高效煤粉工業鍋爐房內景

高效煤粉工業鍋爐系統研發初期團隊合影（左三王乃繼，右一紀任山）

【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，工業的食糧，是十八世紀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，工業的食糧，是十八世紀以來人類世界使用的主要能源之一。然而，燃燒煤炭產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新推動能源生產和利用方式變革，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，提升煤炭提質與資源綜合利用、高效燃煤發電、先進煤基潔凈燃料、污染物控制及資源化利用、工業節能、重大裝備研制等技術和能力，建立世界一流研發平臺，培養世界一流科研隊伍，發展世界一流技術，獲得世界一流成果。

    煤粉工業鍋爐技術是一種以“煤粉燃燒技術”為核心的先進工業鍋爐換代技術，應用該項技術可有效提高燃煤工業鍋爐燃燒效率，降低運行成本，獲得顯著的節能減排效果，推廣清潔高效煤粉型工業鍋爐系統，是實施潔凈煤戰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”戰略，不斷提升煤炭利用效率，滿足國家能耗排放做“減法”、經濟發展做“加法”，采訪了煤炭科學研究總院煤炭高效潔凈燃燒利用領域的青年專家，煤粉工業鍋爐產業的年輕帶頭人——紀任山。

    致力創新 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，其關鍵是如何處理煤燃燒的系統技術。高效工業煤粉鍋爐技術可實施爐內脫硫（脫硝），燃燒器采用低氧分級配風設計，煤粉燃燒充分、鍋爐換熱效果好、煤粉預混強化燃燒，燃燼率高、空氣過剩系數小，鍋爐系統熱效率高、，燃燒過程中產生的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備變頻控制，節電效果明顯。是解決我國能源安全、調整能源結構、減少城市污染物排放的有效途徑。

    2014年3月，中國煤炭工業協會、中國城鎮供熱協會分別組織召開了“煤粉型工業鍋爐清潔高效利用現場會”和“煤粉鍋爐供熱技術研討會”，大力推薦煤科院高效煤粉工業鍋爐系統。

    3月26日，國家能源局發展規劃司在北京組織召開了由煤科總院承擔的“‘十三五’煤炭清潔高效發展若干重大問題研究”課題開題會?！啊濉禾壳鍧嵏咝Оl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，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的研究成果對于科學編制及有效地服務于我國“十三五”能源規劃將具有重要意義。

    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構，決定了煤炭清潔利用的必要性。但是，以煤為主的能源結構和能源消費總量持續增長，使我國污染控制和環境保護依然面臨巨大壓力。到2020年，如不采取有效措施，即使按照污染物產生量最少的情景預計，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境問題，將對經濟和社會發展產生重大影響和制約。

    煤炭科學研究總院是我國煤炭行業唯一的綜合性科研機構和技術創新基地，擁有優秀穩定的人才隊伍，設有“國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室”、“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重點實驗室和研究中心，及配套的核心設備生產基地。承擔了煤炭行業70%以上的科技攻關項目，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，發展節能環保產業”為企業使命。

    煤科總院研制的高效煤粉工業鍋爐系統具有清潔燃燒、高效運行、顯著節煤、節約占地、簡易操作、友好環境等特點。目前，煤科總院在東部沿海和北部高寒地區的煤炭企業集團、市政熱力和大型工業園區市場取得了很好的推廣業績，已在天津、河北、山東、安徽、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西等地區，內蒙古、陜西、山西、甘肅等西部高寒礦區，共計20多個省市地區建成推廣應用煤粉工業鍋爐系統500余臺套，近萬蒸噸等效容量。

    紀任山作為我國高效工業煤粉鍋爐技術的研發創始人之一，十多年如一日扎根科研、產業第一線，參與或主持國家重點項目10多項，取得專利40余項，其成果引領行業發展，填補了國內空白，為中國煤炭高效低碳利用打下了堅實的基礎。2013年，紀任山光榮獲評第二十二屆孫越崎科技教育基金“優秀青年科技獎”，成為他科研工作中一個新的起點。

    高效清潔 技術先進

    我國以煤為主的能源結構和能源消費總量持續增長，使我國污染控制和環境保護依然面臨巨大壓力。初步研究預測，到2020年全國煤炭消費量將達到48億噸左右，在一次能源消費結構中的比重仍達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。

    高效煤粉工業鍋爐系統是煤炭科學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，歷時數年，獨立開發成功的擁有全部自主知識產權的高科技產品。相對于傳統燃煤工業鍋爐而言，高效煤粉工業鍋爐更具清潔環保、循環發展、環境友好、節能降耗等優良特性，不僅符合國家十分緊迫的節能減排形勢和政策導向，還是傳統高污染、高能耗燃煤工業鍋爐的升級換代產品，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、工業爐二次增氧燃燒、消煙及除塵等潔凈煤技術開發工作中。當時，身為帶頭人的王乃繼博士總是耐心地對年輕人進行關心和疏導，前輩的嚴傳身教成為紀任山科研事業的重大轉折，也為他的科研工作確立了標桿。跟隨導師，他先后參加了煤科總院技術創新基金項目“氣化、燃燒集成化耦合裝置及聯鎖自動控制技術系統”的開發，中日合作項目“鏈條鍋爐高效煤燃燒專家診斷系統開發”，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用領域，并先后到山西、江蘇、上海、湖南、內蒙及北京的工程現場進行技術服務。在項目實施過程中，他積極與各專業的技術人員探討、解決關鍵技術環節，虛心向各領域專家學習，不僅順利完成了工作及試驗任務，也使自身的知識層面不斷拓展，提高了職業技能和業務水平。

    多年來，紀任山一直潛心研究煤粉高效潔凈燃燒技術，并取得了豐碩的研究成果。先后主持并參與了國家“十五”科技攻關項目“中小型高效煤粉鍋爐技術系統開發研究”、“十一五”科技支撐項目“高效工業煤粉鍋爐系統及關鍵技術”、國家863計劃項目“小容量高效低污染煤粉燃燒技術”、國際合作項目子課題“煤粉工業鍋爐系統供料新技術開發及燃燒優化”、“高效煤粉工業鍋爐關鍵裝備的合作研發”等多項國家級科研項目；作為執行負責人，參與組建“國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室”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，紀任山帶領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鍵性技術難題，成功研發出2-100t/h煤粉工業鍋爐系統技術及裝備。該技術集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、智能測控等關鍵技術于一體，系統熱效率達90%以上，污染物排放濃度遠低于國家或地方環保指標，實現了煤粉的高效、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，關鍵是怎么燒和燒后如何處理？由煤炭精細化利用、開發的先進燃煤系統，必定成為燃煤工業鍋爐的必然選擇。紀任山長期深處科研和產業一線，熟悉我國燃煤鍋爐的現狀和性能，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域的有關煤炭氣化、水煤漿、煤粉及鍋爐技術等科研、產業更是一腔熱情。他介紹說，鍋爐按用途劃分大至分為兩種：發電站鍋爐和工業鍋爐。我國發電用鍋爐與國外差異很小，而工業鍋爐企業生產的工業鍋爐，由于同業競爭嚴峻，技術落后，受生產條件和規模所限，僅相當國外“二戰”時期的水平。發達國家依托煤粉濃相燃燒技術，發展的煤粉工業鍋爐系統已很成熟。

    我國工業鍋爐熱效率較低，能耗大，設計經濟運行熱效率為72%—83%，實際運行效率60%—65%，遠低于設計水平和國際平均水平。而工業鍋爐燃煤又多為沒有洗選的原煤，灰分硫分較高，且粒度質量較差，是導致燃燒效率低，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勢。如果工業鍋爐采用我國自主知識產權的高效煤粉鍋爐，可將蘊涵著上千億元產值的市場激活。

    檢測數據顯示，與傳統的鏈條鍋爐相比，煤粉型工業鍋爐系統平均效率由65%提高至90%，綜合節煤率達30%以上；煤粉型工業鍋爐系統實測煙塵排放僅為11毫克/標準立方米，遠優于傳統鏈條鍋爐的80毫克/標準立方米，與天然氣鍋爐的排放水平相當；二氧化硫排放不超過100毫克/標準立方米；氮氧化物排放不超過200毫克/標準立方米。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。

    據統計，煤炭科學研究總院從1999年開始，在消化吸收國外先進燃煤工業鍋爐技術基礎上，對煤粉安定儲存、無脈動密相輸送、二次空氣無級分級配風、前置強化燃燒、煙氣再循環、高倍率灰鈣循環煙氣脫硫等關鍵技術進行了開發創新，創立了燃煤工業鍋爐行業的系統集成運作“島鏈”模式，開發出了3個系列15個標準化產品，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計、制造和使用的新篇章。這項創新成果2007年通過國家技術鑒定。