实现工业锅炉清洁生产 推动能源生产消费革命
燃煤污染是我国大气污染的主要源头。资料显示，大气中烟粉尘排放的70%、二氧化硫排放的85%、氮氧化物排放的67%都源于以煤炭为主的化石能源燃烧。[1]在我国，中小企业的工业锅炉绝大部分还是以原煤为主要燃料，一方面锅炉效率低下，设计经济运行热效率为72%～83%，实际运行效率为60%～65%；[2]另一方面排放污染严重，排出的污染超过大气全部污染的25%。[3]
据工信部统计，2012年燃煤锅炉排放烟尘410万吨、二氧化硫570万吨、氮氧化物200万吨，分别占全国烟尘排放量的32%、二氧化硫排放量的26%和氮氧化物排放量的15%左右。[4]
所以，燃煤工业锅炉产生的污染是造成雾霾的重要原因之一，也是大气污染治理的重点，工业燃煤锅炉的污染治理已是当务之急。
影响煤炭清洁利用的关键在两头：一头是大量燃烧原煤，品种规格无法控制，再好的锅炉设备和燃烧技术也保证不了燃烧效果；另一头是环保部门要面对千家万户，执法很难到位，企业对使用洁净技术和配置环保设备没有内在动力，污染排放得不到遏制。
为了根治工业燃煤锅炉造成的大气污染问题，消除因燃煤而引起的PM2.5和PM10等雾霾污染源，中国能源研究会节能减排中心，提出了《工业锅炉节能减排治理污染的系统解决方案》（以下简称《方案》）。《方案》包括五个部分：一是全面推广使用洁净煤；二是使用新型环保高效的解耦燃烧锅炉；三是实行热电联产；四是实现对煤炭使用全过程的污染综合治理；五是建立工业锅炉清洁生产保障体系。通过思路创新、技术创新和机制创新，彻底实现工业锅炉清洁生产，推动能源生产消费革命。
一 全面推广使用洁净煤
用洁净煤（半焦）替代原煤作为燃料，这是从源头上解决煤炭清洁利用的重要措施。原煤的含灰、含硫、含水、挥发分、含汞及其化合物、热值差别很大，没有一种锅炉能做到使所有煤种都能被高效清洁利用的。燃料不标准化，就很难做到被高效清洁利用。所以燃料的清洁化、标准化尤其重要，对燃料污染物的源头治理，是规范能源消费市场的重大改革，这是一场革命。
洁净煤就是指，由原煤经过粗选、精选，脱去大部分的硫分和灰分，精制出来的低硫、低灰超净煤，再经过热解工艺处理，进一步去除硫分，拔出煤焦油和大部分挥发分，去除全部汞及其化合物，得到的以固定碳为主要成分的半焦[5]。这样做可以实现煤炭的提质分级利用，从而有效节约资源和高效合理利用煤炭资源。中国科学院李静海院士领导研发的“煤拔头”低温热解技术，采用“近零排放”的清洁生产热解工艺对原煤集中进行清洁处理，生产洁净煤和煤气，同时副产煤焦油，这是快速、清洁、量产洁净煤的优选方法之一。
运用“煤拔头”技术对精煤进行分解，分离出汽油、柴油、燃气和固体燃料，使燃料可以按品位分类分级使用。每吨神府煤可以生产出562.5千克清洁固体燃料、182千克清洁气体燃料（按0.75kg/Nm3的密度，折算243Nm3）、55.3千克清洁液体燃料（柴油和汽油），共转化出799.8千克清洁燃料。[6]固体清洁燃料用于替代工业锅炉使用的原煤，液体燃料替代石油产品，气体燃料替代天然气。
中国工程院院士、清华大学化工科学与技术研究院院长金涌，2015年4月接受中国化工报社记者访谈时也曾说过：用煤做燃料唯一可行的路径是做半焦。
为规范洁净煤的生产和使用，国家应该对洁净煤的生产过程制定清洁生产标准，对洁净煤产品制定产品质量等级标准，用户可根据所在地的环境标准要求来选用不同质量等级的清净煤。
二 使用新型环保高效解耦燃烧锅炉
空气中有78%的氮气，燃料中也含有氮，燃料在燃烧过程中要接触大量的空气，就会产生氮氧化物。一般燃烧温度越高，产生的氮氧化物越多，并且氮氧化物一旦生成并离开炉膛就很难消除。而氮氧化物又是造成大气雾霾的罪魁祸首之一，是我们治理雾霾遇到的劲敌。天然气锅炉与燃煤锅炉相比，燃烧过程中虽可以大大减少烟尘和二氧化硫排放量，但是依然会产生大量二氧化氮并且直接排入大气。
解耦燃烧是燃烧技术的一场革命。由中国科学院李静海院士领导发明的高效清洁解耦燃烧技术，是具有世界领先地位和自主知识产权的低氮燃烧技术。由于这种特殊的燃烧方式可以在燃烧过程中有效地抑制氮氧化物的产生，无须外加脱氮设施就可以使烟气排放满足天然气锅炉的排放标准。正常情况下，对排放烟气不做任何脱氮处理，其中的二氧化氮含量就可以低于200mg/Nm3，如再优化炉内燃烧过程，还可做到二氧化氮含量低于50mg/Nm3。[7]
解耦燃烧过程还可以把洁净煤燃料中存留的硫分，大部分固定在灰分里，灰分以炉渣的形式排出炉外，作为生产建筑材料，具有显著的炉内脱硫效果，锅炉烟气中的二氧化硫和烟尘初始排放浓度都很低，结合采用脱硫除尘一体化烟气超净化装置再进行净化，最终实现低于天然气锅炉排放标准，生产出清洁的蒸汽。图1为解耦燃烧工业锅炉结构示意。
图1 解耦燃烧工业锅炉结构示意
工信部、财政部已于2015年2月2日，发布《关于联合组织实施工业领域煤炭清洁高效利用行动计划的通知》（工信部联节〔2015〕45号）（以下简称《行动计划》）。《行动计划》将解耦燃烧技术列为国家推广的燃烧技术。《行动计划》在介绍解耦燃烧技术时写道：该燃烧方式可有效抑制氮氧化物的生成，是一种在燃烧过程中减少污染物的清洁燃烧技术。通过控制燃料中的硫含量以及抑制燃烧过程中的氮氧化物生成，实现整个燃烧过程的清洁化。《行动计划》规定所用的燃料是专用的煤基清洁固体成型燃料（俗称兰炭）。《行动计划》要求使用解耦燃烧技术达到的目标为，燃烧过程生成的氮氧化物烟气中的浓度低于200mg/Nm3，二氧化硫在烟气中的浓度低于100mg/Nm3，以及烟气粉尘浓度均达到天然气锅炉标准；燃烧效率在99%以上，锅炉热效率超过90%，达到天然气锅炉标准。[8]
我们在广东中山市小榄人民医院使用的一台4t/h的解耦燃烧锅炉，运行已有5年，锅炉热效率达到90%以上，[9]主要污染物排放指标测得数据低于广东省燃气锅炉大气污染物标准，也优于国家规定排放标准（参见表1）。
表1 广东省中山市环境监测站2013年8月28日对小榄人民医院运行工业锅炉检测结果
三 实行热电联产
严格按照“以热定电”的原则，配置背压式汽轮发电机组，改变原有工业锅炉单一提供生产用蒸汽方式，以供热为主、发电为辅，提高能源利用率。
背压式汽轮机发电机组是真正意义上的热电联产系统。我国大型火电厂一般采用冷凝式机组，由于发电过程的需要，有大量的冷凝损失，电厂的平均综合效率在37%左右，发电效率最高的上海外高桥第三电厂效率也未超过45%。而背压式汽轮机发电机组是按照“以热定电”的方式运行，供热时才发电，不供热时则不发电，以供热为主业，电力是副产品。锅炉供应汽轮机的蒸汽所携带的热能，约10%经过背压式汽轮机时转化为电力，其余热能在降低能源品位后照常供给热用户使用，实现梯级利用能源，从而使整个热电联产系统综合效率大大提高，可达85%以上，背压式汽轮机发电组副产电力的热电转换效率可达70%以上。在丹麦等发达国家已全面实现了这样的热电联产方式，大大提高了能源利用率。
长期以来，国家能源行政主管部门把热电联产的重点放在较大规模的开发区和30万千瓦以上机组上，绝大多数热电联产机组采用的是抽凝式汽轮机发电机组。热电厂以发电为主、供热为辅，设计时常常会追求发电容量越大越好，而当实际运行热负荷较低时，机组发电效率并不高，和纯凝机组差不多。对中小型工业锅炉热电联产的意义和价值的忽视，使我国中小企业工业锅炉热电联产步履艰难，至今我国约61万台工业锅炉[10]中大多数还是单纯供热，仍然能耗高、效率低，污染排放严重。这些燃煤工业锅炉耗煤总量虽然只有火电行业的一半，但污染排放量超过了整个火电行业的排放量。
在工业企业中因地制宜地推广背压式汽轮机发电机组的热电联产，以供热为主、发电为辅，不追求机组发电容量大小，彻底避免汽轮机冷凝损失，是提高能源利用效率、降低污染的有效途径之一。这样的背压式汽轮机发电机组副产电力的煤耗一般在200克标准煤以下，甚至可以达到160克标准煤左右，只相当于目前全国大型火电机组平均煤耗的一半。[11]
全国约有61万台工业锅炉，如果都实现背压式发电的热电联产，就可以增加6亿～9亿千瓦的电力装机，这比现在全国五大电力集团火电装机容量总和还多，这些机组发电煤耗低，而且省去了发电耗水，都在负荷中心，没有线路损耗，与生产用能同步，节能节水效果十分显著。这件事做好了，我国发电行业的生产方式和发电结构都将发生重大变化，对节能减排和能源合理利用将产生重大的影响。能源部原部长黄毅诚说过，工业企业热电联产是我国最大的节能项目，国家应该下大力气去抓这项工作。
四 实现对煤炭使用全过程的污染综合治理
在煤炭清洁利用上，人们已经下的功夫不可谓不多。大部分是致力于改善燃烧过程和对排放烟气的污染物治理。比如，煤气化燃烧、煤粉燃烧、水煤浆燃烧、富氧燃烧、循环流化床燃烧等，有的还在燃烧过程中使用添加剂。对排放烟气的处理属于后处理，需要在锅炉的末端添加各种环保设施。
我们认为，实现煤炭的清洁利用，就要对煤炭使用的全生产周期进行污染综合治理，减少终极排放。我们提出坚持前端治理，优先集中清洁治理，实现全过程治理的治污流程。在煤炭使用全生命周期的各个环节，对煤炭产生的各种污染物，科学合理地、有针对性地分别治理，建立全过程治理的无缝治污流程。
使用“煤拔头”低温快速热解技术对原煤进行集中清洁处理，可以除去原煤中大部分的硫和灰，除去全部的汞及其化合物，生成洁净煤（半焦），用洁净煤做工业锅炉的标准化、清洁化燃料，减少了污染后处理的压力；解耦燃烧锅炉以其特定的燃烧方式，在燃烧过程中可以有效抑制氮氧化物的生成，解决了燃烧过程最为头疼的氮氧化物排放问题，还可将大部分剩余的硫固化在炉渣中，而炉渣可用于生产建筑材料的原料；最后再经过一体化超净脱硫除尘装置处理烟气，可确保排放的烟气中污染物的含量达到天然气锅炉排放最严格的限值要求。
以洁净煤为燃料的工业解耦燃烧锅炉完全可以做到像天然气锅炉一样清洁燃烧，实际上已经可以做到：二氧化硫含量低于50mg/Nm3，烟尘含量低于30mg/Nm3，二氧化氮含量低于150mg/Nm3；而且还可以根据标准要求，做到更低的排放。
五 建立工业锅炉清洁生产保障体系
建立专业化管理、社会化服务的清洁能源生产供应中心，逐步形成以供应清洁能源和提供专业节能减排服务的生产服务类新兴产业。
采用解耦燃烧锅炉、背压式汽轮机发电机组，可以实现燃料的清洁高效利用，并为用户提供高品质的热力和价格优惠的电力。但是我们不能忽视，好的技术需要人来操作，好的装置也需要有专业知识和技能的人员来管理和运营。这对于众多中小企业来说，很难做到。尤其是对环保达标的要求，相当一部分的企业缺少内在动力。环保部门要面对各行各业和千家万户，也很难做到有效监管。这就要求我们创建一个既能满足中小企业生产所需热力供应，又能满足高效环保生产要求，而且便于环保部门监管的清洁能源生产服务中心，逐步形成以供应清洁能源和提供专业节能减排服务为主的生产型服务类新兴产业。
清洁能源生产服务中心，实行专业化管理，所有操作运行人员经过培训，考试合格后上岗。集控中心还对各个生产服务中心实行集中监控，所有数据在线上传并存储，保证各服务中心安全高效运行和达标排放。各种污染物排放数据在线上传给环保部门并向社会公开，环保部门可随时检查、监测各类排放数据，实现所有数据可查、可追溯。
清洁能源生产服务中心，是为广大中小企业提供社会化服务的机制创新的生产型服务类企业。这里不仅需要人们产能、用能观念的改变，还需要生产运行机制、管理机制和体制的改革。用户可以无须投资，直接从服务中心购买热力和电力。用户也可参与投资或全部投资清洁能源生产服务中心，委托给专业公司建设、运营和管理，效益归投资方所有，运营管理方只收取运营管理费。
这样就改变了过去中小企业自己烧锅炉，环保部门挨门挨户查排放的局面。由原来用户自己烧锅炉，承担污染治理的责任，变为由清洁能源生产服务中心来承担，并自觉接受环保部门的监管。这为环保监察部门管住、管好工业锅炉烟气排放，实现工业锅炉清洁生产，创造了条件，提供了可能。
这样的生产服务中心，可以实现对邻近数家中小企业的集中供热，还可以进一步发展为向周边社会提供热力和电力的服务，大大减少低效小锅炉的使用数量，为提高人民生活水平创造条件。
使用标准化的洁净煤做燃料，采用解耦燃烧的新型高效锅炉和脱硫除尘一体化烟气超净化装置的蒸汽清洁生产系统，实现背压式汽轮机发电机组热电联产，坚持对污染前端治理、优先集中清洁治理、实现全过程治理的治污流程，建立市场化建设、专业化运营和管理的为中小企业服务的清洁能源生产服务中心，这五位一体构成了一个完整的工业锅炉清洁生产体系，能实现工业锅炉清洁生产，确保煤炭的清洁利用，推动我国能源生产和消费方式革命，这是贯彻党的十八大精神，建设生态文明国家的实际行动。图2为煤炭洗选、“煤拔头”热解解耦燃烧、背压发电全过程示意。
图2 “煤拔头”煤基清洁固体燃料小型背压蒸汽轮机热电联产示意
按照本方案在全国逐步推广实施，如果全国有一半的燃煤工业锅炉按本方案实现更新，每年仅靠锅炉效率的提高和能源利用率的提高，就可以节约2亿吨标准煤。将来的清洁能源生产服务中心已不再是单纯为工业企业服务，而是面向社会提供服务，夏天制冷，冬季供暖，以及对周围用户供应热水等，还会增加对清洁蒸汽需求的供给。使用热电联产产生的蒸汽用于制冷、供暖和供应热水，比用电转换至少节能20%以上，有广阔的应用空间。年减排NOx量120万吨、SO2量400万吨、烟尘100万吨，将从根本上改变因工业锅炉燃烧原煤造成的大气严重污染，燃煤工业锅炉产生的含有PM2.5和PM10的雾霾污染源将被有效控制。实行了热电联产，用背压式汽轮机发电降低的供电煤耗还可以节约2亿吨标准煤，同时又减少了污染物的排放。
我们有理由相信，通过这一项有效的节能减排措施，也就是“我国最大的节能项目”的实施，不但可以从根本上实现我国工业燃煤锅炉的节能减排和清洁排放，还可以促使我国能源消耗总量和大气污染物排放总量上升的趋势减缓，继而早日出现拐点，在满足环境保护的前提下，实现国家经济的发展和人民生活的和谐。
解耦燃烧技术和锅炉应用介绍
解耦燃烧技术是中国科学院李静海院士课题组发明的一种抑制氮氧化物生成的无烟燃烧技术。中国科学院过程工程研究所与北京九州格物过程技术有限公司等企业合作，经过十几年的研制和试用，从热功率10kw的小型锅炉，到热功率2800kw（蒸发量4t/h）的不同型号热水锅炉和蒸汽锅炉产品，已试用数千台，这些锅炉在燃烧固体燃料时，表现出良好的抑制氮氧化物排放和无黑烟燃烧性能，燃烧过程生成的氮氧化物浓度降低到200mg/Nm3以下，达到天然气工业锅炉的大气污染物排放国家标准，在固体燃料低氮燃烧技术领域，处于国际领先地位。
为了保持锅炉燃烧稳定，一般要求燃烧火焰温度足够高，并在火焰区保持较高的燃料浓度和氧气浓度；而为了抑制燃烧过程生成氮氧化物，就要求足够低的燃烧火焰温度和较低的氧气浓度，稳燃并阻止在燃烧过程中氮气被氧化，这两个过程是耦合在一起的一对矛盾，传统技术难以兼顾。解耦燃烧技术的基本原理是：固体燃料在燃烧炉中，首先被热解并部分气化出可燃气体，同时燃料中的固定碳被加热成炙热的半焦，可燃气体经过炙热半焦层时，其中的氮氧化物被还原成氮气，使可燃气体中的氮氧化物被脱去，可燃气体进入燃烬室燃烧时，燃烬室保持低温燃烧环境（低于1100℃）和氧气的分级供应，控制燃烧过程生成氮氧化物。解耦燃烧技术有效地解决了稳定燃烧反应与抑制氮氧化反应这两个耦合的两难问题。
解耦燃烧技术的研发和产业化过程，得到了国家自然科学基金，中国科学院专项基金，国家“863”计划资金的支持，也得到了科技部中小企业创新基金，中关村创新基金的支持，还得到德国GTZ基金、德国驻华大使馆的赞助和全球环境基金GEF等国际组织的支持。解耦燃烧技术于2005年被中国环境保护产业协会授予“国家重点环境保护实用技术”。解耦燃烧技术获得了中国科学院发明奖一等奖和国家专利局优秀发明专利奖，被录入联合国教科文组织“生命支持系统百科全书”。
煤拔头多联产煤基清洁燃料生产过程简介
“煤拔头”多联产技术简述：
“煤拔头”的设想是中国科学院过程工程研究所提出的，“拔头”原是石油加工工业中的术语，意思是从原油中蒸出轻油组分。“煤拔头”，旨在常压、中低温、无催化剂和氢气的条件下，用温和热解的方式，在煤的快速热解过程中，将原煤中的成分按照液体、气体、固体三种物质形态分离开来，液体成分可用做化工原料或炼油原料生产清洁液体燃料，气体成分可以分离出甲烷和氢气生产煤基清洁气体燃料、替代天然气，固体成分——半焦进一步处理加工成清洁固体燃料。“煤拔头”热解工艺，可以联产气、液、固三种清洁燃料，实现煤炭的多级利用，并借此工艺脱硫脱硝，符合中国的国情。其工艺产品思路由下图所示。
煤拔头多联产工艺产品示意
如上图所示，“煤拔头”多联产生产清洁燃料工艺包括以下过程：
第一，精煤洗选。清洁燃料的第一道工序是精煤洗选，这个过程将原煤中的灰分去除，产品是超净精煤，剩下的是选煤废料，超净精煤产品中灰份的含量，按照清洁固体燃料对硫含量和灰份含量的要求，制定标准限定不同清洁等级的产品。原煤中的无机硫被洗选除去。
第二，“煤拔头”热解多联产。这道工艺中，超净精煤经过“煤拔头”热解装置热解，被热解成液体、气体和固体三种形态的物质。这三种形态物质分别生产出煤基清洁液体燃料、煤基清洁气体燃料和煤基清洁固体燃料。
“煤拔头”液体燃料：“煤拔头”液体物质的主要成分是焦油，焦油经过简单分离生成轻质焦油和重质焦油，可用做化工原料，比如提取其中的甲酚，或用做炼油原料，生产符合清洁燃料要求的柴油、汽油和燃料油等煤基清洁液体燃料。
“煤拔头”气体燃料：“煤拔头”气体物质的主要成分是CH4、H2、CO、CmHn、H2S和CO2、N2等气体的混合物，经过气体分离和气体成分重整，可以分离出CH4和H2，以及杂气，并且除去气体中的H2S和N2，杂气被当做燃料用于热解过程加热。CH4和H2是替代天然气的煤基清洁气体燃料。
“煤拔头”固体燃料：“煤拔头”固体物质的主要成分是半焦（俗称兰炭），半焦的主要成份是碳，还有极少量的灰份和挥发份物质，热解过程将煤中的有机硫随挥发份除去，半焦中剩余含硫量极低，半焦符合清洁燃料的要求，被做成煤基清洁固体燃料，我们也可称之为洁净煤。
将脱硫过程在燃料生产工艺过程中集中完成，能大大减轻燃料燃烧后的脱硫压力和环保监察压力。煤洗选的脱硫脱灰工艺可以去除原煤中的无机硫，“煤拔头”多联产工艺可以去除原煤中的有机硫，这两个工艺结合使用，可以去除原煤中95%以上的硫，生产出煤基清洁固体燃料。结合气体净化和分离技术可以生产出煤基清洁气体燃料。结含化工和炼油技术可以生产煤基清洁液体燃料。