典型燃煤工業(yè)鍋爐行業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王志強(qiáng)，楊 石

（煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013）

工業(yè)鍋爐泛指額定蒸汽工作壓力大于0.04 MPa并小于3.8 MPa 的蒸汽鍋爐，以及額定出水壓力大于0.1 MPa 的多種容量與溫度的熱水鍋爐，是一種重要的熱能動力設(shè)備，我國是世界上生產(chǎn)和使用工業(yè)鍋爐最多的國家。工業(yè)鍋爐除了用于為市政供暖供熱的生活領(lǐng)域，還廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、煉焦、水泥、造紙、造船、垃圾處理等生產(chǎn)行業(yè)。

截至2017 年，全國工業(yè)鍋爐約有40.1 萬臺，總?cè)萘亢嫌?jì)約206 萬蒸t，由于能源結(jié)構(gòu)的特殊性，燃煤工業(yè)鍋爐約32 萬臺，占總量的80%[1]。在目前我國以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)下，燃煤工業(yè)鍋爐在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)仍然是工業(yè)鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品。經(jīng)過長期的發(fā)展，燃煤工業(yè)鍋爐主要形成了鏈條爐排鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、水煤漿鍋爐以及近年來興起的高效煤粉工業(yè)鍋爐等典型的技術(shù)流派和產(chǎn)品種類。不同類型鍋爐都有其各自的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和適用范圍。因此選擇何種形式的燃煤工業(yè)鍋爐也成為用戶最為關(guān)切的問題之一。對于燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性的對比分析，可查資料不多。

本文通過對工業(yè)鍋爐行業(yè)現(xiàn)狀以及幾類典型燃煤工業(yè)鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，期望能對鍋爐用戶項(xiàng)目的建設(shè)提供決策的依據(jù)。

1 技術(shù)分析和行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 鏈條爐排鍋爐

鏈條爐排鍋爐是一種比較完善的層燃型鍋爐，具有超過一百年的歷史。空氣從爐排下送入。燃料隨爐排自前向后緩慢移動，在爐膛內(nèi)受輻射加熱，依次完成預(yù)熱、干燥、著火、燃燒等過程。鏈條爐排鍋爐結(jié)構(gòu)簡單、制造安裝和操作方便、煙塵排放濃度較低[2]。但熱效率不高，而且爐排鏈條不易檢修更換。近年來，通過強(qiáng)化燃燒、前后拱改造等手段，鏈條爐排鍋爐的節(jié)能減排效果有顯著提升。該型鍋爐主要在節(jié)能、環(huán)保性能方面需要進(jìn)一步提高。目前仍采用的手燒加煤、 間歇燃燒方式的小型固定爐排鍋爐必將淘汰，取而代之以新開發(fā)的新型鍋爐。

1.2 循環(huán)流化床鍋爐

循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)（CFB）是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)煤清潔燃燒技術(shù)，我國是世界上 CFB 鍋爐數(shù)量最多、總裝機(jī)容量最大、技術(shù)發(fā)展最快的國家，大型CFB 鍋爐技術(shù)基本可以分為技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā)兩類[3]，燃燒系統(tǒng)主要由布風(fēng)板、燃燒室、飛灰收集裝置（分離器）、物料回送裝置等組成。煤顆粒在設(shè)有防磨內(nèi)襯的燃燒室內(nèi)循環(huán)流化燃燒，灰渣采用干式排出。該類鍋爐具有爐內(nèi)脫硫效率高（90%）、燃料適應(yīng)性廣、低溫低氮燃燒等技術(shù)優(yōu)勢。

現(xiàn)今國內(nèi)的研究主要圍繞布風(fēng)板、 旋風(fēng)分離器的布置以及如何增大受熱面進(jìn)行，完善布風(fēng)、循環(huán)物料分配以及爐膛熱量平衡。

循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率可高于98%，鍋爐熱效率大于85%。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在25%～100%。

1.3 水煤漿鍋爐

水煤漿鍋爐以煤粉、水質(zhì)量比約7∶3，外加少量添加劑的水煤漿為燃料。按照燃燒方式分類，水煤漿鍋爐可分為霧化燃燒和循環(huán)流化床水煤漿鍋爐兩類。霧化燃燒方式是經(jīng)霧化燃燒器將水煤漿液霧化成小顆?；蝾w粒群后再進(jìn)行燃燒，霧化燃燒器是該類水煤漿鍋爐的技術(shù)核心； 流化床燃燒技術(shù)無需霧化，而是通過粒化器將水煤漿液制成滴狀落在床料層中，進(jìn)行燃燒。兩種燃燒方式各具特點(diǎn)，但綜合經(jīng)濟(jì)性差別不大。

整個水煤漿鍋爐系統(tǒng)包括燃料儲供、鍋爐本體、點(diǎn)火、供風(fēng)、煙氣凈化等子系統(tǒng)。由于水煤漿鍋爐煙氣中含有大量水分，因此鍋爐尾部需要配置余熱回收裝置來吸收高溫?zé)煔庵兴魵獾臒犰省?/p>

水煤漿鍋爐燃燒效率可高于98%[4-5]，鍋爐熱效率大于85%，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在30%～110%。

1.4 高效煤粉工業(yè)鍋爐

高效煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)在上世紀(jì)90 年代中期即已成熟，并且在德、法等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。我國最早于上世紀(jì)60 年代曾對煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，但受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件的限制，并未取得很好的成果[6]。上世紀(jì)末本世紀(jì)初，煤科總院在吸收國外先進(jìn)技術(shù)理念的基礎(chǔ)上，形成了適合我國國情的高效煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)體系。

煤粉鍋爐系統(tǒng)的核心技術(shù)是煤粉燃燒器及煤粉儲供設(shè)備，同時(shí)還包含鍋爐本體、煙氣凈化、點(diǎn)火裝置、供風(fēng)設(shè)備等子系統(tǒng)[7]。本地煤粉儲罐容量設(shè)計(jì)一般可以滿足 1～3 天用量，一般為 150～500 m3，最大可達(dá)1 000 m3。通過煤粉罐密、惰性氣體保護(hù)、防靜電、泄爆等多種手段，實(shí)現(xiàn)煤粉的安全存儲[8]?，F(xiàn)階段在工業(yè)鍋爐領(lǐng)域取得良好應(yīng)用效果的煤粉燃燒技術(shù)以煤科院開發(fā)的濃相逆噴煤粉燃燒技術(shù)為代表。高效煤粉工業(yè)鍋爐燃燒效率可達(dá)98%以上，鍋爐熱效率高于90%，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在70%～100%。目前高效煤粉工業(yè)鍋爐系列產(chǎn)品共分三類36 個品種。以煤科院為例，截至2018 年底，在內(nèi)蒙、山西、江蘇、天津、廣西等地已完成了200 余套高效煤粉工業(yè)鍋爐的建設(shè)，單臺鍋爐最大容量達(dá)到80 t/h。

1.5 典型鍋爐技術(shù)性能綜合分析

各類燃煤工業(yè)鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)如表1 所示。

表1 不同燃煤工業(yè)鍋爐技術(shù)特點(diǎn)對比

1.6 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國工業(yè)鍋爐從最初直接依靠進(jìn)口到自主研發(fā)生產(chǎn)，取得了很大的進(jìn)步，“十二五”期間更是取得了長足的發(fā)展?！笆濉币詠恚瑖噎h(huán)保政策漸嚴(yán)，《工業(yè)領(lǐng)域煤炭清潔高效利用行動計(jì)劃》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《質(zhì)檢總局燃煤鍋爐節(jié)能減排攻堅(jiān)戰(zhàn)工作方案》和《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》陸續(xù)出臺，對燃煤工業(yè)鍋爐提出了更高要求，產(chǎn)量也發(fā)生了相應(yīng)變化[21]，趨勢如圖1 所示。

圖1 我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)量發(fā)展變化趨勢圖

從圖 1 可以看出，2008～2017 年我國工業(yè)鍋爐產(chǎn)量可分為兩個階段：2008～2014 年，產(chǎn)量逐年增長，2014 年達(dá)到產(chǎn)量頂峰為 558 118 t/h；2015 年以來，產(chǎn)量逐漸顯現(xiàn)下滑趨勢，2017 年產(chǎn)量為433 675 t/h。2014～2017 年，產(chǎn)量整體下滑趨勢較為明顯。2018 年1～10 月累計(jì)工業(yè)鍋爐產(chǎn)量為235 678.2 t/h，同比減少35%。

在典型燃煤工業(yè)方面，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[22]，2018 年鏈條爐排鍋爐產(chǎn)量占比持續(xù)下降，以臺數(shù)計(jì)，降比為5個百分點(diǎn)，由13.99%下降為8.28%；以容量計(jì)，下降幅度為2 個百分點(diǎn)，由13.46%下降到11.35%。2018年循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)品產(chǎn)量所占比例，不論是以臺數(shù)計(jì)還是以容量計(jì)與2017 年相比，基本持平。水煤漿和高效煤粉工業(yè)鍋爐占比較小，以臺數(shù)計(jì)分別為0.04%和0.28%，以容量計(jì)分別為0.27%和1.66%，與2017 年相比，保持相對穩(wěn)定。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 初期投資對比分析

表2 為不同燃煤工業(yè)鍋爐投資成本比較。由表2 可知，由于鏈條爐排爐設(shè)備成本較低，水煤漿鍋爐項(xiàng)目不需要輸煤、出渣設(shè)備以及煤場、灰場。因此上述類型鍋爐在基礎(chǔ)投資方面比其他兩種類型鍋爐節(jié)省了初投資。而高效煤粉鍋爐由于需要煤粉儲存輸送設(shè)備，以及相關(guān)的安全保護(hù)措施，因此其設(shè)備投資明顯高于其它類型鍋爐，導(dǎo)致其初投資很高。

表2 不同燃煤工業(yè)鍋爐投資成本比較 （萬元）

鏈條爐排鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、高效煤粉工業(yè)鍋爐和水煤漿鍋爐的初投資比例約為1∶1.12∶1.22∶1.01。四類鍋爐的初投資比例趨勢與文獻(xiàn)[23-24]一致。

2.2 運(yùn)行成本對比分析

按照蒸汽壓力1.0 MPa，蒸汽溫度184 ℃，鍋爐年供蒸汽量7.2 萬t，給水溫度104 ℃，噸蒸汽耗水量 1.2 t，人工費(fèi) 4 萬元/（年人）計(jì)算，平均電價(jià) 0.7元/kW·h，水價(jià) 4 元/t。計(jì)算得到典型燃煤工業(yè)鍋爐的運(yùn)行成本（見表3）。

由表3 可知，由于高效煤粉工業(yè)鍋爐的效率、燃料熱值高于其它類型鍋爐，而噸蒸汽耗電、運(yùn)管人數(shù)低于其它鍋爐，因此高效煤粉鍋爐的運(yùn)行成本要明顯低于其它鍋爐。鏈條爐排鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、高效煤粉工業(yè)鍋爐和水煤漿鍋爐運(yùn)行成本的比例為1.19∶1.09∶1∶1.34，趨勢與文獻(xiàn)一致。

2.3 投資回收期對比分析

根據(jù)范瑋[25]的研究，影響鍋爐系統(tǒng)運(yùn)營投資的主要因素中，按照敏感性進(jìn)行排序，依次為：蒸汽供需量、燃料價(jià)格、蒸汽價(jià)格、初投資?？紤]到蒸汽供需量、蒸汽價(jià)格受用戶因素制約，近年來煤炭價(jià)格變化幅度很大，而鍋爐房建設(shè)初投資等變化幅度相對較小，因此本文僅考察不同煤炭價(jià)格下，各類燃煤工業(yè)鍋爐的投資回收期變化情況。

表3 不同燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行成本比較

假定蒸汽銷售價(jià)格200 元/t，燃料價(jià)格以循環(huán)流化床燃煤價(jià)格為基礎(chǔ)，按照表2 所示比例計(jì)算，得到各類燃煤工業(yè)鍋爐在不同燃料價(jià)格下的投資回收期（見圖 2）。

圖2 不同燃煤工業(yè)鍋爐投資回收期比較圖

由圖2 可知，各鍋爐項(xiàng)目的投資回收期均隨燃料價(jià)格的升高而增加。其中高效煤粉工業(yè)鍋爐項(xiàng)目投資回收期最短，隨燃料價(jià)格的升高，增長幅度最小。

3 結(jié)論

通過對幾類典型燃煤工業(yè)鍋爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得到以下結(jié)論：

（1）各類鍋爐均有其自身的技術(shù)優(yōu)勢及短板，鏈條爐和高效煤粉鍋爐的操作比較簡單，循環(huán)流化床鍋爐和水煤漿鍋爐初始SO2排放可達(dá)到較低水平，循環(huán)流化床鍋爐需要注意受熱面的磨損問題，水煤漿需要考慮制備漿液的水源和漿液防凍問題，高效煤粉鍋爐應(yīng)關(guān)注煤粉的安全儲存和輸送問題；

（2）在相同容量和運(yùn)行條件下，鏈條爐排鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、 高效煤粉工業(yè)鍋爐和水煤漿鍋爐的初投資比例約為 1∶1.12∶1.22∶1.01，運(yùn)行成本比例約為 1.19∶1.09∶1∶1.34。其中高效煤粉鍋爐的投資回收期最短。

（3）鍋爐用戶應(yīng)該根據(jù)各種鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性，在進(jìn)行具體決策時(shí)還需結(jié)合自身實(shí)際情況：如燃料的可獲得性、 用熱需求等因素，進(jìn)行綜合考量，最終確定適合的鍋爐類型。