煤對燃燒及設備的影響

煤對燃燒及設備的影響火電廠煤質檢測主講：李春艷2/6/20231吉林省電力科學研究院一、火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程2/6/20232吉林省電力科學研究院1、火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程2/6/20233吉林省電力科學研究院2、火力發(fā)電廠生產(chǎn)流程2/6/20234吉林省電力科學研究院二、鍋爐的工作過程2/6/20235吉林省電力科學研究院1、鍋爐2/6/20236吉林省電力科學研究院2、鍋爐的組成2/6/20237吉林省電力科學研究院3、鍋爐的工作系統(tǒng)3、鍋爐的工作系統(tǒng)2/6/20238吉林省電力科學研究院4、鍋爐的工作過程

鍋爐是重要的熱能供應設備，也是一種能量轉換設備。在鍋爐中燃料的化學能通過燃燒轉化為熱能，又通過傳熱過程將熱能傳遞給中間載熱體（水和蒸汽），依靠過熱蒸汽將熱能輸送出去。2/6/20239吉林省電力科學研究院三、燃料的燃燒

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燃料中的可燃物質是由多種碳、氫、氧化合物和氮、硫化合物組成的具有膠態(tài)特性的有機復合體。工業(yè)分析組成：揮發(fā)分和固定碳元素分析組成：碳、氫、氧、氮、硫燃料的燃燒過程是燃料中的可燃物質同空氣中的氧燃燒發(fā)生化學反應放出熱量的過程。研究燃燒的目的就是盡可能地使燃料在鍋爐的爐膛內迅速而又良好地燃燒，將化學能最迅速而又最大限度地轉化為熱能。燃燒必備三個條件：可燃物質、氧化劑、熱源燃燒過程：煤炭在爐內燃燒一般要經(jīng)過四個階段：（1）干燥階段。煤從爐膛內吸收熱量，溫度升高，水分被蒸發(fā)。2/6/202311吉林省電力科學研究院

（2）揮發(fā)分析出及其燃燒階段。煤中水分蒸發(fā)完后，煤繼續(xù)升溫，揮發(fā)分隨之不斷析出，當溫度達到著火溫度時，逸出的揮發(fā)分在煤顆粒表面開始燃燒。（3）焦炭燃燒階段。煤中揮發(fā)分析出后形成焦炭，焦炭表面溫度進一步上升，便開始燃燒并放出大量熱量。（4）燃盡階段。當焦炭燃燒到一定時間后，大部分含碳物質已燃燒完，只有少量焦炭繼續(xù)燃燒直到燃盡。2/6/202312吉林省電力科學研究院

煤的燃燒過程：

（1）干燥階段

（2）揮發(fā)分析出及其燃燒階段（3）焦炭燃燒階段（4）燃盡階段

碳CO2COO2空氣沖刷灰殼2/6/202313吉林省電力科學研究院四、煤對燃燒及設備的影響

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綜上所述，煤是鍋爐燃燒的必要條件，沒有煤中的可燃物質無從談及燃燒，電力用煤的諸多特性對燃燒及設備產(chǎn)生不同程度的影響，在電力鍋爐設計時，要求提供以下煤質特性指標：(1)煤的工業(yè)分析即水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳；(2)煤的元素分析即碳、氫、氧、氮、硫；(3)煤的發(fā)熱量；(4)煤的哈氏可磨性指數(shù)；(5)煤灰熔融性；(6)煤灰成分，包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、三氧化硫、氧化鈉、氧化鉀、二氧化鈦等。除上述各特性指標值外，有時還需要提供煤的磨損指數(shù)、灰的比電阻、游離二氧化硅等。煤在鍋爐中燃燒的特性可以根據(jù)其元素分析、工業(yè)分析結果及其他有關數(shù)據(jù)來判斷，如水份、揮發(fā)份、灰份、硫和氮的含量、煤灰熔融性、煤的焦結性等，現(xiàn)將這些因素對煤燃燒特性及設備的影響分述于下：1.水分水是煤中的不可燃成分，煤中水分有內在與外在之分。在一定條件2/6/202315吉林省電力科學研究院

下，煤樣與周圍空氣濕度達到平衡的所失去的水分，稱為外在水分。煤的外在與內在水分的總和，則稱為全水分。煤的內在水分隨煤的變質程度加深而減少，褐煤內在水分最大，無煙煤最小，煤的外在水分隨煤的開采、加工及環(huán)境條件不同而變化，例如洗選煤、置于多雨水的環(huán)境條件下，煤的外在水分就大。煤中水分越大，也就意味著將更多的不可燃成分運進電廠，從而增大運輸量及經(jīng)濟負擔。水份較多的煤因水份占去了原來的可燃質可以占據(jù)的份額的一部分，發(fā)熱量會相應地低些，在燃燒中水份多時，經(jīng)過較長的時間才能蒸發(fā)完，因此著火慢，比較難于燃燒。此外，以發(fā)一定的熱量來說，水份多時，煙氣體積較大，因此燒這種煤的鍋爐的煙道尺寸須設計得較大。此外，煙氣體積大也增大了2/6/202316吉林省電力科學研究院

通風設備的規(guī)模及能耗。煤中含水多，則鍋爐煙氣量大，由煙氣帶走的熱量也越多，從而加大了排煙熱損失。在燃用水份過高的煤時，有時在鍋爐中很難燃燒，必須在燃燒前預先如以干燥才行。電廠通常燃用原煤、洗混煤等，它們要經(jīng)過輸煤、給煤、碎煤、制粉一系列工藝流程將煤加工成粉供鍋爐燃用。如煤中外在水分過大，則極易造成電廠輸煤、給煤系統(tǒng)的運行障礙。另一方面，煤中水分含量過低也有不足，一是鍋爐火焰中含有水汽對煤粉的懸浮燃燒能起催化作用；二是煤中含有適量的水，有助于降低煤塵的污染。水分還是露天存煤引起氧化的主要原因，特別是對于黃鐵礦含量高的煤，加劇了其氧化自燃的傾向。2/6/202317吉林省電力科學研究院

總之，電力用煤的全水分宜控制在5%～8%，當煤的外在水分達到10%左右時，則對電廠煤系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利影響。2.灰分與發(fā)熱量灰分也是煤中的不可燃成分，電力用煤的灰分常常達20%～30%。煤的灰份多，表示它的可燃質少，發(fā)熱量低。產(chǎn)生同樣多的熱量，運輸、煤粉制備系統(tǒng)、除灰渣的系統(tǒng)的任務都比較重。這樣的煤的惰性物質多，不宜遠運。燃燒后煙氣中灰粒也自然較多，使受熱面容易磨損。一座1000MW的電廠，日燃用天然煤按10000t計，設灰分為25%，則就意味著該電廠平均每天要運進2500t灰，而煤燃燒后，這些灰要從爐內帶走大量熱量，而排至爐外的灰還得通過各類除塵設備將其中約99%的灰收集下來(電除塵器的除塵率約為99%)，然后借助水力將灰及渣通過排灰管送至貯灰場，電廠將投入大量的人力、物力、資金用于灰的收集、輸送與貯存，故電廠不宜使用高灰分煤。否則，它將會對電力生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生2/6/202318吉林省電力科學研究院

嚴重影響。除上述影響外，煤中灰分含量增高，還增加磨煤機能耗，引發(fā)或加劇鍋爐結渣等。一方面，電廠不宜燃用高灰煤；另一方面，電廠也不宜燃用低灰的精煤。精煤的發(fā)熱量一般比原煤高30%左右，而價格則比原煤要高50%～60%，甚至更高，故電廠設計時就不選用精煤，故低灰精煤一般也不符合鍋爐設計煤質，而且一旦燃用高熱低灰煤時，造成爐溫增高，很易引起或加劇鍋爐的結渣。綜上所述，電廠宜用中灰、中熱量的煤?，F(xiàn)在電廠的燃煤干基灰分Ad多在20%～30%，干基高位發(fā)熱量Qgr,d多在23～27MJ/kg。由于煙煤通常占電力用煤的90%左右，上述指標值主要是針對煙煤而言。而褐煤設計就確定燃用褐煤或無煙煤，則另作別論。3.硫及氮2/6/202319吉林省電力科學研究院

硫是煤中有害元素，任何煤中均含有硫，只是含硫量高低程度不同。硫的危害正在日益為人們所認識，控制進廠煤的含硫量，加強煤中含硫量的檢測是極其重要的。煤中硫分可燃硫與不可燃硫，一般說來，煤中可燃硫所占比重很大，常常達90%左右。在高溫下，煤中可燃硫燃燒產(chǎn)生二氧化硫，并伴有少量三所化硫(約相當于二氧化硫量的1%～2%)產(chǎn)生。二氧化硫是對大氣污染的主要污染物，是形成酸雨的主要來源，而大范圍的酸雨將對生態(tài)環(huán)境有著極大的破壞作用?？諝庵泻休^高濃度的二氧化硫，將對人的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。電廠鍋爐如燃用高硫煤，一方面，電廠煙氣中二氧化硫含量過高而污染環(huán)境；另一方面，由于硫的氧化作用，鍋爐尾部受熱面易產(chǎn)生腐蝕與堵灰，縮短低溫段空氣預熱器壽命。同時煤中硫的增高2/6/202320吉林省電力科學研究院

易加劇鍋爐結渣及原煤與煤粉的自燃傾向。煤中不可燃硫則轉入灰渣中。含硫量高的煤還會增加制粉系統(tǒng)的磨損。煤中硫含量高，表明煤中黃鐵礦硫較多，煤中黃鐵礦、石英等硬度很高，它們是產(chǎn)生金屬磨損的主要原因(黃鐵礦的莫氏硬度為6～6.5，石英為7)。磨損指數(shù)AI與煤中可燃硫，灰中氧化鐵含量成為相關性。AI＝10.15S,cad＋31.5(r＝0.50)AI＝3.71Fe2O3＋41.0(r＝0.47)因此煤中硫的存在對金屬材料的磨損起到相當大的作用，含硫量越高，測得金屬材料磨損指數(shù)AI就越大，煤中黃鐵礦及石英含量增加，煤的磨損性就增加，煤的灰分增多，磨損性也增加。

雖說可以采取煙氣脫硫裝置降低二氧化硫的排放量，但由于煙氣脫硫裝置投資及運行費用很高，技術上也存在相當難度，故電廠在短期內還是寄希望選用低硫煤。2/6/202321吉林省電力科學研究院

為了控制環(huán)境污染，我國環(huán)境保護有關法令、標準嚴制限制電力用煤中的含硫量。各個電廠燃煤中的含硫量隨電廠所處地理位置不同而不同，大城市、旅游區(qū)附近的電廠必須燃用低硫煤。對電廠來說，煤中含硫量越低越好。就全國范圍來說，電煤中全硫含量應低于2%，而城市電廠燃煤全硫含量應控制在1%以下，通常為0.8左右。在燃燒時，煤中所含的氮會氧化為氧化氮(NOX)。它也是污染環(huán)境的有害氣體。含氮高的煤排煙中NOX含量也會高些，有時需采用脫硝裝置。除燃料中氮生成NOX外，在燃燒溫度高、過量氧多時，也會生成NOX。在現(xiàn)代燃燒設備中如何避免過高的NOX生成也是考慮的主要問題之一。2/6/202322吉林省電力科學研究院

4.揮發(fā)分干燥無灰基揮發(fā)份含量(Ｖdaf)是煤是否易于燃燒的重要指標。它的含量高表示煤容易著火，燃燒既容易穩(wěn)定，也容易完全。Ｖdaf小于8%的煤(無煙煤)是難燃燒的煤，必須把燃燒室中溫度維持很較高，才能使燃燒穩(wěn)定。Ｖdaf＝8～20%的煤(貧煤)也是較難燃燒的煤種，但較無煙煤容易燃燒些。干燥無灰基揮發(fā)份大于20%的煙煤、褐煤，都比較容易燃燒，是容易著火、燃盡的煤種。在煤粉爐中燃燒時，這種煤磨得粗些即可比較完全地燃燒。不論燃用什么煤種、什么質量的煤，首先都應該與鍋爐設計煤質相適宜。燃用較低揮發(fā)分貧煤的鍋爐就不能燃用較高揮發(fā)分的氣肥煤；反之，亦然。2/6/202323吉林省電力科學研究院

煤的揮發(fā)分過高，如制粉系統(tǒng)中存在積粉，則易導致溫度的升高而發(fā)生自燃。煤粉燃燒，可能導致制粉系統(tǒng)的破壞，而煤粉與空氣的混合物則易引起塵粉爆炸。同時，高揮發(fā)分的煤在貯存過程中，也容易自燃。煤的揮發(fā)分過低，雖然不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，但鍋爐不易著火，著火后又很容易滅火，難以保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒，故燃用煙煤的電廠均不希望摻燒無煙煤，如鍋爐設計煤源就是無煙煤，那就需要對鍋爐系統(tǒng)予以特殊設計，其費用將較燃用煙煤的鍋爐大大增加。電力用煤期望揮發(fā)分不要過高，也不要太低，故揮發(fā)分中等的煙煤如貧煤、瘦煤、貧瘦煤、不粘煤、弱粘煤、肥煤等均宜作為電力用煤。電廠選用什么煤，往往受煤炭資源及運輸條件的限制，一些特性指標欠佳的煤也只好用作電力燃料而沒有太多的選擇余地，2/6/202324吉林省電力科學研究院

這就要求電力系統(tǒng)各部門，特別是電廠要深入掌握各種煤質特性，提高運行、管理水平，以確保鍋爐機組的安全經(jīng)濟運行。有關煤的燃燒特性，近年來還可以用示差熱天平、沉降爐等測試設備來研究煤是否容易燃燒。示差熱天平可以用一定的速度加熱煤樣并隨時給出水份、揮發(fā)份析出的量及溫度變化曲線，從而判斷它的燃燒特性。在沉降爐中，可保持爐中溫度一定，將煤樣從上方給入，在煤粉沉降過程中取樣，研究它的燃燒特性。5.可磨性指數(shù)可磨性指數(shù)，是指煤在規(guī)定的條件下，磨制成粉的難易程度。由于電廠中絕大部分安裝的是煤粉鍋爐，故衡量煤磨制成粉難易程度的可磨性，就成為一項對電力生產(chǎn)有著重要影響的煤質特性指標。可磨性以哈氏可磨性指數(shù)HGI的值來表達。HGI是一個無量綱物理2/6/202325吉林省電力科學研究院

量，其大小表示硬煤磨制成粉的難易程度。應該指出：褐煤的可磨性不能套用硬煤可磨性的測定方法，即不能套用哈氏法測定。哈氏可磨性指數(shù)，是指在規(guī)定條件下，應用哈氏可磨性測定儀(俗稱哈氏磨)測得的可磨性指數(shù)。煤越軟，哈氏可磨性指數(shù)越大，這意味著相同量規(guī)定粒度的煤樣磨制成相同細度時所消耗的能量越少。換言之，在消耗一定能量的條件下，相同量規(guī)定粒度的煤磨制成粉的細度越細，則可磨性指數(shù)越大；反之，則越小。提供可靠的可磨性指數(shù)，對電廠設計時選擇磨煤機的類型及容量，預測磨煤機所需動力及了解磨煤機運行工況等方面，都是不可缺少的參數(shù)。哈氏可磨性指數(shù)越大，在消耗一定能量的條件下，磨煤機出力越大。哈氏可磨性相差10個指數(shù)，在磨制相同細度的條件下，磨煤機約相差25%的出力。2/6/202326吉林省電力科學研究院

為減少能耗，電力用煤的哈氏可磨性指數(shù)宜選擇較大一些的煤源。哈氏可磨性指數(shù)為70，屬于可磨性中等程度煤；其值如能達到80～90，是較為易磨；而值為50～60，則算作難磨煤。6.灰熔融性灰熔融性是影響鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要特性指標，這也是電力生產(chǎn)對電煤的一項特殊要求。煤炭不是單一的化合物，它沒有固定的熔點，而是在一定溫度范圍內熔融，其熔融溫度主要取決于煤灰的組成，同時還與煤灰熔融性測定時的氣氛條件有關。煤灰熔融性測定，也就是測定煤灰在熔融過程中四個特征點的溫度；變形溫度DT、軟化溫度ST、半球溫度HT、流動溫度FT。在此四個特征溫度中，尤其以軟化溫度ST最為重要。煤灰熔融性溫度(俗稱灰熔點)低，則鍋爐容易結渣，這對電廠2/6/202327吉林省電力科學研究院

安全經(jīng)濟運行關系很大。某些鍋爐結渣事故，導致人員傷亡及造成嚴重經(jīng)濟損失，故電廠普遍重視電力用煤的灰熔融性這一指標。為了避免鍋爐嚴重結渣，對煤質與灰渣特性的要求是：煤中灰分及硫量不宜過大，煤粉也不宜太粗；要選用灰熔融溫度高的煤，一般ST要高于1350℃，越高越好；要避免選用灰熔融溫度較低的短渣煤。所謂短渣煤，是指灰渣粘度受溫度影響大的煤，因為燃用這種煤，最易導致嚴重情況的發(fā)生；宜選用煤灰熔融性不受或少受氣氛條件影響的煤。由于這種煤的灰渣特性受鍋爐運行工況波動的影響較小，從而有助于鍋爐的穩(wěn)定燃燒?；胰埸c低的煤是難燒的煤，在煤粉爐中燃燒后形成的飛灰，處于熔化狀態(tài)，容易粘在受熱面上及爐墻上使爐中發(fā)生結渣現(xiàn)象。水冷壁上結渣，其吸熱量減少，爐溫因而會升高，使結渣更加嚴重，2/6/202328吉林省電力科學研究院

導致鍋爐不能正常運行。層燃低灰熔點煤時，灰渣也會在爐排及爐墻、爐拱上結渣，使鍋爐不能正常運行。為了燒低在溶點的煤，有所謂液態(tài)排渣煤粉爐。爐膛一部分水冷壁上涂敷耐火塑料，減少其吸熱量，因而燃燒溫度特別高，保持灰份在液化狀態(tài)，落在爐墻上的灰順墻下流，由下部出口排到下面的除渣設備中。這種煤粉爐燃燒效率高，但燃燒溫度高，達1700℃左右；煙氣中氧化氮含量比較高，污染環(huán)境，因而近年來較少采用。采用液態(tài)排渣煤粉爐時，只知道灰熔點還不夠，還需了解