煤質變化對電站鍋爐運行的影響及對策

李 濤

（新疆電力科學研究院，烏魯木齊830011）

火電廠的燃料構成取決于國家的資源情況和能源政策。20世紀80年代以后，我國火電廠鍋爐的燃料主要是煤，其中一半以上是煙煤，貧煤次之，無煙煤在10%以下。每一個機組都有針對性設計煤種，并針對煤質特性制定其具體的運行參數，當鍋爐的燃煤品質變化時，其相應的運行控制參數也一定要做相應的調整，否則其經濟性、排放甚至運行的穩定性和安全性都會受到很大影響，也就是說煤質和鍋爐的運行參數之間存在很強的對應性[1]。實際情況是，我國煤種繁雜，特性不一。隨著近年來煤質逐年變差，且摻燒中煤做法的普及，其發熱量、揮發分、灰分、水分含量等基本特性參數與機組鍋爐的設計參數背離，這給電廠用煤的運輸、儲備、制粉、燃用以及排放等環節造成了不小的挑戰[2－3]。

美國的潔凈煤計劃（Clean Coal Technology，CCT）中就包含了煤質專家（Coal Quality Expert，CQE）部分。其電力試驗研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）針對煤質變化開發了專用軟件來精確的定量計算煤炭品質的變化給各電站帶來的影響程度。國內對電站鍋爐燃料變化帶來影響的研究雖已開展多年，例如煤品質變化對爐膛內傳熱系數、排放、換熱器磨損的影響機理等，但系統的研究煤質變化給電站鍋爐帶來的影響尚處初級階段[4]。深入地研究煤質的變化給鍋爐運行帶來的影響具有重大意義。

1 燃煤品質的變化帶來的影響

為取得更好的經濟效益，同時減少環境污染，國內很多機組探尋摻燒中等熱值煤的途徑，然而煤炭品質的下降，使得燃用煤質與設計煤種偏差較大。這就需要分析相應的解決對策，以確保機組穩定高效的運行。但凡事都具有兩面性，比如燃煤含水量的加大對燃燒效率而言有其不利的一面，但也有促進燃燒的一面，是利是弊要針對具體情況、視含量范圍而定。本文將本著辯證的思維模式和詳盡的理化分析，對表征煤質的幾個主要特性參數分別探討其變動對機組鍋爐的穩定運行帶來的影響。

1.1 燃煤顆粒大小帶來的影響

以循環流化床（Cinculating Fluid Bed，CFB）鍋爐為例，其最大優點之一是對燃料的適應性較好。各爐型都有其適定的燃煤粒度范圍，不同的煤種對顆粒分布的要求也不同。國內CFB機組多用寬篩分料，粒度要求一般為1～10 mm左右。燃煤顆粒大小分布是煤質特性的一個重要參數，合理的燃煤粒度分布對機組正常運行至關重要。一般機組的破碎系統是根據設計煤種而設計運行的，當破碎系統運行不正常時就會導致粒度分布失常，入爐煤粒度的不適應從根本上也是由燃煤品質的變化引起的[5－6]。

對鍋爐負荷而言，當燃煤顆粒過大時，所需要的燃盡時間延長，導致飛出床料層的顆粒數量減少，正常的循環灰量被破壞，會造成鍋爐負荷下降。對過熱蒸汽溫而言，若過大顆粒和過小顆粒含量較多并在原供風量下運行時，可能會使粗大顆粒沉降從而引起鍋爐的不穩定運行。若要使得大顆粒流化，則需要更大的供風量，但這樣會導致顆粒揚折率加大，密相區的燃燒份額降低，稀相區的燃燒份額加大，也會使得通過過熱器的煙氣加速，甚至一些細小煤粉在過熱區燃燒，總的結果就是蒸汽溫度上升。同時這種為防止大顆粒煤粉在密相區沉降而采用的大風量運行機制，由于使得飛灰流動速度加大，會加劇鍋爐受熱面和耐火襯里的磨損。且過大的顆粒（大于30 mm）會在爐床中沉積形成死滯區，破壞正常的沸騰狀態。煤粉顆粒的大小與其在爐膛內的停留時間、所需的燃盡時間有著明顯的對應關系，尺寸大于1.0 mm的顆粒趨于聚集在密相區并有足夠時間燃盡，而分離器不能捕捉到的極細小（小于1.0 mm）的顆粒一般都以飛灰的形式流出，造成不完全燃燒損失從而降低燃燒效率。把篩選范圍定在0～8 mm對降低熱損失是有利的。

對于燃盡時間這個指標而言，揮發分和粒度都對其有直接影響，不同品質的燃煤對顆粒大小的要求也就不一樣。制備燃煤粒度分布的經驗公式如下：

式中，Vdaf是指制備煤粉中揮發分含量百分比，A是煤粉中直徑小于1.0 mm的份額。最佳粒徑分布是兩頭大中間小，過大和過小的顆粒份額都不宜過量。

1.2 燃煤發熱量對鍋爐運行的影響

發熱量是反映燃煤質量的一個重要指標，當發熱量下降到一定程度時，會引起燃燒不穩定、不徹底，不僅影響機組運行的經濟性，而且還有可能導致滅火放炮事故的發生。統計結果表明，燃煤的低位發熱量每下降1.0 MJ／kg，燃煤消耗就會上升約20 g／kwh，電廠的用電率會上升約0.5%。美國電力公司（American Electric Power，AEP）的研究表明，當發熱量從27.328 MJ／kg降低到24.65 MJ／kg時，其可用率下降了13%。但國內不同礦區的煤炭的熱值存在較大差異，圖1是按統計經驗數據繪制的幾個主要煤種的極限發熱量分布圖，橫坐標為飛灰含量，縱坐標為發熱量。發熱量越高，燃燒越容易、穩定。根據熱值分布，將其分為高熱值的燃燒穩定區和熱值較低的滅火區。當燃煤熱值處在曲線圖右上的穩定區時，鍋爐可以穩定高效地燃燒。但當處于滅火區和過渡區時，需要燃油助燃方可。發熱量降低時，會導致爐內燃燒溫度下降，并使得排煙溫度升高，將增加熱損失。但同時，若發熱量比設計煤種高時，會使得爐膛內溫度升高，煤灰軟化、熔融并結渣，這對燃燒效率也是不利的[7]。

圖1 國內各煤種的發熱量分布曲線圖

1.3 揮發分對鍋爐運行的影響

可以用下述指數來描述燃煤的著火特性[7]

式中，FZ是表征燃煤著火特性的特征量；Vf，Wf，Cf分別是揮發分、水分和固定碳含量式。可見揮發分含量越高，著火特性就越好，所需的著火溫度越低，燃燒也越穩定。這是因為揮發分析出時會產生空隙，從而加大的反應面積，有利于燃燒，飛灰中的可燃物降低。隨著揮發分含量的加大，燃煤中難燃的固定碳含量降低，從而更利于燃燒的進行。燃燒放出的熱量多，更易于維持爐膛內溫度。但當揮發分含量降低時，著火溫度會隨之提高，燃盡時間延長，燃燒變得不穩定，火焰中心上移，吸熱面積減少，過熱器熱負荷加大，同時排煙溫度升高，熱損失加大。根據統計數據繪制的3種型號的鍋爐內飛灰中可燃物含量和所用燃煤揮發分含量的關系，如圖2所示。

圖2 飛灰中可燃物含量與揮發分含量關系圖

圖2中橫坐標Vf表示揮發分含量，縱坐標Cn為飛灰中可燃物含量。從圖2中可以清晰地看出，隨著揮發分含量的提高，灰分中可燃物含量迅速下降，這對提高燃燒效率和降低熱損失都是有利的。

1.4 灰分含量對鍋爐運行的影響

在其他品質不變的前提下，灰分含量越高，發熱量越低，所需的著火溫度越高，容易著火延遲，爐膛內溫度下降，不易燃盡，會造成較大的不完全燃燒損失。過多的灰分會包裹在未燃的煤粉表面，延緩火焰傳播速率，燃盡時間變長，降低燃燒效率。此外，飛灰濃度會隨之提高，這會加劇爐膛內的磨損，鍋爐的事故率和停車率也會上升。灰分中含堿金屬時，在高溫環境下會加劇對爐膛的腐蝕。據美國某單位統計，某電廠的平均灰分含量從13%上升到18%時，鍋爐的被迫停車率從1.3%提高到了7.5%。飛灰量的增加，使得除塵費用上升，飛灰和爐渣帶走的熱損失加大，對鍋爐的經濟性和安全性十分不利。

凡事皆有兩面性，灰分也是如此。灰分中的鎳、鐵、錳以及一些堿土金屬等氧化產物具有促使碳晶格變形的作用，從而使碳氧絡合物從晶格上脫離，利于提高未燃碳的活性，其作用相當于助燃催化劑，利于燃燒的進行。

1.5 水分對鍋爐運行的影響

適當的含水量和揮發分一樣，是有利于煤粉的燃燒的。從燃燒動力學角度而言，適量的水分在高溫火焰中是高效的燃燒催化劑，水蒸氣分子可加速焦炭的氣化和燃燒，同時可以提高火焰黑度，從而加強輻射傳熱，提高熱量利用率，水蒸氣分解時產生的氫分子還可以提高火焰的熱傳導率，從而提高火焰傳播速率。

但含水量過高時，可燃物含量相對降低，發熱量降低，著火難度加大，著火所需溫度提高，且水的氣化潛熱較大，其氣化吸熱量較大。水分含量越高，理論燃燒溫度下降幅度越大，燃燒的穩定性和安全性降低，尤其是在灰分含量較大時這一特性尤為明顯。同時會增加排煙量，引風機耗電量因此加大，降低整體熱效率。經驗數據顯示，水分含量提高1.0%，過熱蒸汽溫度會提高1.5℃。

2 適應煤質變化的對策及建議

（1）從源頭上改善燃煤品質

從源頭上改善燃煤質量，國家倡導動力鍋爐多燃用劣質煤，在摻燒中煤時注意控制煤炭來源，對不明特性的新煤種做理化研究，以制定相應的燃用策略。提高燃煤入洗率，動力煤經過清洗工藝后，容易造成燃用后環境污染的不利因素可在很大程度上被去除，同時由于改善了煤粉的表面特性，也有利于提高燃燒效率和鍋爐的經濟效率。

（2）運行參數的調整

對于揮發分含量較高的煤種，由于爐膛內高溫核心上移，需要降低一次風量，同時加大二次風量。對于低揮發分煤種，則需要提高一次風量來增加供氧量，降低二次風量以保證燃燒的穩定性。針對煤粉顆粒大小，當碎煤系統無法更改時，當粒度較大時，應適當增加一次風量、減少二次風量來調整物料循環量，從而保證爐膛內的物料平衡。當燃煤的熱值過大時，適當地降低給煤量即可，一、二次風量一般無需調整。當燃煤含水量過大時，應適當提高磨煤機入口溫度，保證其出口溫度正常，同時適量減小給煤量。當出現燃燒不穩定狀況時，應及時投油穩燃。

（3）建立健全煤質評價體系

系統地研究各煤種品質特性，在做摻燒時可方便的根據不同煤種的特性來進行配比。在保證電站運行的安全穩定性的同時，努力提高其經濟性。

[1] 沈桂男.煤質變化對鍋爐運行經濟性的影響[J].華東電力，2005，5（3）：171－175.

[2] 于敦喜，孫學信，李 敏，等.煤質對電站鍋爐運行的影響及對策[J].華中電力，2008，1（2）：10－14.

[3] 張小輝，劉柏謙，劉 棟，等.煤種對循環流化床鍋爐運行特性影響的研究[J].鍋爐技術，2011，10（2）：29－32.

[4] 商順強，何全茂，王緒科.煤質變化對CFB鍋爐運行的影響[J].應用能源技術，2010，9（9）：25－27.

[5] 沈文生，馬曉茜，陳烈強.煤質與鍋爐的相關性及其對電廠運行的影響[J].電站系統工程，2010，1（16）：42－45.

[6] 張清濤.燃煤粒徑對循環流化床鍋爐（CFB）運行的影響[J].能源研究與管理，2010，1（1）：32－34.

[7] 劉 三.鄒縣電廠2020t／h鍋爐煤種變化后的燃燒調整[J].華電技術，2010，3（8）：54－57.