摘要：本文从能源和环境的角度出发，介绍了提高能源利用效率和减少大气污染物排放的未来锅炉技术，讨论了这些新技术赖以发展的新材料技术，设计技术，制造技术和控制技术。这些新技术的推广应用将极大地节约日益昂贵的能源，改善我们赖以生存的环境，促进我国能源和国民经济的可持续发展。
关键词：高能效，低排放；电站锅炉；工业锅炉；生活锅炉；可持续发展
中图分类号：TK229   文献标识码：A
New Boiler Technologies of High Energy Efficiency and Low Pollutants Emission
Zhao Qinxin
(Boiler Institute,Thermal Engineering, Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049)
Abstract:This paper introduced new boiler techonologies for improving energy efficiency and reducing pollutants emission, discussed new materials,designing,manufacturing and controlling technologies that stimulate their developments. All these applications would conserve energy significantly, improve the environment we live in and promote national economic sustainable developments. 
Key words:high energy efficiency;low pollutants emission;power boilers;Industrial Boilers;domestic boilers;
Sustainable development
1．概述
锅炉是目前应用最广泛的能源终端利用技术，也是大气中污染物排放的主要来源。燃烧过程中排放的污染物，如：二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)排入大气后会引起局部地区酸雨；二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)等温室气体的排放，将会引起全球气候变暖。全球变暖引起的气候变化是全世界面临的重大挑战，提高能源转换和利用效率以及更好地控制燃烧过程是减少大气排放物的主要措施。表1列出了燃烧过程中的排放物及其对环境的影响。
为控制全球气候的继续变暖，保护人类的生存环境。1997年在日本京都召开了联合国气候变化框架公约第三次缔约方会议，通过了一项有法律约束力的“联合国气候变化框架公约京都议定书”。议定书对38个主要工业化国家的CO2等温室气体作了具体减排规定，以保证从整体上将温室气体排放量从1990年的水平上至少下降5.2%。
根据京都议定书，我国温室气体（CO2）排放的形势是非常严峻的。因为，一方面，我国一次能源消费结构以煤炭为主，约占了全部能源消费的四分之三；与世界能源构成相比，我国煤炭的比重比世界平均水平高1倍以上。而且根据我国国情，我们在将来很长时间内还要坚持以煤炭为主的能源消费政策。众所周知，燃烧化石燃料特别是煤炭是增加大气中CO2浓度的最主要原因。另一方面，我国的能源利用率比较低。我国单位国民产值的能耗是发达国家的4～15倍。这意味着生产同样产值的东西，我们要比工业发达国家多耗费4～15倍的能源。而多耗费能源就意味着多增加CO2排放。另外，尽管目前我国人均CO2排放量比较低，但由于人口基数大，CO2的排放总量并不少。我国1995年的CO2排放总量已位居世界第2位，仅次于美国。况且，我国目前的人均能源消费量少，仅是发达国家的1/5～1/12。随着我国经济的快速发展和城市化水平的提高，我国人均能源消费必将大幅度增长，CO2等温室气体排放也会大幅度增加，因此将面临CO2排减排的巨大压力。
表1燃烧系统排放物及其对环境的影响

排放物	形成原因	环境影响
二氧化碳(CO2)	碳的完全燃烧产物	全球变暖
一氧化碳(CO)	碳的不完全燃烧产物	烟雾
二氧化硫(SO2)	硫的燃烧产物	酸雨，烟雾
氧化氮(NO2,NO)	燃烧过程的副产品	酸雨
一氧化二氮(N2O)	燃烧过程的副产品	全球变暖
挥发有机物(VOCs)	液体燃料的泄漏和蒸发	烟雾
甲烷(CH4)	分配系统的泄漏，燃烧系统的未燃物	全球变暖
水汽(H2O)	氢的燃烧产物	汽雾
粒子尘、烟灰	未燃或部分燃烧的碳或碳氢化合物	烟雾
微量元素	杂质	潜在的致癌物
卤代化合物	卤族化合物(氯，氟，溴，碘的化合物)	潜在致癌物，全球变暖

   根据我国的能源消费特点和减排要求，提高能源的转换和利用效率是我国长期的可持续发展战略，具体来讲可以分成三个层次：即能源结构调整及能源转换技术；提高能源利用效率，减少能源消耗量；大力开发和利用可再生能源技术。初看起来，只有第二个层次涉及到锅炉新技术，实际上第一、第三个层是影响锅炉技术发展的重要前提，是大的政策框架。而高能效低排放锅炉技术仅仅是重要的能源利用技术。
2．能源结构调整及能源转换技术
以煤为主的能源资源结构和消费结构，是我国能源发展的重要特点。为了优化能源消费结构，减少煤炭消费比重，从60年代开始，不合理地增加了石油消费比重，一直到1976年，石油消费比重达到历史最高点(23%)，煤炭消费比重降到历史最低点(70%)。随着国民经济的发展和石油需求的增长，石油进口量增加，使我国能源消费结构有所改善。
气体燃料主要是指天然气，其次是煤层气和属于可再生能源范畴的垃圾掩埋气（沼气）等。近年来，气体燃料在世界一次能源消费结构中的比重不断增加。其中西方工业国家的天然气消费量以每10年平均增加500Gm3的速度在增长。50年来,固体燃料在世界一次能源消费结构中的比重下降了50%；而气体燃料的比重则上升了近60%。
与煤和石油等化石燃料相比，天然气具有明显的优势。常态下它是气体，易于实现与空气充分均匀混合而实现完全燃烧。这使得它一方面可避免燃烧时出现碳氢化合物未燃尽的现象；另一方面也可避免因不完全燃烧而产生的固体颗粒排放；且单位重量的天然气中碳氢热当量之比低于煤炭和燃料油；这些因素使得天然气具有较高的能源利用率，单位发电量的CO2及其它有害物质排放也相应大大地低于其它化石燃料。不同燃料燃烧时释放出的二氧化碳(CO2)的排放量是有很大差别的，由表2可见，天然气产生1GJ的热量所产生的CO2最少，一般仅为褐煤燃烧时所产生量的一半，天然气是公认的优质洁净燃料。
除了调整能源资源结构，增加天然气在一次能源中的消费比例外，另外一个关键的措施是发展新型的能源转换技术。这些技术包括：煤炭液化技术和煤炭气化技术。说到底，煤炭是一次能源的终结者，实际上，全世界探明储量最多的矿物燃料能源仍然是煤炭。但直接使用煤炭是造成能源生产和利用技术落后以及能源效率较低的主要原因，降低了能源终端利用效率。能源转化使用后将会提高能源利用效率并改善环境。
煤炭气化是指用煤炭作为原料来生产工业燃料气、民用煤气和化工原料气，它是洁净、高效利用煤炭的最主要途径之一，是许多能源利用高新技术的关键技术，如燃料电池、整体或部分煤气化联合发电技术等。煤炭的气化也是煤炭间接液化的一条途径。
煤液化技术主要是指煤炭转化为液态烃的技术，俗称煤变油，它包括直接液化技术和间接液化技术，可将煤转化为汽油、甲醇、柴油等产品。我国富煤少油，石油供需矛盾日趋突出，2000年我国原油进口接近8000万吨，预计到2010年将达到1.6亿吨。靠进口石油填补如此大的缺口显然不现实，为此只能通过非石油路线合成液体燃料解决液体燃料的供需问题。在替代石油的化石资源中，煤炭在近中期内可以满足与千万吨数量级的油品缺口相匹配的需要，即通过煤液化合成油实现我国油品基本自给，是目前最现实可行的途径之一。
3．提高能源效率的新技术与新能源的开发利用   
温室气体排放主要是化石燃料燃烧的产物。提高化石燃料的能源利用效率就等于是减少了化石燃料使用，能有效减缓温室气体的排放。目前，发电与供热是我国化石燃料利用的主要形式，电力生产是CO2的排放大户，因此，采用先进的发电和供热技术对减少温室气体排放有着重要意义。另一方面新能源发电和供热技术的推广也会大大减少化石燃料的消费，减少排放，具有重大的战略意义。
3.1高能效的发电技术
2000年，世界范围内统计的总装机容量为3 507GW,其中煤电占51%，水电占19%，核电占10%，燃气轮机发电占8%，联合循环发电占10%，其他2%。可见世界范围内以煤为能源的发电量仍占50%以上。
中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是当今世界上几乎唯一以煤为主的能源消费大国，原煤占能源消费总量的比例高达70%左右，用于发电的煤炭约占煤炭总产量的40%。我国现有火电机组设备总体技术水平落后，性能与世界先进水平相比有较大差距，发电煤耗高；能源利用率低，进一步加剧了煤炭燃烧造成的气体排放及环境污染。因此以煤为主要能源的清洁煤发电技术在我国的推广具有重大的现实意义。
发电减排温室气体主要是提高发电装置的能源转换效率，发展新型高效率的清洁能源发电技术。如发展基于常规燃煤发电机组(PC)的更高压力和更高蒸汽温度的超超临界燃煤发电技术和加压循环流化床发电技术(PFBC)。超超临界燃煤发电技术可以显著提高机组热效率，但必须采用先进的烟气污染控制技术(FGD-烟气脱硫,SCR-选择性催化还原法脱氮技术)才能减少SOx和NOx的排放。除洁净煤发电技术外，国家也正有计划地发展以天然气为能源的高能效发电技术。目前国家正在推进的高效发电技术有：超超临界燃煤发电技术(USC)，整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)；燃气蒸汽联合循环发电技术(ACC)等。表3示出了以煤为能源的先进发电技术的热效率及环境影响(按1997年的数值计算)。

3.1.1 超超临界燃煤发电技术(USC)
由于超超临界燃煤发电技术(USC)仍是基于常规发电系统的渐进技术，所以发展USC技术是最具有现实意义的，而且和其它技术相比极具竞争力，目前一些经济发达国家都开始采用USC发电机组。日本已经投运了16台蒸汽参数为593°C，单机容量700～1050MW级的超超临界发电机组，已投运的超超临界发电机组的效率都达到43%以上。丹麦已于1992年在VEST电厂投运一台407MW,参数为25.1 MPa,560/560°C的超临界机组，其供电净效率达到45.3%。丹麦的Nordjyllandsvaerket电厂建有两台412MW的超临界机组，分别燃用煤和天然气，蒸汽参数为28.5MPa，580/580/580°C，其中3号机组热效率可达47%。目前正在进行的EC Joule-THERMIE 计划将发展蒸汽压力为37.5MPa，蒸汽温度为 700 °C的更先进的超超临界机组，其发电效率将超过50%。
面临这种紧迫形势，我国国家电力公司也及时提出了发展超超临界并建立示范电厂的863高技术发展计划，目前该计划的第一子课题“超超临界发电机组技术选型”已经完成，经过专家论证，并结合我国动力制造业发展的前提条件，认为我国发展容量为700～1000MW，蒸汽参数为：25MPa，593/593°C(或600/600°C)的超超临界发电机组是合适的。
表4示出了超超临界发电机组和常规发电机组相比热效率提高的幅度、燃料节约量、温室气体减少的排放量的数据对比，可以看到，超超临界发电机组具有无可比拟的优越性。
3.1.2 整体煤气化联合循环发电技术(IGCC)
IGCC发电技术通过将煤气化生成燃料气、驱动燃气轮机发电、其尾气通过余热锅炉生产蒸汽驱动汽轮机发电，使燃气与蒸汽联合发电，有较好环境效果并提高发电效率。IGCC技术具有系统效率高、环保性能好、易大型化、燃料适应性好等特点，但其投资也较一般燃煤电站高。科技部于“九五”期间组织进行了煤气化、热煤气净化、燃气轮机等关键技术研究；国家计委已批准在山东烟台采用引进方式建设一座400MW等级IGCC示范电站的立项报告。
IGCC由于系统技术的复杂和较高的运行成本(表3)，使其在商业化运行的可靠性和经济竞争力上都存在问题，因此近年来单一发展IGCC的进展缓慢，其发展速度明显滞后于超超临界燃煤发电技术，但开发者们提出将IGCC技术与化学产品制造、热力供应等联合建设形成多联产系统概念，使化学品的合成和电、热生产形成最优化的技术组合，同时最终还致力于包括CO2在内的各种污染物的治理和零排放，是未来煤化工－能源技术发展的方向。