随着经济社会发展和城市化进程的加速，我国中东部地区大气复合污染的态势日益严峻，突出表现在京津冀、长三角和珠三角等城市重度雾霾现象频发。据有关部门统计，工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的30%～40% 。为了使大气污染状况得到改善，提高燃煤工业锅炉的燃烧效率以及降低污染物的排放迫在眉睫。
1、煤粉工业锅炉关键技术
煤粉工业锅炉是由煤粉储存塔(罐)、供料器、燃烧器、锅炉本体、烟气污染物联合脱除装置、灰库、点火油(气)站、压缩空气站、惰性气体保护站及测控 10个子系统组成。设计、组装该系统主要有6项关键技术，即煤粉制备与运输、煤粉安定储存、浓相煤粉输送、煤粉燃烧器、锅炉本体和低排放烟气净化。
1.1 煤粉制
煤粉的加工工艺主要有2种: ①烘干与磨制分离的两步法工艺; ②磨制与烘干同时进行的一步法工艺。前一种工艺对设备的要求低，且系统容易控制，但功能分散、工艺链长，仅适用于小规模制粉。后一种系统工艺简单，适合大规模制粉，但对磨机设备及工艺安全性要求高。两步法工业磨机以雷蒙磨为主，一步法工艺磨机一般采用高温立磨。煤粉的配送由加装氮气保护的专用罐车完成，在煤粉加工配送中心与煤粉工业锅炉之间可实现无缝对接，根据应用经验，罐车的经济覆盖半径最大为100km。
无论采用何种工艺和设备，为了杜绝发生爆炸等事故，在煤粉制备整个流程中车间内应严禁扬尘的出现，各个设备应保持良好的密封性且回转窑、磨机应负压运行。回转窑是用于烘干煤粉的设施，内部温度高达700℃，在此温度下煤块有部分挥发分析出; 在初步破碎的过程中会产生少量的细粉，在回转窑转动时细粉悬浮在空中形成可燃性粉尘。综合这些因素回转窑内部既有可燃性粉尘也有可燃性气体，形成气-固可燃性爆炸物。烘干煤粉的烟气含氧量高达12% ，回转窑内部同时具备发生爆炸事故的三要素，因此急需对其气-固可燃性爆炸物的最低点火能、爆炸下限等性质进行研究，开发连锁保护装置，以杜绝爆炸事故的发生。
1.2 煤粉安定储存技术
煤粉储存的关键装置是煤粉储存塔(罐) ，储罐本体是在常压下使用的耐压容器( 设计压力不低于0.35 MPa)，为了防止静置煤粉压实“结壁”和起拱架桥，根据煤粉的流动特性，在煤粉存储塔(罐)下部设计半锥角小于20°的锥斗，并在锥斗壁面开孔通入压缩空气。从煤粉的安全性考虑，煤粉储存塔(罐)结构及其附属设施设置通常要采用多种安保措施，包括静电接地、壳体耐压、防爆门泄爆、传感器监控及惰性气体保护等，结构如图1所示。运行过程中，来自煤粉加工厂或配送中心的密闭罐车与煤粉储存塔(罐) 燃料加注管快速对接。罐车内的煤粉被车载压缩空气或用户自备压缩空气加压流化，进料阀门开启，煤粉流即以密相的形式快速注入罐内。风粉分离，煤粉靠自重下落，输送风则通过煤粉储罐顶部的布袋除尘器过滤后排入大气。若发现罐内温度快速升高并超过警戒温度或CO浓度报警，应启动惰性气体保护装置，即先从罐体底部注入N2，置换罐内O2，再从顶部注入CO2，覆盖煤粉表面，起到隔绝空气的作用。
图 1 煤粉储存罐结构示意
目前国内多数从业厂商缺乏煤粉存储安全知识，在设计、安装煤粉储存塔(罐) 时存在重大的安全隐患，如将煤粉储塔(罐) 置于全封闭建筑物内，有发生自燃甚至爆炸的危险。为了保证煤粉工业锅炉行业健康有序发展，应围绕在密闭空间内煤粉的自燃发火特性开展研究，为形成煤粉储罐完整的自主安全技术规范提供理论依据。
1.3浓相煤粉输送技术
供料器是煤粉工业锅炉中最为主要的设备，具备无脉动、高固气比连续稳定地给燃烧器供料的功能。供料不稳定，极易发生炉膛爆燃事故，为了保证锅炉稳定运行，供料偏差不得超过±3% 。近年来，国内自主煤粉供料技术主要有3类: ①借鉴电站锅炉系统的供料设备，如叶轮给粉机; ②粉体输送设备，如(改良) 螺旋输送机; ③引进国外的技术产品，如气锥结合锁气阀。前2类均为稀相供料，固(煤粉) 气(空气) 比一般小于 0.3 kg/m3，初始点火困难，不适合应用于煤粉工业锅炉领域。只有第3类为浓相供料，具备快速着火的条件，可应用于煤粉工业锅炉领域。
随着对煤粉流动特性认识的不断深入，供料器从螺旋结构形式升级为主动二次活化式。主动供料器的形式包括“星鸟”耦合文丘里(图2) 、多孔双转盘及转子秤等。煤粉经过底部星型卸料阀周期性地卸入到中间缓冲仓，中间缓冲仓锥斗壁面多点通气，使煤粉吸气快速活化，流动性显著增强。密度分布均一的煤粉流，依靠重力经锥斗出口进入“星鸟”耦合文丘里阀组。阀组连续均匀排出的煤粉落入高速引射流混合器组件，与一次风瞬间完成散射混合，形成高浓度风粉流。风粉流依靠一次风机提供的动力，经风粉管道源源不断浓相送出，进入下游燃烧器。“星鸟”耦合文丘里具备二次活化、均匀连续喂料以及引射流混合发送的特点，试验表明在供料速率2.4～4.0t/h 的工况下，“星鸟”耦合文丘里供料偏差为±1% 。
图2“星鸟”耦合文丘里供料器
1.4 煤粉燃烧器
煤粉燃烧器是煤粉锅炉燃烧系统中的关键设备。煤粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要由燃烧器的结构和炉膛的布置方式决定。因此，燃烧器的性能对煤粉燃烧设备运行的可靠性和经济性起到主要的作用。
工业锅炉煤粉燃烧器大多是借鉴电站锅炉燃烧器的设计，在此基础上进行改造后应用于煤粉工业锅炉领域。煤粉燃烧器的形式很多，就基本原理来分，可分为旋流式燃烧器和直流式燃烧器2 大类。旋流式煤粉燃烧器是利用其能使气流产生旋转的导向结构，使旋转气流形成有利于着火的回流区。按照产生旋转气流方法的不同，旋流式燃烧器可分为蜗壳式、轴向叶片式和切向叶片式 3 类，不同的组合形成了多种不同类型的旋流煤粉燃烧器。无论哪种结构的旋流煤粉燃烧器，其产生的旋转气流，在气流的出口形状、形成的回流区大小、回流强度以及气流混合特性等方面，都应能保证煤粉稳定着火与燃烧的要求。直流式燃烧器喷出的一、二次风都是不旋转的直流射流，喷口一般都是狭长形。
煤粉工业锅炉停炉、启炉的频率要远高于电站锅炉，燃烧器要具备迅速着火的特点;相比电站锅炉，煤粉工业锅炉还有负荷调节范围宽且占地面积小的特点。综合这些因素，将电站锅炉煤粉燃烧器直接应用于煤粉工业锅炉中存在诸多问题。国内小容量直喷煤粉燃烧器主要存在初始点火困难和负荷调节范围窄的问题。若煤粉工业锅炉低于60%负荷运行，极易形成脱火，进而存在发生爆燃事故的安全隐患。为了解决煤粉燃烧不稳定的问题，可采取在燃烧器周围敷设卫燃带的措施，但此措施在炉膛结渣(焦)、传热能力下降时存在发生爆燃、炉膛温度和排烟温度过高的安全隐患。在煤粉工业锅炉领域，煤炭科学技术研究院有限公司借鉴Dr.schoppe燃烧器的燃烧组织原理设计的中心逆喷双锥燃烧器(图3) 在煤粉工业锅炉燃烧器领域取得突破。相比其他旋流式燃烧器，此燃烧器没有单独设立回流室，仅靠组织流场形成回流区，体积小，且在回流区内，煤粉快速升温至1000℃，形成了高温空气燃烧。结合浓相送粉技术，燃烧器同时具备迅速点火、负荷调节范围宽，火焰稳定和低氮的优点，为煤粉工业锅炉安全可靠的运行提供了技术支撑。
图3中心逆喷双锥燃烧器
1.5 锅炉本体
煤粉工业锅炉同其他锅炉一样，是“锅”和“炉”的有机结合体。“锅”主要涉及工质(如水) 循环动力和换热的问题。“炉”主要是稳燃室的自然延伸部分，涉及煤粉燃烧及燃尽问题。煤粉工业锅炉本体主要有 WNS 异型炉膛火管锅壳形式、DZS膜式壁炉膛耦合锅壳对流换热面形式和 DHS 全膜式壁炉膛耦合蛇形管( 或锅壳，用于大型热水锅炉)对流换热面形式3种，根据容量采用不同的锅炉本体。容量 4～25 t /h锅炉采用 WNS异型炉膛火管锅壳型式( 稳燃式内置) 的锅炉本体，该本体无出灰口，单(或双)燃烧器水平或不小于8°倾斜前置，可以取消引风机，使锅炉在 0～200 Pa 压力下运行。WNS 锅炉本体的特点是结构紧凑、强度高和气密性好，具有现场施工量小和维护保养简单等优点，适用褐煤、长焰煤等低阶煤粉。容量 25 ～40t /h 锅炉采用 DZS 膜式壁炉膛耦合锅壳对流换热面型式，单燃烧器水平或倾斜前置，用90°全膜式壁整体水平弯头状回燃室，连接上游全膜式壁炉膛及下游锅壳式 (烟) 火管对流换热面。由于用高速(烟) 火管取缔传统低速管廊，既提高了对流传热效果，又避免了低负荷积灰问题。此锅炉本体模块化组装，现场施工量小，燃料可扩展至不黏煤粉。容量40～160t /h 锅炉采用DHS 全膜式壁炉膛耦合蛇形管对流换热面形式，其为全立式结构，单(或双) 燃烧器垂直顶置，火焰下喷。低温过热器置于水平烟道内，燃料可以扩展至弱黏煤、气(肥)煤粉。
总的来看，相比链条炉、排渣炉及循环流化床锅炉结构，设计煤粉工业锅炉本体主要考虑以下 3 个因素: ①容积热负荷与锅炉本体炉膛要协调。容积热负荷过高，温度高，炉膛内部容易结渣; 容积热负荷过低，炉膛水冷度增加，不利于火焰稳定传播，容易发生“脱火”现象。②煤粉火炬的几何形态，火炬的形态决定了炉膛的三维尺寸，应保证扩展后的火焰任何时候不与辐射受热面接触，同时高温烟气流动至对流换热面时，温度应低于煤灰的变形温度。③“锅”的支撑(或悬挂) 方式，这一因素对中高参数蒸汽锅炉尤为重要，支撑(或悬挂) 方式不合理，容易引起锅筒、水冷壁管及集箱等柔性体失稳的问题。
国内煤粉工业锅炉制造实力雄厚，加工手段齐全。但与国外发达国家相比，存在技术标准和规范不完善、本体设计及结构设计能力薄弱的问题，特别是容量小于30t/h 的中小型锅炉。截至目前，大多数厂商没有明确的锅炉本体技术思想，仍停留在简单套用常规层燃锅炉的结构设计，存在锅炉本体气密性差、运行环境恶劣、炉膛结渣、停炉频繁等问题。
1.6 低排放烟气净化技术
相对于电站锅炉，煤粉工业锅炉分散且容积小，因此电站锅炉昂贵的烟气净化技术不能完全照搬到煤粉工业锅炉上，只能开发适应于煤粉工业锅炉特点的低成本烟气净化技术。
现有的除尘装置分为4类: 机械力除尘器、湿式除尘器、过滤式除尘器和电除尘器。在煤粉工业锅炉中，采用机械力除尘器和过滤式除尘器联合除尘，不采用湿式除尘器和电除尘器，主要是因为在煤粉工业锅炉运行场地，电袋除尘器的运行成本高。采用布袋除尘，在过滤烟速不超 0.8 m /min，尘排放浓度可以控制在10mg/Nm3(标况)以下，但布袋除尘器目前存在的主要问题是滤袋及脉冲阀的寿命短。
降低NOx排放的主要技术措施分为3类，即普遍采用的低NOx燃烧技术、炉膛喷射脱硝和烟气脱硝技术。其中低NOx燃烧技术分为烟气再循环、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和高温空气燃烧。对于烟气再循环，由于烟气再循环率的增加是有限度的，对于大型锅炉通常控制在10%～ 20% ，此时煤粉炉的NOx排放浓度降低25% 。对于中小型煤粉工业锅炉来说烟气再循环率更低，降低 NOx 排放浓度有限，此项技术目前不太适合应用于煤粉工业锅炉领域; 对于燃料分级燃烧，由于烟气在再燃区停留时间相对较短，必须保证较高的燃烧速率，所以二次燃料宜选用高挥发分易燃且粒度更细的煤粉，对煤粉提出了苛刻的要求，不能广泛应用于煤粉工业锅炉领域;对于空气分级燃烧，在保证煤粉燃尽(烟气中CO排放质量浓度低于150 mg/m3 )的前提下，拉长火焰长度，减少高温区，有效抑制NOx的生成。结合高温空气燃烧器，通过分级燃烧技术能将 NOx浓度控制在100×10-6以下。综上所述，空气分级燃烧和高温空气燃烧是煤粉工业锅炉首选的降低NOx的技术。此外，炉膛喷射脱硝可以作为低氮燃烧技术的后续，进一步降低NOx的排放，而干法烟气脱硝技术，由于催化剂的成本比较高，脱硝催化剂反应的温度范围高于排烟温度，因此在煤粉工业锅炉中不能被广泛应用。
燃烧后的脱硫技术主要分为湿法脱硫、半干法脱硫和干法脱硫。煤炭科学技术研究院有限公司自主研发的炉内固硫耦合高倍率灰钙循环烟气脱硫技术(NGD，No Gap Desulfurization)充分挖掘和利用煤粉快速升温及炉膛内温和的温度场，用煤粉中的原生钙质碳酸盐及预先掺混入煤粉中的石灰石，在燃烧过程中吸附50%以上的 SO2，同时将剩余的石灰石煅烧成活性CaO。系统中富含CaO的活性灰，通过富集、增湿，循环返回布袋除尘器上游一段立管式烟道做成的反应器，继续脱除烟气中剩余的 SO2、SO3、HCl、HF等酸性气体，同时脱除重金属 Hg及As。与所有湿法脱硫工艺比，NGD技术具有流程简单、占地面积小、耗水少、运行成本低廉等特点，是一种经济、实用的创新技术。如同煤粉供料器一样，NGD技术的关键与难点仍然在于含钙飞灰的连续稳定给料。
2、经济效益分析
截至2014年底，煤粉工业锅炉已在全国多个省市地区进行推广应用，目前锅炉产品在市场上最大单机容量为80t/h。以江苏宿迁某工业园区容量60t/h 供汽项目进行技术经济分析，该项目热工与环保的第三方检测结果见表1。
经该项目运行单位核算，使用煤粉工业锅炉替代链条锅炉，节能和经济性情况见表2。与项目建设前使用烧散煤的链条锅炉相比，每生产1t蒸汽可节约标准煤0.04t，节煤率为27.3% ;可节约成本17.1元，成本下降14.3% 。按年运行7000 h 计算，共生产蒸汽84万t，与之前使用链条锅炉相比，每年可节约标准煤 3.36万t，成本降低1436.4万元。
表1宿迁项目热工及环保检测结果
表2宿迁项目节能和经济性能比较
根据已有的应用经验，我国的高效煤粉工业锅炉仍应定位于升级传统的燃煤工业锅炉，并能与油、气燃料实现互换，且容量一般小于130 t /h。同时受燃料和燃烧环境的限制，容量10 t /h 以下的工业锅炉还应以油气为主。从热工与环保检测结果可以看出，煤粉工业锅炉的热效率与天然气锅炉相当，而大气污染物排放水平已优于最苛刻的天然气特别排放限值要求。
3、结论及建议
1) 在煤粉制备整个工业流程，各个设备应保持良好的密封性，回转窑、磨机应负压运行，避免车间内的扬尘，预防发生“粉尘云”爆炸事故。由于回转窑内部同时具备发生爆炸事故的三要素，急需对其最低点火能、爆炸下限等性质进行研究，开发连锁保护装置，杜绝恶性爆炸事故的发生。
2) 在煤粉运输过程中，煤粉配送由加装氮气保护的专用罐车完成，设计煤粉储存塔时，应采取多种安保措施，充分考虑设置CO、CH4 等气体以及温度的监测和报警装置、配备多组分惰性保护装置和重力式防爆门装置。
3) 煤粉浓相( 着火) 燃烧组织、稳燃室半煤气燃烧组织、炉膛温和燃烧组织是煤粉工业锅炉区别于电站锅炉的三大核心技术。三大核心技术使煤粉工业锅炉既能很好地满足用户启停频繁、负荷变动幅度大的要求，也能为污染物控制最大限度地创造有利条件。
4) 电站锅炉昂贵的烟气净化技术不能完全照搬到煤粉工业锅炉上，只能开发适应于煤粉工业锅炉特点的低成本烟气净化技术。目前宜采用机械力除尘器和过滤式除尘器联合除尘、分级低氮燃烧耦合 SNCR 脱硝以及半干法脱硫技术。
5) 为适应我国快速城市(镇)化、工业园区化大形势，煤粉工业锅炉未来的发展趋势是: 一是满足区域性调峰锅炉房动辄总容量每小时数百蒸吨的需求，高温热水锅炉应适当大容量化; 二是满足能量梯级利用的需求，蒸汽锅炉应中、高参数化，通过拖动汽轮机部分发电，可显著改善用户经济效益; 三是满足苛刻的环保要求，污染物排放控制应超低化或近零化。
