引言

国民经济中的工业锅炉占据重要地位，但同时它也是能源消耗和碳排放的大户。我国锅炉保有量巨大，年消耗大量的煤炭等化石能源，碳排放量占全国相当大的比例。我国提出了碳达峰与碳中和的双碳目标，这对各行业的节能减排工作提出了新的更高标准。工业锅炉是能源转换的关键设备，被广泛应用在众多工业领域，其能效水平对能源利用和碳排放具有重要影响。提升工业锅炉能效需协同推进全生命周期管理等多维度系统化升级。

一、 双碳目标下工业锅炉能效标准升级的必要性

我国现有约32万台锅炉，年消耗能源约20亿吨标准煤，碳排放量占全国总量的40%。双碳目标明确了我国在应对气候变化方面的努力方向和时间节点，工业锅炉能效水平直接影响能源使用效率和碳排放强度。《锅炉绿色低碳高质量发展行动方案》提出到2025年工业锅炉平均运行热效率需较2021年提高5个百分点，电站锅炉提高0.5个百分点。预计年节能潜力相当于3000万吨标准煤，对应减少8000万吨二氧化碳排放。提升能效标准可倒逼企业淘汰低效锅炉（如小型燃煤锅炉），推广高效设备（如蓄热式电加热锅炉、冷凝式燃气锅炉）。鼓励应用富氧燃烧及旋流燃烧等技术提升燃料利用率（如旋流燃烧锅炉节煤率可达30%-35%），在可再生能源富集地区优先使用电加热锅炉，或在工业余热富集区域推广余热锅炉，鼓励电站锅炉配套建设碳捕集系统。某企业改造锅炉能效，其每减少1吨二氧化碳排放可获约80元的碳交易收益。工业锅炉能效标准的提升有助于挖掘工业锅炉节能潜力，增强我国能源自给能力和能源安全保障水平。若全国工业锅炉均实现5个百分点的效率提升，对应的市场价值将超60亿元则形成减排与经济双赢的局面。双碳目标下工业锅炉能效标准升级的必要性见图1。

双碳目标下工业锅炉能效标准升级的必要性 图1

二、工业锅炉能效水平与碳排放现状  

（一）能效水平存在的主要问题

我国工业锅炉因燃料种类、操作水平及负荷波动等因素，平均实际运行热效率普遍低于设计值。一个缺乏动态运行管理机制也常常使锅炉在低负荷或非稳态工况下能效大幅下降。比如部分工业锅炉的设计热效率可达85%，但实际运行中常低于75%。10蒸吨/小时以下工业锅炉数量约占全国工业锅炉总量的60%以上，其能效水平普遍低于大型锅炉（如大型燃煤锅炉热效率可达90%以上，而小型锅炉仅约65%）。小型锅炉污染控制能力不足且难以满足超低排放要求，成为碳排放和污染物治理的重点难点。服役超过15年的老旧锅炉占比仍较高，其能效水平远低于现行标准。低效燃煤锅炉（如小型链条炉排锅炉）仍在部分地区使用，导致碳排放强度居高不下（如部分老旧锅炉煤耗比新型锅炉高20%-30%）。  

（二）工业锅炉能效标准体系的不足

现行工业锅炉能效标准体系在技术指标、覆盖范围及政策协调性方面存在明显短板，如现行工业锅炉能效等级划分仍沿用2010年前的技术参数，未能体现近年来高效锅炉（如冷凝式燃气锅炉、电加热锅炉）的节能潜力。国家标准GB24500-2020《工业锅炉能效限定值及能效等级》虽提出宽负荷能效指标，但未建立运行工况下的动态评价体系，导致标准难以覆盖实际运行场景（如负荷波动、燃料替代等）。现有标准主要针对传统燃煤与燃气锅炉，对电加热锅炉等新型锅炉缺乏能效评价规范。锅炉淘汰政策与能效标准未形成合力，部分企业面临既要满足能效要求（如热效率≥81%）又要达到超低排放（如NOx≤30 mg/m³）的双重压力。  

三、双碳目标下工业锅炉能效标准升级的技术路径**  

（一）技术创新与设计优化

1. 新型燃烧技术与材料应用

高效燃烧技术可以提高氧气浓度（高于空气中的20.947%）提升燃烧效率并降低排放污染物，其可以提高火焰温度和黑度，燃烧速度加快，燃料燃尽率提升（如煤渣燃尽率从80%提升至97%）。该技术还可以减少生成氮氧化物（NOx），并为碳捕集与封存（CCUS）提供便利。它被广泛应用在玻璃工业、冶金工业及热能工程领域。其形成旋转射流能够强化燃烧混合并提升燃料利用率，内回流区卷吸高温烟气回热煤粉气流，外回流区进一步强化混合使燃料完全燃尽。双调风旋流式燃烧器通过调节旋流强度和二次风量，适应不同燃料类型和负荷需求情况，如纯无烟再节能旋流燃烧技术可使煤渣燃尽率提升至97%。它可以控制燃烧温度和氧气浓度且降低NOx排放，主要技术路径为分阶段注入燃料与空气，抑制形成高温区。并将部分废气混入助燃空气降低燃烧强度，某电厂改造后NOx排放量从350 mg/m³降至50 mg/m³。  

2.清洁能源替代  

电加热锅炉以电能为热源可以实现零碳排放运行，陶瓷电加热管和计算机优化设计可使热效率达98%以上，其常压设计无爆炸风险；冷凝式燃气锅炉通过回收烟气余热提升能效，传统燃气锅炉热效率为80%-90%，冷凝式锅炉可达100%-110%，低温燃烧减少NOx生成，冷凝水吸收酸性气体（如SO₂），其长期运行成本低于传统燃气锅炉；太阳能电热联用系统使太阳能升温介质驱动气动马达发电，余热用于供热，它可以利用烟气与冷却水余热预热给水或驱动发电提升能源梯级利用率。新建大型电站锅炉需满足最低稳燃负荷要求，提升主蒸汽压力及温度等参数（《锅炉绿色低碳高质量发展行动方案》2023）。超临界/超超临界技术采用更高压力（>22.1 MPa）和温度（>600℃）参数，提升热效率5%-10%。  

（二）智能化运行管理  

1. 自动控制技术

系统会以预设的优化算法（如PID控制、模糊控制或AI算法）自动调整燃料供给量、送风量与给水量等参数，使锅炉始终处于最佳运行工况。智能变频控制系统会根据用汽需求动态调节锅炉功率，例如在夜间低负荷时自动降低能耗，甚至归零避免空载损耗。如西门子S7-200 PLC与组态王联合系统可以通过PLC（可编程逻辑控制器）处理传感器数据，并结合组态王软件实现人机交互界面，实时监控和调整锅炉运行状态。该技术可以精准控制减少燃料浪费，降低排烟热损失（如排烟温度从200℃降至150℃）。并实时监测异常参数（如压力超限、水位过低），触发自动报警并采取应急措施（如停炉保护）。它可以支持集中控制多台锅炉，适用在工业场景中多锅炉协同运行的情况。AI技术能基于历史用能数据、生产计划和外部环境因素（如天气、季节）预测生产计划，可以动态调整锅炉出力。系统根据预测结果自动调整锅炉运行参数（如燃料供给量、燃烧强度），某药厂利用智能控制系统实现负荷匹配优化，年节电18万度。  

2. 数据驱动能效评估

大数据平台构建宽负荷能效模型可以精准评价锅炉运行状态，物联网（IoT）设备实时采集锅炉运行数据（如热效率、燃料消耗、污染物排放等），覆盖9800个型号产品和1400台在用锅炉（国家标准项目，2023）。模型利用机器学习算法（如回归分析、神经网络）建立能效动态模型，量化不同工况下的能效表现。模型输出结果划分锅炉能效等级（如1级为最高能效），为企业横向对比不同锅炉的能效差异，纵向追踪单台锅炉的能效变化趋势。物联网技术实时监控锅炉运行参数并动态优化运行策略，部署传感器和通信模块将锅炉运行数据上传至云端平台（如HiWoo Cloud、工业智能网关），并基于实时数据（如压力、温度、流量）和历史模型自动调整运行参数（如送风量、燃料配比），确保锅炉始终处于最佳工况。东方锅炉联箱数制·智联工厂通过SCADA系统实时监控锅炉运行状态，实现无人化焊接和智能仓储物流。设备数字化率达到100%，人均产值提升250%。  

（三）全生命周期管理

1.废旧锅炉回收与资源化利用

回收废旧锅炉需遵循严格的法律规范和技术标准，废旧锅炉中蕴含大量可回收资源，如钢铁、耐火材料、受热面管材等。规范拆解流程可分类回收这些材料，用于加工再生资源（如钢铁冶炼、建材生产等）减少开采新资源。高价值部件（如锅炉压力容器、控制系统等）可通过再制造技术（如表面修复、性能升级）延长其使用寿命，锅炉受热面管的再制造可减少约60%的能耗。建立“生产-使用-回收-再制造”废旧锅炉的闭环系统，其金属材料可被重新投入生产流程，再生钢铁的碳排放强度仅为原生钢铁的50%-70%。全生命周期视角下回收利用废旧锅炉可显著降低碳足迹，回收1吨废钢相当于减少1.6吨二氧化碳排放。

2.CCUS集成：碳捕集与封存技术应用

电站锅炉中配套CCUS系统，采用燃烧后捕集（如化学吸收法）、燃烧前捕集（如煤气化联合循环IGCC）或富氧燃烧技术，从烟气中分离二氧化碳（CO₂）。化工方面同样可以利用CO₂加氢制甲醇、烯烃等化工品，或矿化为碳酸钙用于建材生产（如山西大同的化学链矿化项目）。CCUS可使燃煤电厂的碳排放强度降低60%-90%，可与新能源（如绿氢）结合构建“煤电+CCUS+绿氢”多元能源网络。国内华能陇东项目年捕集CO₂ 150万吨，采用燃烧后捕集技术将部分CO₂用于油田驱油，提升石油采收率（EOR）。CCUS利用CO₂（如驱油、制建材）可为再生资源产业提供原料，形成“碳捕集-资源化-再利用”的闭环。  

四、案例分析：某绿色制造园区工业锅炉综合改造项目

某工业园区是区域重要的制造业基地，聚集了化工、纺织、食品加工等高能耗企业。园区内原有工业锅炉以燃煤为主，存在热效率低（平均仅70%）、污染物排放超标（NOx、SOx排放浓度分别超过150mg/m³和200mg/m³）等问题，不符合国家“双碳”目标及地方环保政策要求。为响应政府号召，园区联合多家企业启动了工业锅炉系统性改造升级工程，目标是在3年内实现锅炉热效率提升至85%以上，碳排放强度降低30%，并打造“零碳园区”示范标杆。园区内3台20吨/时燃煤锅炉，采用高效循环流化床燃烧技术通过优化布风板设计、分级燃烧及床料颗粒配比，将锅炉热效率从70%提升至82%。改造后的锅炉燃料利用率提高15%，NOx排放浓度降至35mg/m³以下，SOx排放通过配套脱硫系统降至50mg/m³，达到超低排放标准。单台锅炉年节能量约1200吨标准煤，减排CO₂ 3000吨。  

纺织企业试点生物质补燃锅炉，利用园区周边林木加工废料（年可获取生物质燃料5万吨）替代部分燃煤。生物质锅炉热效率达88%，碳排放强度较燃煤锅炉降低60%，并实现固废资源化利用。某化工企业燃气锅炉上加装冷凝式余热回收装置，将排烟温度从240℃降至60℃，回收热量用于预热锅炉给水及车间采暖。改造后锅炉整体热效率提升至92%，年节约天然气费用超80万元。该企业创新引入高温热泵系统（碧涞120℃工业热泵），将烟气余热进一步转化为120℃热水，用于食品加工企业的蒸养工艺，实现能源梯级利用。成果与效益见表1。

成果与效益 表1

总结：双碳目标的提出为工业锅炉能效提升带来了新的机遇，传统高耗能行业在“双碳”目标下通过技术创新与系统优化，完全能够实现经济效益与环境效益的双赢。企业未来可联合工业锅炉研究所与锅炉设计制造等技术单位，为自己提供定制化改造方案及技术培训。建立园区级能源管理平台，实现锅炉运行数据共享与协同调度。可在企业推广氢燃料锅炉试点逐步替代天然气锅炉，拓展碳封存应用场景探索CO₂制备生物降解塑料等高值化利用路径。  

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