赵钦新，王云刚，梁志远，邵怀炎

(西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049)

 

低碳和减碳能源是能源革命的未来。   

 (1)继续淘汰、关停排放、能效不达标的落后煤电机组;

 (2)引导非供热亚临界煤电机组优先退出;

 (3)控制煤电规模在11亿kW以内。

    针对国家煤电控量和增效的发展布局，各电站设备制造企业一是继续探索超高参数蒸汽和超临界二氧化碳的超大容量燃煤发电机组;二是抑制传统燃煤纯凝发电机组(这直接响应了控量和增效);三是开发燃煤及多源固废藕合发电，这直接催生多源固废综合治理及生态绿色发展。此举将压缩中大容

量纯凝发电的多源固废焚烧发电技术生存空间，但分布式的中小型多源固废焚烧过程及相关产品会有较大上升发展空间。

    作为未来综合能源革命的主流减碳技术，未来国家将继续开展光、煤互补藕合发电工程示范，增加风、光等可再生能源发电的比例，增加风、光等可再生能源发电的储电能力和增加燃气蒸汽联合循环及天然气热电冷联产机组;未来储能和氢能也将成为新型产业发展的主流碳中和技术。

    我国锅炉自主设计、制造正走向成熟。首先，我国燃煤电站、工业锅炉装备设计、制造已实现完全国产化。我国大型燃煤发电DCS控制及芯片也已实现完全国产化，和利时、国电智深、科远、上海新华等国产DCS系统在300 MW级燃煤发电机组占比已达50%。多源固废电站、工业锅炉装备设计、制造已实现完全国产化，固废预处理、燃烧装置和系统集成日渐成熟。燃气工业锅炉燃烧器主机和本体设计、制造已实现国产化，尽管燃气阀组、控制模块还有待攻关和进一步完善，以铸铝硅和不锈钢为代表的商用燃气热水炉设计、制造已实现完全国产化，尽管防爆风机、控制模块还有待进一步攻关和完善。

   天然气是低碳排放燃料，其碳排放只有煤炭的50%，是木柴、重质油和轻质油的65 %，是液化石油气的85%。天然气主要成分为CHQ氢与碳重量比大约为1 : 3}氢的热值为125.6 MJ/kg，碳为33.7 MJ/kg，因此在CH、中，氢对天然气热值的贡献大于碳。因此‘煤改气’、“煤改电”、气电藕合是未来工业锅炉低碳节能方向。

    锅炉就是一个换热器，一种受火的间壁式换热器。企业擅长处理的介质是水、水蒸气、空气、烟气;擅长的加热方式是以燃料燃烧为核心的加热方式;非燃烧加热方式如电、电热泵、太阳能已部分蚕食传统锅炉市场;未来储电和储能技术将加快推动电、风能和太阳能迅速进入供热领域。

    工业锅炉行业和企业要走出去，扩大产能进入通用换热器领域;研究开发新产品进入空气和烟气净化领域;研究开发电加热，风能、太阳能供(储)热

技术。同时我们也要请进来，将干燥、电热泵、嗅化铿，空气、烟气净化器等产品请到我们的工业锅炉企业。对企业家而言这不仅仅是产品和市场的竞争，而是拓宽和深化整个内循环产业链的竞争。

   “锅炉”就是这样一个开启了蒸汽时代的传统产品，但它仍具有被重构和解构的创新前景。

    下面以水管燃气锅炉为例来说明基于辩证法、唯物史观的创新思想。众所周知，螺旋形、H形和针形翅片管(图1 (a)所示)是工业生产中常用的传热

强化扩展受热面，提高传热有效性，以价格低廉的扁钢或钢丝节省价格高昂的管材基本金属，具有本质节能的优势，从螺旋形、H形到针形翅片，生产成本依次升高，生产效率依次降低，尤其是针形翅片(在船用锅炉应用极为广泛)形状多变，更为重要的是，只有针形翅片适合应用到高烟温区(如1 100℃)，其他形状的翅片只能应用于700℃及以下区域。H形翅片可以垂直于水管中心线焊接，那么一定可以平行于金属管焊接，如图1 (b)所示。技术人员若能经常地运用直观思维(也称感性思维)、抽象思维(也称逻辑或理性思维)和辩证思维指导研究开发，指导生产和实践，最终可形成企业的内源性创新生产力。

    1.燃煤及多源固废锅炉的核心是高效清洁燃烧

    众所周知，燃煤及多源固废锅炉技术的核心是高效清洁燃烧，悬浮、流化床和层状燃烧及其藕合仍具有较大创新空间，其创新的主要目标在于确保高效燃烧的基础上实现氮氧化物初始排放达到ioomg/m;及以下水平。为达此目标，燃煤及多源固废的热解、预混、气化及解藕燃烧是未来发展方向，只有这样才能有效抑制硫及氮氧化物的随意生长，杜绝细微颗粒物的肆意张扬。

    尽管未来煤电将与多源固体废弃物实现藕合燃烧，但在多源固废处理过程中，垃圾、污泥、医疗废弃物等危险废弃物焚烧的残余物依然危险，人们已经创新研发了很多技术专门处理危险废弃物，如气化熔融技术等，但是其飞灰仍然含有重金属物质，需要研发创新技术精深处理焚烧残余物，如笔者目前正研发采用微波水热技术降低煤气化过程生成的含尘焦油的粘性。含尘焦油是煤气化过程产生的高热值固体废弃物，但高粘性限制了其在工业生产上资源化应用，利用微波水热技术可大大降低其粘性，处理后的含尘焦油可直接用于循环流化床燃烧。

    另外，微波水热方式还可以固化垃圾焚烧飞灰中的重金属，垃圾焚烧飞灰中含有过量的重金属，属于危险废弃物。在添加剂的辅助下，利用微波水热技术可通过化学沉淀与多孔吸附的藕合作用实现重金属的高效固化。处理后的垃圾焚烧飞灰产生沸石结构，可应用于废水处理及工程建造，实现危险废弃物的资源化利用。

    2.超低排放是清洁燃煤及多源固废过程的基本追求

    电力行业从2011年开始积极推进燃煤机组烟气污染物协同综合治理超低排放的技术路线。图4示出了以烟气冷却为核心的烟气污染物深度协同治

理系统，其中湿式静电除尘器可以深度脱除细微颗粒物和S03，烟气冷却器和烟气再热器联立后可以用余热再热脱硫塔后的湿饱和烟气，消除有色烟羽。“超低排放”要求PM/SOZ/NO二达到10/20/35 mg/m3m的排放指标，也有电力公司提出在“超低排放”要求PM/SOZ/NO二达到5/20/35 mg/m3排放指标的基础上增加对S03和Hg的超低排放限制，如华能国际在2014年就提出了PM/SOZ /NO} /S03 /Hg达到5/20/35/5/0.005 mg/m3的超低排放的燃煤电厂烟气污染物协同治理技术路线，而且不采用湿式静电除尘器，这对脱硫塔的除尘性能有了更高要求。

    3.超净排放是清洁燃煤及多源固废过程的本质追求

    传统燃气锅炉高能耗、高排放，锅炉热效率平均可达92% } NO二排放多在80 } 150 mg/m3，不仅浪费天然气，而且助推雾霆，因此，提效和减排成为函待解决的问题。为满足国家新提出的燃气NO二排放不大于30 mg/m;的环保要求，我国曾广泛使用欧洲多数燃烧器厂家均采用的FGR预混技术进行技术改造，带来诸多运行新问题，从专利权利要求上分析，目前仅有韩国水国(Sookook)公司生产的扩散式燃烧器可不采用FGR实现NO排放小于等于30 mg /m;。

    众所周知，燃气锅炉高效清洁的核心就是低氮冷凝，要实现低氮冷凝需要低氮燃烧器和高效换热器，国内企业不掌握低氮燃烧器和高效换热器的设计理论和方法，造成国内多数企业采购国外核心部件进行组装，或直接进口国外原装的燃烧器，这成为工业锅炉行业和企业的主要痛点。

    燃气燃烧器未来发展方向是NO二近零排放，为此国外公司都树立了2025 } 2030年的发展目标。NO二近零排放的燃气燃烧器除了进一步降低热力NO二外，还要大幅度削减瞬时NO}。在NO二近零排放的燃气燃烧器中，除了传统的扩散式后混燃烧器有较大份额，而全预混燃气燃烧器的发展也呈现多样化，目前，已经商业化的有金属纤维编织、金属纤维烧结、金属孔板、多孔陶瓷、水冷预混燃烧头的燃烧器，其中水冷预混燃烧器中的水冷燃烧头是换热器和燃烧器的有机结合，如图10所示。除阀组外目前全预混燃气燃烧器都已经实现了国产化，可以实现锅炉制造厂多年来梦寐以求的既有“锅”又有“炉”的梦想，这也可能成为锅炉制造厂独立自主创新的开始。

    在新产品结构研发上有了创新的起色;在材料选型上已从过去的碳钢为主过渡到铸铝硅、奥氏体不锈钢和双相不锈钢材料上;尤其是制造工艺上，下料切割从过去的火焰切割过渡到等离子切割和激光切割;焊接从过去的手工电弧焊过渡到气体保护焊、激光一电弧复合焊接、激光焊接，有些企业还拥有了机器人焊接技术。

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