，多为原煤直接散烧。为了确保锅炉热效率高和大气污染物排放量最少化，对燃煤锅炉煤炭的品质要按国家规定严格要求，从锅炉源头上对燃料做出严格的限制，即禁止锅炉燃烧高灰高硫的原煤，推广使用洁净配煤或添加燃煤助燃剂。

4.3　淘汰小锅炉

锅炉的热效率和污染物的排放量，不仅和煤炭的品质及燃烧方式有关，而且同锅炉的容量有关。通常在其它条件相同时，锅炉容量越大，锅炉热效率越高，污染物排放量越少。容量小的锅炉，燃烧方式一般比较落后，燃烧不稳定，燃烧效率低，污染物排放量也较多。20吨/时锅炉的热效率比1吨/时锅炉高15％左右，前者热效率为65％～75％，而后者仅为50％～60％，当然，后者污染物排放量也要多。为此淘汰小容量的锅炉，是提高热效率、节约煤炭、减少SO₂及烟尘排放量的最简便、最经济的方法。

参考文献

［1］《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271－2001）

［3］徐新华，吴忠标，陈红.环境保护与可持续发展.第一版.北京：化学工业出版社，2000

（注：该论文发表于《工业锅炉》2008年第6期）