動力煤煤質對鍋爐內換熱量影響的大數據分析

姚鋒剛

（西安航空職業技術學院，陜西西安710089）

由于我國動力煤的分布范圍十分廣泛，存在較大的成本差異，電廠在運進煤的時候，根本無法確保入爐的煤質是否良好、穩定、一致。而煤質的波動會直接導致超臨界鍋爐運行性能有所降低，而鍋爐汽水系統受熱面傳熱性和超臨界鍋爐中間點溫度極易受燃料特性影響。另外，入爐時，一旦煤特性發生突出性波動，就會直接造成爐膛內部過熱器的下部煙氣溫度相應發生變化，使得輻射傳熱量與對流傳熱量偏離設計值，最終導致汽水系統工質溫度發生顯著波動，處于相同負荷狀態的時候，水煤比的變化趨勢和范圍逐漸擴大，進而造成自控系統既有參數難以與機組新型運行特性之間相互適應[1]。因此對動力煤煤質在鍋爐內換熱量的影響進行大數據分析勢在必行。

1 煤炭燃燒過程

在煤進入爐膛直到完成燃燒，主要會經歷四大階段，其一，水分蒸發，在溫度上升到105 ℃的時候，水分會被全部蒸發掉；其二，揮發分著火，煤不斷地吸收熱量，溫度則持續升高，此時揮發分會隨之析出，在溫度上升到著火點的時候，揮發分就會開始燃燒，此時揮發分的燃燒速度加快，一般只會占用煤燃燒整個過程時間的大約十分之一；其三，焦炭燃燒，煤的揮發分著火并燃燒之后，剩余炭灰構成固體物就是所謂的焦炭，焦炭的溫度上升比較快，固體碳劇烈燃燒，釋放大量熱量，煤燃燒的速度與燃盡的程度，在很大程度上受此環節影響；其四，燃燼階段，此階段會導致灰渣的焦炭全部燒完，從而促使不完全燃燒的熱損失大大降低，使得效率得到顯著提升。

良好燃燒需要具備三大重要前提，首先，溫度，溫度高，化學反應的速度也就快，燃燒就更加徹底；其次，空氣，空氣對碳的表面快速沖刷，碳與氧之間的接觸就會更好，燃燒速度就會加快；再次，時間，確保煤在爐膛中的燃燒時間充足。

煤炭在燃燒的時候，周圍會裹上灰殼，炭燃燒形成CO 與CO2，其經常會穿過灰殼然后想周圍擴散，其中，CO 在與氧氣相遇之后，開始繼續燃燒，生成CO2。即在炭粒燃燒的時候，灰殼的外部包圍著CO與CO2兩層氣體，空氣中包含的氧需要穿透外殼，才能夠和炭之間相互接觸。所以，適當增加送風量，加快空氣沖刷炭粒的速度，便很容易將外包層中的氣體直接帶走，而且增強機械化波動，便能夠將灰殼破壞掉，使得氧氣和炭之間直接相接觸，從而加快燃燒速度[2]。

2 煙氣參數影響因素

2.1 煤質成分對煙氣參數的影響

就理論角度來說，對爐內放熱量造成影響的關鍵性因素主要有三種，即煤燃燒時絕熱燃燒溫度（ta）、煙氣熱容量（Vc）、爐膛出口煙溫（tout）。因為煤發熱量和絕熱燃燒溫度之間的關系是正相關，而且熱值大的煤炭中所含有碳元素比較多，在1 kg燃料燃燒時，所需空氣氧量會隨之明顯增加，這樣一來，燃料燃燒的放熱量也會隨著明顯增大[3]。

tao（理論絕熱，燃燒溫度）與煤低位發熱量（Qarnet）的變化關系如圖1 所示，通過未計入熱空氣焓等熱源帶入爐內熱量，詳細分析煤質特性對燃燒溫度與煙氣熱容量的影響。在不同的煤質狀態下，水分與氫氣的含量變化都非常大，因此對煙氣體積、熱容量的影響十分突出[4]。其中，φ（H2O）、φ（N2）、φ（RO2）與Qar，net之間的關系具體如圖2 所示，三者分別表示煙氣中所包含的水蒸氣、氮氣、三原子氣體的體積。

圖1 tao隨Qar.net變化

從圖2 中可以看出，煤的低位發熱量不同，此時1 kg煤炭燃燒后產生的煙氣中包含的水蒸氣體積差異則會非常顯著，水蒸氣容積也會逐漸增大，但是在溫度相同時，煙氣焓值越大，理論絕熱燃燒溫度則會偏低。一般來說，煤發熱量越低，那么理論絕熱燃燒溫度也就會越低。

2.2 熱空氣焓對煙氣參數影響

通過理論分析可以看出，促使空氣焓的提升，可以使得絕熱燃燒溫度上升。在實際狀況下，帶進爐內部的空氣溫度tk即使會達到300～400 ℃，溫度水平也會明顯比爐膛內部煙氣均溫要低，因此熱空氣進入爐膛吸收高溫煙氣熱量，從而促使爐膛內部的煙氣溫度快速降低。其中不同的α值下，ta（煤燃燒時絕熱燃燒溫度）會隨著Qar.net發生相應的變化，具體如圖3所示。在過量空氣系數為1.2的時候，和1.1的狀態相比較，絕熱燃燒溫度ta大約會降低78.6 ℃。由圖3 可知，過量空氣系數對于絕熱燃燒溫度的影響比較顯著[5]。

圖2 φ（H2O）、φ（N2）、φ（RO2）隨Qar.net變化

圖3 不同α值狀態下ta隨Qar.net變化

2.3 煤質特性對煙氣熱容量影響

由于煤質差異，所含元素也大不相同，因此，相同1 kg 煤燃燒所需空氣量也存在較大不同[6]。其中，Vyo代表理論煙氣量，m3/kg；Vko代表理論空氣量，m3/kg；Vyo、Vko與Qar，net的關系具體如圖4所示。

圖4 Vyo、Vko隨Qar，net變化

從圖4 中可以看出，氧含量與煤燃燒理論空氣量和煙氣量密切相關。煤氧含量越高，燃燒所需空氣量則越少，生成的煙氣含量也會隨之縮減，煙氣熱容量則會顯著降低。

煙氣的熱容量VC與Qar.net之間的關系具體如圖5所示。

從圖5 中可以看出，煙氣熱容量與煤的低位發熱量之間呈現的是線性正相關關系。這是由于理論煙氣體積隨著發熱量變化趨向于線性關系，而不同的爐膛出口煙氣溫度的平均比熱容之間存在的差異并不明顯，幾乎可以認為只隨著低位發熱量與過量空氣系數發生變化。

圖5 VC隨Qar.net變化

2.4 熱空氣溫度的絕熱燃燒溫度影響

大容量的煤粉鍋爐在運行過程中，熱空氣溫度trk在340～380 ℃。熱空氣溫度不同時，Qar，net會隨之發生相應變化，具體如圖6所示。

圖6 trk不同時隨Qar，net變化

從圖6可知，過量空氣系數在既定狀況下，相同條件的煤在360 ℃熱空氣中實現燃燒狀態，從而達到絕熱燃燒溫度，其熱空氣大約降低13 ℃。所以說，熱空氣溫度對絕熱燃燒溫度的影響并不顯著。

2.5 爐膛出口煙溫

爐膛出口的煙氣溫度在爐內煙氣放熱量計算中發揮著重要作用。為了確保對流受熱面傳熱的溫差，超臨界鍋爐在處于BMCR 之下的時候，爐膛出口的煙氣溫度設定為大約1 360 ℃。在鍋爐設計中，爐膛出口煙氣溫度取值主要受煤灰軟件溫度影響，而且水媒體會在煤質波動的影響下進行特性調整。爐膛出口煙氣溫度直接受煤質燃燒特性影響，不同類型煤的燃燒火焰和煙氣輻射強度等彼此間也存在顯著性差異，再加上在實際運行時，氧量與火焰中心位置等調整性措施的落實，都會引發爐膛出口煙氣溫度變化[7]。

3 煤質對鍋爐與輔助設備運行的影響

（1）在煤質比較劣質的時候，鍋爐點火與運行調節的難度都比較大，無法及時燃燒，很容易滅火，從而對鍋爐的出口溫度達到相關標準造成直接性影響。

（2）爐膛內部很容易結焦，造成流管束、省煤器、空氣預熱器等相關受熱面位置出現嚴重磨損狀況，而且極易積灰，鍋爐的送風阻力明顯增大，進而直接影響鍋爐的熱效率。

（3）煤塊比較大的時候，很容易卡住分層給煤器與爐排，對煤炭燃燒的穩定性與鍋爐運行的穩定性安全性造成直接性影響。

（4）煤質較差的時候，鍋爐的耗煤量會明顯增加，爐渣的含碳量也會隨之增大，輸煤與除渣系統的運行負荷則會顯著增大，輸煤機、除渣機等相關設備則會極易出現故障，煤炭的拉運與爐渣拉運的成本就會隨之明顯增加。

（5）灰分比較大的煤燃燒之后，既會對除塵器的除塵效果造成嚴重影響，還會直接增加除灰系統與排灰系統的運行負載，進而導致引發運行故障，直接威脅工作環境與外部環保等等。

（6）煤質含硫量過大的時候，極易造成水冷壁的高溫腐蝕，鍋爐的尾部煙道和空氣預熱器等位置很容易引發低溫腐蝕，導致鍋爐發生爆管現象，從而阻礙鍋爐運行的安全性與穩定性[8]。

4 煤質特性對鍋爐內部放熱量的影響分析

4.1 Qf隨ta的分布規律

1 kg 燃料在爐內的輻射放熱量按照式（1）進行計算，其中Qf代表輻射放熱量；Q1代表總放熱量；I″e代表占比小的對流換熱量。

放熱量Qf與絕熱燃燒溫度ta呈冪函數關系，并且需進行燃燒時絕熱燃燒溫度ta與煙氣容量Ve計算，不利于煙氣參數分布規律對煙氣在爐內放熱量中的影響進行定量分析，所以應選擇與煤質特性相聯，并且精確度比較高，適用范圍十分廣泛的函數關系[9]。

4.2 Qf隨Qar.net的分布規律

絕熱燃燒溫度和隨著燃料帶進爐內的有效熱量Q1之間呈現正相關關系，具體按照式（2）計算，其中VCa代表煙氣熱容量。

Q1和燃料低位發熱量Qar.net之間呈正相關關系，設定Qk為隨著燃料帶進爐內的空氣熱量，按照式（3）計算：

過量的空氣系數與熱空氣溫度都會影響Qk。在鍋爐運行過程中，過量空氣系數主要保持在1.1～1.15。熱空氣溫度上升20 ℃，煤質的Qk值大約會增加0.077～0.202 MJ/kg，相對于燃料發熱量的變化量小于1%。

為了便于進一步詳細分析，可以構造四維函數，即令

式中：k為常數。按照傳統標準方式進行Qk值計算，再通過計算數據經過擬合所得四維關系式（5）：

所以

令

通過計算獲得，其中式（8）的b值在0.117～0.169不斷變化，近均值為0.139，那么：

通過式（9）把燃料煙氣在爐內的輻射放熱量和煙氣參數關系轉換成線性函數關系，能夠使得不同煤質煙氣放熱量與煤質特性之間的函數關系實現簡化，且相關性非常高。燃料發熱量與爐膛出口溫度、燃料基低位發熱量之間的關聯性，能夠擬合出高精確性的函數關系，以便于直接應用到實踐工程中去[10]。

在900～1 400 ℃選擇六個爐膛出口煙溫，對煤質進行燃料爐內輻射放熱量進行計算，即擬合三維關系式（10）：

系數擬合值具體如表1所示，通過計算，擬合函數的相關性為99.7%，說明數據誤差較小，所以實踐應用的可靠性與準確性非常高。

表1 擬合系數值

5 結 論

總之，通過構建以煤低位發熱量與爐膛出口煙溫為基礎進行爐膛內煙氣放熱量關系式，可以發現這一規律的實用性價值比較突出。對輻射放熱量、爐膛出口煙溫、低位發熱量之間的影響規律關系式，此方式可以快速半定量內輻射換熱量的變化規律，而且函數關系式非常簡捷，應用簡單，計算的精確度較高，在很大程度上為爐膛設計和運行提供了以熱平衡為出發點的半定量煤質變化影響輻射換熱量的新型方式。此方式是以熱平衡原理與大數據分析為重要依據的，其可靠性相對較高。