煤質(zhì)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(gòu)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(zhì)特性制定其具體的運行參數(shù)，當鍋爐的燃煤品質(zhì)變化時，其相應的運行控制參數(shù)也一定要做相應的調(diào)整，否則其經(jīng)濟性、排放甚至運行的穩(wěn)定性和安全性都會受到很大影響，也就是說煤質(zhì)和鍋爐的運行參數(shù)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(zhì)逐年變差，且摻燒中煤做法的普及，其發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、水分含量等基本特性參數(shù)與機組鍋爐的設計參數(shù)背離，這給電廠用煤的運輸、儲備、制粉、燃用以及排放等環(huán)節(jié)造成了不小的挑戰(zhàn)[2－3]。

美國的潔凈煤計劃（Clean Coal Technology，CCT）中就包含了煤質(zhì)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(zhì)變化開發(fā)了專用軟件來精確的定量計算煤炭品質(zhì)的變化給各電站帶來的影響程度。國內(nèi)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(zhì)變化對爐膛內(nèi)傳熱系數(shù)、排放、換熱器磨損的影響機理等，但系統(tǒng)的研究煤質(zhì)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(zhì)的變化給鍋爐運行帶來的影響具有重大意義。

1 燃煤品質(zhì)的變化帶來的影響

為取得更好的經(jīng)濟效益，同時減少環(huán)境污染，國內(nèi)很多機組探尋摻燒中等熱值煤的途徑，然而煤炭品質(zhì)的下降，使得燃用煤質(zhì)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(wěn)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(zhì)的幾個主要特性參數(shù)分別探討其變動對機組鍋爐的穩(wěn)定運行帶來的影響。

1.1 燃煤顆粒大小帶來的影響

以循環(huán)流化床（Cinculating Fluid Bed，CFB）鍋爐為例，其最大優(yōu)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(nèi)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(zhì)特性的一個重要參數(shù)，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(tǒng)是根據(jù)設計煤種而設計運行的，當破碎系統(tǒng)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(zhì)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(shù)量減少，正常的循環(huán)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(wěn)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(qū)的燃燒份額降低，稀相區(qū)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(qū)燃燒，總的結(jié)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(qū)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(qū)，破壞正常的沸騰狀態(tài)。煤粉顆粒的大小與其在爐膛內(nèi)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(qū)并有足夠時間燃盡，而分離器不能捕捉到的極細?。ㄐ∮?.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(fā)分和粒度都對其有直接影響，不同品質(zhì)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(jīng)驗公式如下：

式中，Vdaf是指制備煤粉中揮發(fā)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(fā)熱量對鍋爐運行的影響

發(fā)熱量是反映燃煤質(zhì)量的一個重要指標，當發(fā)熱量下降到一定程度時，會引起燃燒不穩(wěn)定、不徹底，不僅影響機組運行的經(jīng)濟性，而且還有可能導致滅火放炮事故的發(fā)生。統(tǒng)計結(jié)果表明，燃煤的低位發(fā)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(fā)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(nèi)不同礦區(qū)的煤炭的熱值存在較大差異，圖1是按統(tǒng)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)繪制的幾個主要煤種的極限發(fā)熱量分布圖，橫坐標為飛灰含量，縱坐標為發(fā)熱量。發(fā)熱量越高，燃燒越容易、穩(wěn)定。根據(jù)熱值分布，將其分為高熱值的燃燒穩(wěn)定區(qū)和熱值較低的滅火區(qū)。當燃煤熱值處在曲線圖右上的穩(wěn)定區(qū)時，鍋爐可以穩(wěn)定高效地燃燒。但當處于滅火區(qū)和過渡區(qū)時，需要燃油助燃方可。發(fā)熱量降低時，會導致爐內(nèi)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(fā)熱量比設計煤種高時，會使得爐膛內(nèi)溫度升高，煤灰軟化、熔融并結(jié)渣，這對燃燒效率也是不利的[7]。

圖1 國內(nèi)各煤種的發(fā)熱量分布曲線圖

1.3 揮發(fā)分對鍋爐運行的影響

可以用下述指數(shù)來描述燃煤的著火特性[7]

式中，F(xiàn)Z是表征燃煤著火特性的特征量；Vf，Wf，Cf分別是揮發(fā)分、水分和固定碳含量式?？梢姄]發(fā)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(wěn)定。這是因為揮發(fā)分析出時會產(chǎn)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(fā)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(nèi)溫度。但當揮發(fā)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(wěn)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(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制的3種型號的鍋爐內(nèi)飛灰中可燃物含量和所用燃煤揮發(fā)分含量的關系，如圖2所示。

圖2 飛灰中可燃物含量與揮發(fā)分含量關系圖

圖2中橫坐標Vf表示揮發(fā)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(fā)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(zhì)不變的前提下，灰分含量越高，發(fā)熱量越低，所需的著火溫度越高，容易著火延遲，爐膛內(nèi)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?zhèn)鞑ニ俾?，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(nèi)的磨損，鍋爐的事故率和停車率也會上升?；曳种泻瑝A金屬時，在高溫環(huán)境下會加劇對爐膛的腐蝕。據(jù)美國某單位統(tǒng)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(jīng)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(chǎn)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?shù)暮亢蛽]發(fā)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(chǎn)生的氫分子還可以提高火焰的熱傳導率，從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俾省?/p>

但含水量過高時，可燃物含量相對降低，發(fā)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(wěn)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(jīng)驗數(shù)據(jù)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(zhì)變化的對策及建議

（1）從源頭上改善燃煤品質(zhì)

從源頭上改善燃煤質(zhì)量，國家倡導動力鍋爐多燃用劣質(zhì)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(jīng)過清洗工藝后，容易造成燃用后環(huán)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(jīng)濟效率。

（2）運行參數(shù)的調(diào)整

對于揮發(fā)分含量較高的煤種，由于爐膛內(nèi)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(fā)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(wěn)定性。針對煤粉顆粒大小，當碎煤系統(tǒng)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(diào)整物料循環(huán)量，從而保證爐膛內(nèi)的物料平衡。當燃煤的熱值過大時，適當?shù)亟档徒o煤量即可，一、二次風量一般無需調(diào)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(xiàn)燃燒不穩(wěn)定狀況時，應及時投油穩(wěn)燃。

（3）建立健全煤質(zhì)評價體系

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

[1] 沈桂男.煤質(zhì)變化對鍋爐運行經(jīng)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(zhì)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(huán)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(zhì)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(zhì)與鍋爐的相關性及其對電廠運行的影響[J].電站系統(tǒng)工程，2010，1（16）：42－45.

[6] 張清濤.燃煤粒徑對循環(huán)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(diào)整[J].華電技術，2010，3（8）：54－57.