電廠煤質特性及其對制粉設備的影響

國電電力朝陽熱電有限公司 黃繼文 李 悅

1 煤的元素組成

煤的成分較為復雜，是多種有機物和無機物的混合物。煤的主要成分由碳、氫、氧、硫、氮以及水分和灰分組成。

碳（C）。碳是煤中主要也是最多的可燃物質，約占煤燃燒成分的50%～90%，1kg的碳完全燃燒可以釋放出3.29×104kJ的熱量，煤中的碳并不是單獨存在，有一部分和氫、氧、硫組成復雜的有機化合物，這些有機化合物在煤受高溫加熱后析出，成為揮發分，剩下部分碳叫固定碳。因固定碳的燃燒溫度極高，固定碳含量越高的煤越不易燃燒。

氫（H）。氫是煤中的有利元素，1kg氫完全燃燒釋放的熱量是碳的4.2倍，煤中的氫一部分是不能燃燒的氧化氫，可燃的氫是與碳組成的有機物，含量約為3%～6%。

氧（O）和氮（N）。氧和氮是煤中的不可燃成分，氧在煤中的含量較高，一般成煤時間越近，氧在煤中的含量越高，但游離氧有助于燃燒。氮的含量一般不高，但其燃燒產物氧化氮（NOx）是一種污染大氣的有害氣體。

硫（S）。可燃燒的硫稱為可燃硫，但在煤中的含量較低，約為1%～2%，發熱量也低，約為碳的3.5/1，不可燃燒的硫并入灰分中。燃燒后的硫形成SO2和SO3，其中SO3與煙氣中的水蒸氣混合成為硫酸蒸汽，腐蝕鍋爐低溫受熱面，而且SO2和SO3也會污染大氣，如某燃煤電廠煤含硫量0.7%，煤耗量5000t/日，每天約產生70t的SO2，并且煤中硫含量越高，煤的硬度越高，磨煤機研磨時會增加磨煤機金屬件磨損速度。近年來，隨著國家節能減排要求日趨嚴格，各火力發電廠均增加了脫硫設備。

灰分。煤完全燃燒后不可燃雜質形成的固態殘余物，是煤中的有害物質。灰分會影響可燃物完全燃燒，并使鍋爐受熱面腐蝕、積灰、結渣和磨損，而且灰分會污染環境。

水分。煤中的水分分為內部水分和外部水分。外部水分會在煤存放過程中自然干燥。而煤中的其他水分統稱為內部水分，無論內部水分和外部水分，在煤燃燒過程中都會吸收熱量變成水蒸氣，使煤的燃燒溫度降低，影響煤的發熱量。水分會造成輸煤管路堵塞，同時因水分使煤硬度增加，會增加制粉設備的磨損。

而且氧、氮、硫、水分和灰分的存在會使煤中的可燃成分減少，氮、硫、灰分在燃燒后還會污染環境，因此氧、氮、硫、水分和灰分都是煤中的不利成分。

2 煤的工業分析及影響

煤的工業分析就是為了了解煤的燃燒特性，在特定條件下將煤干燥、加熱、燃燒，來測定煤中的水分、灰分、固定碳和揮發分的含量。因為煤會隨著儲存環境、運輸過程及氣候變化而發生變化。如同一種煤在干燥的環境中儲存水分相對較少，在露天儲存且下雨時水分就會增加，水分、灰分和其他成分的含量都是變化的，所以要準確判斷出煤的性質，不僅要了解其成分，還要知道分析煤時煤所處的狀態。煤的工業分析常用的基準有：收到基（ar）、空氣干燥基（ad）、干燥基（d）、干燥無灰基（daf）。

用煤的各個基準表達煤的成分關系如圖1所示[1]。

圖1 煤的組成及相關成分關系

2.1 灰分

根據煤的工業分析可以看出，灰分的存在會使煤中可燃物質含量減少，降低發熱量，灰分是由煤中的礦物雜質完全燃燒后形成的，在形成的過程中會吸收熱量，妨礙可燃物與氧氣的接觸，增加機械不完全燃燒熱損耗，并增加制粉設備金屬元件的磨損。灰分多，也會增加制粉設備的電耗，在金屬元件磨損嚴重后，制粉設備和輸煤管路也相應磨損變薄，導致系統漏風以及煤粉爆燃。同時，灰分也會造成環境污染，并且對鍋爐其他設備也有一定程度的影響。

2.2 水分

與灰分相同，水分也會使煤中可燃物質含量減少，降低發熱量。當煤的水分含量越高，越不容易被破碎，在磨煤機中研磨時只是改變了煤的形狀，煤并沒有被粉碎，增加磨煤機的研磨時間，降低制粉效率，也使磨煤機出力下降。要保證磨煤機出力不變，則需要增加磨煤機的能耗。

磨煤機和制粉系統的能耗增加，那么金屬元件磨損也相應增加。煤中水分過多，煤的流動性變差，煤變得更粘，容易吸附粘在落煤管、煤倉、給煤機皮帶及管道中。但煤粉的水分少，長期堆積的煤粉會發生自燃事故，所以煤粉中的水分要根據實際情況具體考量。

煤中的水分受儲存、運輸時的環境影響，在潮濕的雨季會使煤中的水分含量變大，為制粉設備安全運行埋下隱患。電廠煤炭化驗人員必須定期對入爐煤進行采樣化驗。同時，運輸人員也要根據煤中水分含量的變化及時調整制粉系統的運行狀態。

2.3 揮發分

揮發分主要是指煤中的氫、氧、氮，揮發分與電廠制粉系統和鍋爐安全運行，以及穩定燃燒有著密切關系。煤的揮發分與煤中含氧量成正比，與碳氫化合物含量成反比，所以揮發分高的煤，發熱量和揮發分的溢出溫度都低。揮發分影響著煤的儲存和制粉系統的安全運行，煤粉的自燃溫度和揮發分成反比。

揮發分越高的煤越容易自燃，Vdaf為15%～30%的煤，引燃溫度約在200～270℃，而Vdaf為40%的煙煤，引燃溫度約為210℃。當制粉系統中煤粉局部堆積，會使煤粉溫度持續上升，甚至自燃。煤粉自燃后會導致壓力升高，最終損壞制粉系統，甚至煤粉和空氣混合物還會引起爆炸。并且揮發分是制粉系統及磨煤機選型的重要指標，如磨制高揮發分、低水分、磨損性不強的煤，宜選用中速磨煤機直吹式系統；而磨制高揮發分、強磨損性的煤時，宜采用雙進雙出鋼球磨煤機直吹式系統。

2.4 雜質

原煤在開采、運輸和儲存過程中，經常混入各種各樣的雜質，這些雜質包括鐵絲、破布、木頭、樹葉、膠皮、鐵塊等，若鐵絲、鐵塊等不易碎的金屬物進入制粉系統，會加快設備磨損或使其損壞；破布、鐵絲等絲狀物進入給煤機內會纏繞在給煤機轉動軸上，導致給煤機跳閘斷煤；木頭、樹干、稻草等不易碎的纖維物進入給煤機后，會導致輸煤管路、鎖氣器和回粉管堵塞，并且堵塞旋風分離器旋風筒，會導致爐壓和主汽溫度快速上升；雜草、樹葉會在制粉系統自燃，導致制粉系統設備發生爆炸事故。所以，煤在入爐前要將各種雜質去除，輸煤皮帶要安裝除鐵器，并防止易燃易爆物品進入。

2.5 發熱量對制粉設備的影響

單位質量的煤完全燃燒所釋放出的熱量就是煤的發熱量。灰分、水分含量越高，煤的發熱量越低，為了保持鍋爐負荷穩定，當煤的發熱量降低時，需要燃燒更多的煤，制粉系統負荷增加，能耗增加，金屬件加劇磨損，制粉系統安全性降低，若煤的發熱量過低，制粉系統出力嚴重不足，鍋爐只能甩負荷，因此必須確保來煤的發熱量不低于規定值。

3 煤的主要特性及影響

要了解煤對制粉系統安全穩定運行的影響，僅通過對煤的元素分析和工業分析是不夠的，還要了解煤的一些特性，如煤粉的細度、煤的可磨性、煤的磨損指數以及煤的自燃性等。

3.1 煤粉的一般性質

煤粉細度是煤的一種重要特性，也就是煤被磨煤機研磨成的煤粉的大小。煤粉細度一般是用固定篩孔尺寸的篩子將一定數量煤篩分、稱重，在篩子上剩下的煤粉量占煤粉總量的百分比稱為煤粉細度RX，公式為：

公式（1）中：a是剩余在篩子上的煤粉量；b是穿過篩網的煤粉質量。

我國煤粉細度常用90um的篩子進行篩分，即R90表示煤粉細度。

煤粉磨得細，燃燒面積大，容易燃燒，但煤粉磨得太細會增加磨煤機損耗，煤粉磨得粗，不易燃燒，增加不完全燃燒的熱損失。所以，煤粉入爐前應有一個合適的粗細度，合適的粗細程度成為最佳煤粉細度。煤粉的最佳細度要考慮排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、制粉系統電耗及制粉系統金屬損耗，當這四者之和為最小值時，就是煤粉最佳細度，也成為煤粉經濟細度。根據不同煤種，R90細度可按表1推薦選擇[2]。

表1 煤種的煤粉細度

煤粉顆粒。磨煤機研磨后的煤粉是由大小不一，形狀各異的顆粒混合而成。直徑大多在20～50um，煤粉過細會增加制粉系統損耗，而較大煤粉顆粒（直徑大于300um）占入爐煤煤粉總量較高時，爐膛燃燒容易結渣，增加完全燃燒熱損失。所以，在電廠實際應用中，通常用煤粉分離器將合格的煤過濾，使顆粒粗細合適的煤通過，不合適的將送回磨煤機重新研磨，這樣可以提高運行的經濟性。

煤粉的粒徑分布可用如下公式表示：

公式（2）中：RX是煤粉細度；b是煤粉顆粒粗細系數；n是煤粉顆粒均勻性指數。

由上述公式可以看出，根據兩種不同篩子的試驗結果，可求得上式中的b和n，并計算出任意篩網上的篩除剩余量，得出煤粉顆粒特性曲線。

公式（3）可以看出：n是正值。當R90為常數時，n越小則R200越大，即過粗的煤粉比較多。同理可以看出，當R200為常數時，n越小則R90越小，即過細的煤粉比較少。由此可以得出n代表煤粉顆粒均勻性指數。

公式（4）可以看出：若n為常數，b越小，某一篩子上剩余量RX就越大，即煤粉比較粗，反之較細。所以b反映了煤粉顆粒粗細系數。

3.2 煤粉的自燃性和爆炸性

長期積存的煤粉會因為氧化作用而釋放熱量，溫度升高，而溫度升高又會使煤粉繼續氧化，形成一個溫升循環鏈。若通風較差，熱量散發不出去，煤持續氧化、溫度持續增高，最終使煤的溫度達到燃燒點，形成自燃。在制粉系統中，若有煤粉達到自燃溫度或有外部火源，會使煤粉與氣體的混合物迅速被點著，擴大燃燒范圍，且壓力上升，最終形成煤粉爆炸。

煤粉的爆炸性與很多因素有關，煤粉的揮發分越大，煤粉越細，氣粉混合物的溫度越高，越有爆炸的可能性；煤粉濃度只在適合的范圍（1.2～2.0kg/m3）內爆炸可能性較大，空氣中含氧量在21%（體積）是煤粉爆炸的最佳范圍；而煤粉的水分和灰分會降低煤粉的爆炸可能性。

3.3 煤的可磨性

煤在一定外力作用下容易被粉碎。在自然干燥后，將相同質量的試驗煤和標準煤，由相同的顆粒磨至相同的煤粉細度所消耗的能量比，就是煤的可磨性系數。

煤的可磨性系數代表了煤是否容易被粉碎，可磨性系數越大的煤越容易被粉碎。其主要在設計制粉系統磨煤機時使用。

3.4 煤的磨損指數

在一定條件下，磨制1kg的煤對磨煤機金屬元件的磨損程度用Ke表示，當磨損指數Ke越大，說明對磨煤機的磨損越大，縮短了磨煤機的檢修周期。在tmin時間內，某種煤對金屬元件的磨損為a（mg），那么該煤的磨損指數Ke可以用下列公式表示：

公式（6）中：x為試驗煤每分鐘對磨煤機金屬元件的磨損量；10是指同等條件下標準煤每分鐘對磨煤機金屬元件的磨損量；標準煤是指每分鐘能使金屬元件磨損10mg的煤。

磨損指數Ke小于2.0是輕微磨損性，Ke在2.0～3.5是較強磨損性，Ke在3.6～5.0是強磨損性，Ke大于5.0是極強磨損性。煤的磨損指數與磨煤機碾磨件壽命有直接關系，兩者呈反比曲線關系。

綜上，煤的元素分析、煤中的水分、揮發分、灰分、發熱量、磨損性以及煤粉的顆粒、自燃性等對電廠制粉系統的安全穩定運行均有較大影響，而且這些影響都是相互關聯的，并且煤的這些性質是磨煤機及制粉系統選型的重要指標，所以煤質的研究對火力發電廠來說是非常重要的環節。