13从动力机械工程学科发展角度谈工业锅炉发展趋势2

1从动力机械工程学科发展角度谈工业锅炉发展趋势赵钦新，王云刚，梁志远，邵怀爽（西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部重点实验室，陕西西安710049）摘要：工业锅炉在动力机械工程学科中属于第三层次科目分类，但是工业锅炉产生的由化学能转换而来的热能可以涵盖发电、工业蒸汽和生活采暖，不仅关乎能源结构调整和环境可持续发展的人类两大主题，而且直接关系国民经济发展和人民生活改善的质量和水平。尤其是在积极发展天然气、核电、可再生能源等清洁能源，逐步降低煤炭消费比重，推动能源结构持续优化的今天，工业锅炉的发展趋势成为国家、企业和家庭共同关注的焦点，这牵扯到常规工业锅炉产业的提质升级和新兴能源产业的更新替代，其战略发展态势需要拨开云雾方可窥其一斑。1.前言动力机械工程学科是研究如何把燃料的化学能和流体动能安全、高效、低污染地转换成动力的基本规律和过程，包括蒸汽工程（锅炉、蒸汽机、汽轮机等）、内燃机工程（汽油机、柴油机、气体燃料发动机）、流体机械及流体动力工程、喷气推进机与涡轮机械等。考虑中国动力工程学会所涵盖的业务范围，2018-2019《中国动力机械工程学科发展报告》主要涉及了动力机械工程学科中的蒸汽工程（锅炉和汽轮机）、燃气轮机和水轮机工程等3个工程学科4个专业的研究。这3个工程学科是目前我国发电设备制造业的主流学科，所生产的火力发电设备和水力发电设备占我国电力工业的95％左右，是国民经济发展和人民生活水平提高的基础工业，是国家综合实力的重要体现。按照钱学森先生的学科划分观点，工科学科分基础科学、技术科学和工程技术，因此，工业锅炉的科学基础仍然是数学、物理和化学；工业锅炉的技术科学基础是工程热力学、流体力学、传热学和燃烧学；工业锅炉的工程技术基础是热能工程二级学科涉及的专业基础，涉及设计、制造、系统集成和运行中的关键技术，按生产过程来分，涉及工程技术研究的实验平台、实验方法和技术、结构和材料选型设计技术、由制造工艺和方法构成的制造技术和锅炉岛系统集成及运行控制系列关键技术。2近10年来，我国领先的工业锅炉企业已具有完全自主化的锅炉设计技术体系，不仅消化了和国外合作技术中的关键技术，推进了工程示范，各主要工业锅炉厂在中试平台建设和实验验证设计体系的探索中也不断加大投入，并自行或和高等院校、研究院所联合成立了各种常规能源及可再生能源高效转换技术中心，在实验和产品调试过程中积累了大量的测试和运行数据，并结合计算机应用技术的普及和推广，合作、引进或自行编制了设计软件在工业锅炉产品设计中得以应用，在提高产品设计效率的同时，也提高了设计的精确性，使工业锅炉设计向着更精细化设计方向发展。如采用三维设计软件可以使结构设计设计更加紧凑，数学模型更加精准，数值模拟分析计算软件可以优化燃烧、流动和传热及系统设计，可获得烟气侧和工质侧稳定、优化的炉内燃烧动力场和温度场分布，流量分配更加均匀、合理，结构更加紧凑，使热效率和排放得到切实优化。领先的工业锅炉制造企业开始积极推进智能制造技术，强化工艺过程的计算机辅助工业规程设计，积极打造锅筒、集箱和管板备料、焊接过程的自动化、数字化和智能化升级换代，实现工作参数智能录入、识别，生产制造信息实时采集、加工参数精准控制和调整、加工过程精细管理和程序参数远程控制等，某些企业还积极引进了焊接机器人来替代过去的人工焊接工作量，显著提高产品的制造质量，实现了关键部件的智能化生产。宏观上讲：我国富煤少油缺气的能源资源禀赋特点及生产力发展阶段，决定了今后相当长一段时间内，煤炭仍将是我国的主体能源。推进煤炭的清洁高效开发利用，是实现能源生产和消费革命的必由之路，锅炉无疑是实现能源消费革命的主体装备。这句话听起来似乎是给煤炭张目，实际上却道出了以上说法的偏颇，其主要问题在于上述说法忽视了可再生能源的发展潜力，虽然我国富煤少油缺气，但是我国核燃料资源近期有富裕，中期有保证，远期有潜力，正在成为快速发展的新能源，其次，我国也并不缺少风能和太阳能，风能和太阳能可以说取之不竭、用之不尽，尤其是在风力和太阳能光伏发电已经具有和燃煤标杆电价持平的今天，进一步显现出以上说法的幼稚可笑。煤炭占70%绝对是主体能源，煤炭占30%并多于其他也是主体能源，关键是看战略的思维定位和社会发展的需要。2.电站锅炉技术发展32.1煤燃烧技术“十三五”期间，洁净燃煤发电新技术正在加快研发和推广应用，以提高煤电发电效率及节能环保水平。现役煤电清洁化改造和新建清洁化煤电机组，加大了高能耗、重污染的煤电机组的改造和淘汰力度，重点研发和推广了更高效率、更低排放的煤炭发电技术。近年来煤燃烧研究重点集中在先进燃烧技术和特殊煤种燃烧，其中MILD、化学链和半焦燃烧技术已取得理论探索和实验室基础研究成果；而富氧、高碱煤燃烧技术和超临界水煤气化技术已达到具有理论探索深度、中试及示范工程的应用广度。2.2高效超超临界锅炉技术“十二五”期间，我国锅炉制造企业通过技术合作和自主研发，完成了一系列350MW～1000MW等级的27.8MPa/605℃/603℃的超（超）临界一次再热锅炉关键技术研究和工程示范，使我国超（超）临界电站锅炉和发电机组装机居世界首位。又在不断总结设计、制造、安装及运行等方面的经验基础上自主研发设计了一系列350MW～1000MW等级的27.8MPa/605℃/623℃的超（超）临界高效一次再热锅炉，660MW～1000MW级的32.4MPa/605℃/623℃/623℃的超超临界高效二次再热锅炉、1000MW超超临界W火焰炉、1000MW超超临界褐煤塔式炉、700℃超超临界锅炉、尾部烟气余热综合利用系统、富氧燃烧锅炉及关键设备、中东及南美地区600MW等级油气炉等多个具有里程碑意义的重大产品，使高效一次和二次再热超超临界发电（USC）趋于成熟。其次，我国整体煤气化联合循环发电技术（IGCC）已实现商业化运行，富氧燃烧（OEC）发电技术整体走向中试和示范，以上整体创新成果达到国内外领先水平。未来，超超临界发电技术有望实现两个目标，一是完成更高蒸汽参数1000MW，35MPa/615℃/633℃/633℃超超临界二次再热机组的工程示范；二是为建设更高蒸汽参数650℃/700℃的超超临界燃煤发电机组的示范工程进一步夯实基础，除完善总体设计方案外，要在镍基耐热合金材料的基础研究、性能评估和运行平台验证工作方面下大力气才能完成这一飞跃。2.3烟气污染物协同脱除技术“十二五”以来，电力行业力推燃煤电站锅炉烟气污染物的协同综合治理和4污染物超低排放，2018年我国东部、中部和西部的80%以上的燃煤发电机组实现了烟气污染物PM≤10mg/m3、SO2/≤20mg/m3和NOx≤35mg/m3的超低排放要求，同时，已有部分规模化燃煤发电企业还在机组实现超低排放的基础上实施了烟气再热消除烟羽的技术改造。“十三五”以来，面对大中城市严峻的雾霾蔓延之势，我国燃煤发电企业再次奋起积极推进并实施了以烟气冷却余热回收、烟气冷凝脱水减污和烟气再热减湿消白为技术路线的“铁拳治霾·保卫蓝天”的工程技术探索，为未来进一步实施清洁空气蓝天行动奠定了研究、关键技术和工程应用基础。当前我国烟气污染物治理工作主要有以下几点趋势：从以电力行业为主的污染物治理向电力、钢铁、建材、冶金、化工等多行业同步治理转变；从高效脱除单一污染物向多种污染物高效协同脱除转变；从常规污染物（PM、SO2、NOx）控制向常规及非常规污染物（PM2.5、SO3、Hg等重金属、VOCs等）协同控制转变；在特别排放限值的基础上，纷纷提出了非常规污染物超低排放限值的目标。而对CO2排放，我国通过政府、企业研发投入以及国际合作建成多个万吨级以上CO2捕捉示范装置，最大捕捉能力约12万吨/年；正在运行12个不同规模的CO2驱油与封存先导或中间试验，每年共注入CO2约100万吨；开展了10万吨级陆上咸水层CO2封存示范；建成4万吨规模的全流程燃煤电厂CO2捕捉与驱油示范等，部分CCUS技术已初步具备大规模产业示范条件和产业发展基础。CCUS产业化应用将实现油气、煤化工和煤电等传统产业的低碳化，提高其可持续发展能力，并延伸产业链，促进CO2捕捉大型装备与新材料、新型的封存勘测和监测设备等产业的发展。2.4电站锅炉技术发展前景在我国，锅炉行业是一个不断发展的产业，科学技术水平的普遍提高以及人们对环境保护意识的日益提高，推动着锅炉技术的革新与进步。发展高效清洁燃烧技术，设计更高参数的超超临界锅炉，开展超临界二氧化碳锅炉研究是燃煤机组增效减排的重要途径，也是燃煤发电技术创新和产业升级换代的主要方向。同时，在燃煤机组基础上发展起来的多能互补，按照不同能源品质的高低进行综合互补利用，统筹安排各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理的能源利用效果与效益。未来电厂正朝着智能化的方向发展，从2016年中国自动化协会发电专委会发布《智能电厂建设指导纲要》，到中电联发布《火力发电厂智能5化技术导则》，各发电企业和电厂设备提供商均开始探索和实践智慧电厂的建设工作。经过大约3年的技术发展，基本形成了远程诊断系统和智慧电厂两个技术体系，为发展智能电厂奠定了基础。2.5电站锅炉对工业锅炉技术发展的影响电站锅炉对工业锅炉技术发展具有直接影响，这种影响在工程技术上体现在基础科学、技术科学和工程技术的各个方面。首先电站锅炉技术发展直接影响国家GDP增长和国民经济发展水平，从而影响工业锅炉主导发展方向；其次，电站锅炉技术发展的新成果可以直接复制到工业锅炉上，可以为工业锅炉技术发展提供宏观指导，如设计技术、低氮燃烧技术、制造工艺技术、除尘脱硫脱硝超低排放技术等。当然工业锅炉技术发展也有其独立性，虽然空气分级、燃料分级和烟气再循环是低氮燃烧的主体技术，但应用于层燃锅炉燃烧存在一定的特殊性，需要特殊的技术思路，但技术原理是一样。同样，工业锅炉在自身发展过程中也会形成独有的关键技术，也会扩展到电站锅炉行业，如独特的制造工艺技术、紧凑换热器技术，远程控制技术等，但这种影响的范围和深度不及电站锅炉对工业锅炉的影响能力。未来可再生能源发电的一些技术会直接替代常规的工业锅炉技术，如太阳能光热发电技术目前已具备多元化发展基础，不仅可以发电，还可以产生蒸汽和热水直接供应工业过程和生活采暖，不仅如此，未来太阳能/氢能将是所有化石能源发电、供热的终结者。3.工业锅炉技术发展我国现有的工业锅炉有63万多台，每年大约消耗7.5亿吨煤。世界工业锅炉的出口额约为24亿美元，我国占18%，是世界上工业锅炉出口额最多的国家。图1示出了国家统计局的统计的工业锅炉产量发展状况；图2示出了智研咨询公司给出的工业锅炉市场规模发展状况。可以看出，我国工业锅炉总体呈旺盛发展态势，我国工业锅炉的50%用于各主要工业部门，主要分布在轻纺、能源、建材建筑和化工等5大门类工业企业，占比都在9.5%～17.5%其他分布在冶金、交通、军工和其他行业，可以看到，这些行业仍然是我国未来发展的主体行业，是不可或缺的重点工业行业。虽然工业锅炉产量从2014年处于递减状态，但其市场规律却呈递增之势，这说明工业锅炉进入良性发展轨道，其行业市场规模在逐渐扩6大。可见用于工业过程的工业锅炉仍比用于生活供热锅炉的市场要大得多。图1国家统计局工业锅炉产量发展状况图2工业锅炉市场规模发展状况3.1燃煤工业锅炉技术我国燃煤工业锅炉，量大面广，多数处于城市中心或近郊，热效率低下、污染严重、直接催生雾霾、综合治理难度大。“十二五”以来，燃煤工业锅炉一直向着大型化、高参数的方向发展，层燃、循环流化床和煤粉燃烧工业锅炉都取得了创新实践和发展，同时也极大地促进了我国燃煤工业锅炉企业自主研发、生产和超低排放运行技术的多元化发展。在燃烧装置方面，瓦房店市永宁机械厂生产的燃煤链条炉排片及炉排不仅满足国内需求，也出口海外。“十三五”期间，国家针对层燃工业锅炉燃煤提质技术适用性差、热效率偏低、炉内污染物控制脱除技术不完善等问题，开始研究利用离线在线耦合燃煤提质、炉排精确配风、低氮燃烧、自动燃烧调控等技术，显著降低NOx原始排放浓度，进一步利用SNCR分级