火力發電廠主要燃煤特性分析

劉安明

摘 要：燃煤是保證電廠安全、經濟、穩定運行的關鍵。在介紹燃煤工業分析組成的基礎上，探討了燃煤工業分析組成與發電的關系。然后，給出了電廠常用的燃煤類型，并對火電廠主要燃煤特性及方法進行了分析。

關鍵詞：火力發電廠；燃煤成分；燃煤特性

火力發電是當前我國電力供電的主要形式。對于火力發電廠而言，為保證機組的安全、可靠、優質、經濟運行，除了鍋爐、汽機、發電機等相關設備的質量外，燃煤的作用和特性也極為關鍵。煤是多種有機物和無機物的混合物，不同煤種的組成成分和結構差異都很大。燃煤化程度越高的煤，其物理特性上存在各向異性，化學上更加呈現惰性。因此，研究火力發電廠燃煤特性，有利于提升鍋爐的運行性能，保證火電機組的安全穩定運行。

1 燃煤工業分析組成及其與發電的關系

燃煤具有粉碎性、風化性、熱分解性、燃燒性、膨脹性、粘結性、自燃性等復雜的物理化學性質[1]，燃煤的結構究竟是怎么樣的還是一個頗具爭議的話題。對于火力發電廠而言，只能從煤的燃燒角度進行相應分析以探討其結構表征。從工業上對煤的組分劃分來看，主要有工業分析組成和元素分析組成兩類。因此，作為工業用發電燃煤，探討其燃燒特性需要首先了解燃煤的工業組成。

需要指出的是，燃煤的工業分析組成并不是煤的原始化學成分，而是在一定條件下，對煤樣加熱，燃煤原始化學成分發生物理或化學反應后，利用工業分析方法獲取的燃煤組成。總的來說，燃煤的工業分析成分主要包括水分、灰分、揮發分和固定碳[2]。

煤的水分可分為表面水分、固有水分及結晶水分，前二者又被稱為總水分，影響煤燃燒特性的就是總水分?？偹衷礁叩娜济?，其燃燒時熱量損失越大，溫度越難提高。對不同形狀的燃煤而言，不同水分所占比例也是不同的，比如，塊煤、粉煤、微粉煤的表面水分所占比例分為約為3%、7%和10%；同樣的，不同煤質也含有不同的固有水分，如褐煤、煙煤和無煙煤固有水分比例分別為10%、5%和1%。并且，每增加1%的水分，煤的發熱量將減少約250-290J/g，越高的水分將降低爐膛燃燒溫度，提高燃煤著火點。灰分是煤樣在815±10℃下充分燃燒后，剩余的殘留物所占的質量百分含量，一般而言，灰分范圍介于10-30%之間，灰分越高，燃煤熱值越小，火焰傳播速度越低，也越容易產生結渣、積灰等現象，甚至導致鍋爐停爐，增大設備磨損?；曳置吭黾?%，鍋爐效率將減少0.03%。揮發分是指煤在900±10℃下隔絕空氣加熱，所分解出的可燃性氣體，比例高者可達40%，碳化程度越高揮發分越少，揮發分是燃煤熱值的主要來源，直接影響著鍋爐燃燒所需空間、空氣過剩系數、熱風溫度、煤粉細度、送份方式和風粉比，比如，無煙煤揮發分開始逸出溫度約為400℃，其發熱量高達69MJ/kg，對于已投運的鍋爐，揮發分只能在允許的范圍內。固定碳是煤經熱分解扣除揮發后剩余的可燃性固體，它也是燃煤熱值的主要提供者，碳化程度越高固定碳越高。

2 電廠主要燃煤類型及其特性分析

燃煤的分類方法有很多種，較為常用的是煤化序列分類法（Classification of coals by Rank），即通過各種燃煤的變質或煤化的程序，分為褐煤到無煙煤等一系列煤種。顯然，隨著煤化等級的提升，水分及揮發性物質將減少，固定碳將增加。

就常規火力發電廠而言，其燃料來源大致可分為固體燃料、液體燃料與氣體燃料三類，對應我國火力發電所采用的燃料將分別是煤、石油和天然氣，燃煤、燃油機組使用的是汽輪發電機，燃氣使用的是往復循環機組。縱觀當前我國電廠燃煤煤種，按照燃煤序列從低到高，主要有泥煤、褐煤、煙煤、亞煙煤和無煙煤等五類，其中，泥煤是由不同的成分，如腐爛的植物及無機礦物質組成，含水量高達90%，實用性差，但儲量豐富，我國已不使用；褐煤是使用最低等級的燃煤，具有高揮發性和高含水量（30%左右），呈現棕色和薄板結構，熱值介于14650-19300千卡/kg，具有三個等級；煙煤含碳量高達69%-86%，揮發分占20%-40%，熱值介于25600-32600千卡/kg之間，可分為低、中、高三類；亞煙煤含有15%-30%的高固有水分，硫含量低，呈現棕黑色或黑色，結構均勻，常用語磨煤鍋爐，熱值介于19300-26750千卡/kg之間，也可分為三級；無煙煤是含碳量最高的煤，最高碳含量高達98%，揮發分也較低，色澤光亮、密度大、黑色，煤質硬且脆，含熱量較煙煤略低，可分為半無煙煤、無煙煤和變性無煙煤三類。

由上所述，描述電廠用煤的特性指標有很多，如發熱量、灰熔融性、可磨性、磨損指數、煤粉細度、著火點、密度等，但從煤的燃燒角度看，這些特性可歸結為兩個方面的內容，即著火特性和燃盡特性，二者分別描述了燃燒初期火焰穩定度和燃燒中的速度及效率。從研究方法來看，Vr法一直是國內長期沿用的評價燃煤著火點、燃盡特性的主流方法，并且，國內很多鍋爐的設計和運行經驗的獲取都是基于Vr法而來的，如式（1）所示。

RJ=KVr （1）

式中，RJ表示燃盡系數，K為與焦渣指數JZ有關的系數，當JZ≤4時，K=1；JZ=5時，K=0.9；JZ≥6時，K=0.8。

然而，Vr法不能反映水分、灰分等對著火的不利影響，因此，實踐證明，依賴煤的常規分析以確定燃燒特性是不準確的，有時甚至會出現極大的偏差[3]。因而，有學者采用Vy法來替代Vr法以更好地描述煤的著火特征，比如，美國、日本等發達國家還專門引入常用燃料比以判斷煤的著火特性。

另外，一些新近發展起來的特種方法，如熱分析法、煤焦比表面積法、熱顯微鏡法、著火指數法、沉降爐法等也逐漸被重視起來，它們能夠在某一方面（如煤的有機/無機顯微組分）或多個方面（微觀視角）更好地揭示燃煤特性。

參考文獻

[1]白浚仁，劉鳳歧.煤質分析[M].北京：煤炭工業出版社，1982.

[2]劉愛忠.電廠化學[M].北京：中國電力出版社，2002.

[3]喻丹峰.探討煤質分析中應用經驗公式驗算的誤差[J].江西能源，1999（4）：14-17.