世界典型動力煤揮發(fā)分發(fā)熱量分布規(guī)律

王世昌，章明富

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2.鄭州裕中能源有限公司 生產(chǎn)安全部，新密452375）

中國火力發(fā)電廠的燃料主要是國內(nèi)和海外生產(chǎn)的原煤、原煤的混合物構(gòu)成的動力煤.揮發(fā)分的產(chǎn)率和化學(xué)成分隨著熱解溫度的不同而不同，工業(yè)分析成分中的揮發(fā)分產(chǎn)率是（900±10）℃下熱解7min得到的［1］，循環(huán)流化床（CFB）鍋爐的燃燒溫度為850～910℃，煤粉鍋爐（PCB）的燃燒溫度為1 300～1 500 ℃，因此工業(yè)分析成分中的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)只是名義值.動力煤揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可反映動力煤的著火特性，但是不夠準(zhǔn)確.筆者對全世界224種典型動力煤［2］的揮發(fā)分發(fā)熱量分布規(guī)律進(jìn)行了計算與分析，總結(jié)了揮發(fā)分分布規(guī)律，研究了揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對著火和穩(wěn)定燃燒的影響.由于原始數(shù)據(jù)較多，本文略去.

中國的發(fā)電廠以國內(nèi)生產(chǎn)的動力煤為主要燃料，中國的原煤超過100種，原煤混合形成的動力煤多達(dá)數(shù)百種.國內(nèi)學(xué)者對我國動力煤的燃盡特性［3］、NOx等污染物的排放特性［4-5］和動力煤揮發(fā)分的發(fā)熱量分布規(guī)律［6］進(jìn)行了相應(yīng)的研究.中國的動力煤特性與海外動力煤特性之間存在一定差異，使用海外動力煤的國內(nèi)燃煤電廠不能按照國內(nèi)動力煤的特性運(yùn)行.

1 揮發(fā)分收到基低位發(fā)熱量分布規(guī)律

世界動力煤的收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar隨著干燥無灰基揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Vdaf）的分布規(guī)律如圖1所示.由圖1可知，當(dāng)w（Vdaf）＜15%時，Qnet，ar略有上升，而且擬合曲線值超過27.5 MJ／kg，發(fā)熱量較高，接近標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量29.271 MJ／kg；當(dāng)w（Vdaf）≥15%時，Qnet，ar逐步降低；當(dāng)w（Vdaf）≥40%時，Qnet，ar以較快速度從23.7 MJ／kg降低到5 MJ／kg.說明煙煤的發(fā)熱量隨著揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高降低較緩慢，褐煤的發(fā)熱量隨著揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高降低較快.

圖1 Qnet，ar隨w（Vdaf）的分布規(guī)律Fig.1 Relationship between Qnet，arand w（Vdaf）

碳的發(fā)熱量是32.86 MJ／kg，1.0kg煤固定碳的發(fā)熱量為32.86 MJ／kg.根據(jù)能量守恒原理，1.0 kg煤的發(fā)熱量減去固定碳的發(fā)熱量就是1.0kg煤中揮發(fā)分的發(fā)熱量QVnet，ar.世界動力煤的揮發(fā)分收到基低位發(fā)熱量QVnet，ar隨著w（Vdaf）的分布規(guī)律如圖2所示.由圖2擬合曲線可知，當(dāng)w（Vdaf）從5%上升到40%時，QVnet，ar從1.69 MJ／kg 上升到9.09 MJ／kg，上升速度逐步降低；當(dāng)w（Vdaf）從40%上升到76%時，QVnet，ar從9.09 MJ／kg逐步下降到0.68 MJ／kg，下降速度逐步加快.

圖2 QVnet，ar隨w（Vdaf）的分布規(guī)律Fig.2 Relationship between QVnet，arand w（Vdaf）

國內(nèi)燃煤電廠鍋爐專業(yè)工程師一般認(rèn)為動力煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)反映著火穩(wěn)定性.w（Vdaf）越高，著火越穩(wěn)定.由圖2可知，w（Vdaf）＞40%時，動力煤（褐煤）的揮發(fā)分熱量越低，著火穩(wěn)定性越差.此外，由圖1的擬合曲線表明：w（Vdaf）＞40%時，褐煤的Qnet，ar下降速度較快，著火穩(wěn)定性也降低.w（Vdaf）表示著火的難易程度，w（Vdaf）＜40%時，w（Vdaf）越高，著火越容易；w（Vdaf）≥40%時，w（Vdaf）越高，著火難度越大.

2 動力煤的理論低位發(fā)熱量和熱量份額分布規(guī)律

1.0kg揮發(fā)分的理論低位發(fā)熱量QV0net＝QVnet，ar／w（Var），QV0net隨著w（Vdaf）的分布規(guī)律見圖3.

圖3 QV0net隨w（Vdaf）的分布規(guī)律Fig.3 Relationship between QV0netand w（Vdaf）

由圖3擬合曲線可知：QV0net隨著w（Vdaf）的增加從43.5 MJ／kg逐漸降低到13.4 MJ／kg.對照圖2可知，當(dāng)w（Vdaf）＞40%時，隨著w（Vdaf）的提高，1.0kg煤的揮發(fā)分發(fā)熱量QVnet，ar＝QV0net逐步降低.因此，w（Vdaf）＞40%時，揮發(fā)分的理論低位發(fā)熱量QV0net降低的速度比QVnet，ar降低的速度更快.

收到基條件下煤的揮發(fā)分發(fā)熱量比例qVar＝100QVnet，ar／Qnet，ar（%），其隨w（Vdaf）的分布規(guī)律見圖4.由圖4擬合曲線可知，隨著w（Vdaf）的提高，qVar從5.2%上升到43.4%，w（Vdaf）越高，qVar上升速度越慢；固定碳的發(fā)熱量比例qFCar＝100-qVar（%），隨著w（Vdaf）的提高，qFCar從94.8%降低到56.6%，這是因?yàn)槊旱陌l(fā)熱量主要來自固定碳.固定碳的發(fā)熱量QFCnet，ar表示動力煤火焰的持久性，QFCnet，ar越高，火焰持久性越好，越不容易滅火.

圖4 qVar隨w（Vdaf）的分布規(guī)律Fig.4 Relationship between qVarand w（Vdaf）

3 煤粉鍋爐著火指數(shù)和燃盡指數(shù)分布規(guī)律

3.1 CFB鍋爐煤指數(shù)和PCB著火指數(shù)分布規(guī)律

煤指數(shù)［7］CI＝w（Vdaf）／Qnet，ar，用來描述循 環(huán)流化床鍋爐中動力煤的燃盡難度.CI越大，CFB 鍋爐的飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Cfh）越低.CI隨著w（Vdaf）的變化規(guī)律如圖5所示.由圖5可知，隨著w（Vdaf）的提高，CI從0.19%·kg／MJ提高到9.21%·kg／MJ.對于CFB 鍋爐而言，w（Vdaf）越大，則：（1）揮發(fā)分析出過程引起的煤粒一次碎裂越強(qiáng)烈，粒徑為1～10mm 的動力煤從Geldart D 類顆粒（顆粒粒徑大于650μm）向B類（顆粒粒徑為90～650μm）、A 類顆粒（顆粒粒徑為20～90μm）過渡的速度比較快；（2）焦炭顆粒的孔隙率較大，燃燒過程較徹底，因此飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低.反之，w（Vdaf）越低，表示煤粒一次碎裂過程越緩慢，焦炭顆粒的孔隙率較小，燃燒過程中O2或CO2氣體向炭粒表面擴(kuò)散的速度較慢，燃盡過程越不徹底，飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高.CFB鍋爐的燃燒穩(wěn)定性比煤粉鍋爐好，對動力煤的揮發(fā)分變化有較好的適應(yīng)性.

圖5 CI 隨w（Vdaf）的變化規(guī)律Fig.5 Relationship between CIand w（Vdaf）

中國的電站燃煤鍋爐中，約92.5%是煤粉鍋爐，總計約7 500臺.如圖2所示，用干燥無灰基揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Vdaf）來描述煤粉著火難易程度未必準(zhǔn)確.為了兼顧揮發(fā)分的發(fā)熱量和發(fā)熱量與標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量之比等因素，式（1）定義了煤粉的著火指數(shù)CIW（即修正的煤指數(shù)），其隨著w（Vdaf）的變化規(guī)律見圖6.

由圖6的擬合曲線可知，當(dāng)w（Vdaf）＝6%～55%時，CIW逐漸從0上升到13.15%，CIW的提高表示煤粉著火過程越來越穩(wěn)定；當(dāng)w（Vdaf）＞55%時，CIW開始下降，煤粉著火變得不太穩(wěn)定.Qnet，ar主要由固定碳的發(fā)熱量構(gòu)成，結(jié)合圖1可知：當(dāng)w（Vdaf）＞55%時，世界典型動力煤的收到基低位發(fā)熱量Qnet，ar下降很快，從而大大降低了煤粉火炬火焰的持久性，煤粉著火穩(wěn)定性變差.因此，用CIW預(yù)測煤粉火焰的著火穩(wěn)定性較為合理.

圖6 CIW隨w（Vdaf）的變化規(guī)律Fig.6 Relationship between CIWand w（Vdaf）

3.2 燃料比和PCB燃盡指數(shù)分布規(guī)律

燃料比［8］FR＝w（FCdaf）／w（Vdaf），用來表示煤的變質(zhì)程度（煤化程度）.FR值越大，表示動力煤的煤化程度越高，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，動力煤越難燃盡.世界典型動力煤的FR分布規(guī)律見圖7.由圖7可知，隨著w（Vdaf）的提高，F(xiàn)R單調(diào)減小，表示揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的煤變質(zhì)程度低.根據(jù)國內(nèi)煤粉電站鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，無煙煤（w（Vdaf）＜10%）最難燃盡，比較適合采用W 型火焰煤粉燃燒器；貧煤（w（Vdaf）＝10%～20%）燃盡度略高，采用直流煤粉燃燒器或旋流煤粉燃燒器時，為了保證燃盡度，要采用較小的爐膛橫截面、較小的水平間距和垂直間距、較高的爐膛高度.國外文獻(xiàn)［9-12］報道，F(xiàn)R＞4的煤（w（Vdaf）＜20%）難以燃盡.由圖7可知，無煙煤的FR與貧煤的FR相差不是很大.因此用FR預(yù)測煤粉燃盡度有一定局限性.

圖7 FR 隨w（Vdaf）的分布規(guī)律Fig.7 Relationship between FRand w（Vdaf）

兼顧固定碳發(fā)熱量與揮發(fā)分發(fā)熱量比值和標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量與收到基低位熱量比值等因素，定義煤粉的燃盡指數(shù)（即修正的燃料比）FRW（式（2））.FRW隨著w（Vdaf）的分布規(guī)律見圖8.由圖8可知，當(dāng)w（Vdaf）從5%提 高 到10%時，F(xiàn)RW從600 降 低 到46，w（Vdaf）＞10%時，F(xiàn)RW下降速度明顯放緩.無煙煤（w（Vdaf）＜10%）的FRW比貧煤（w（Vdaf）＝10%～20%）大得多，這說明利用FRW來預(yù)測煤粉鍋爐的煤粉燃盡度較為合理.

圖8 FRW隨w（Vdaf）的變化規(guī)律Fig.8 Relationship between FRWand w（Vdaf）

3.3 固定碳發(fā)熱量和揮發(fā)分發(fā)熱量比值的分布規(guī)律

固定碳發(fā)熱量QFCnet，ar和揮發(fā)分發(fā)熱量QVnet，ar的比值表示煤粉火炬火焰持久性與著火穩(wěn)定性的比值.該比值隨CIW和FRW的分布規(guī)律分別見圖9和圖10. 由圖9可知，CIW＜2%時，QFCnet，ar／QVnet，ar的提高速度很快.根據(jù)圖6的擬合曲線可知，此時w（Vdaf）＜10%，正是無煙煤的揮發(fā)分范圍.無煙煤煤粉氣流的著火穩(wěn)定性差，火焰持久性好.

圖9 QFCnet，ar／QVnet，ar隨CIW的分布規(guī)律Fig.9 Relationship between QFCnet，ar／QVnet，arand CIW

圖10 QFCnet，ar／QVnet，ar隨FRW的分布規(guī)律Fig.10 Relationship between QFCnet，ar／QVnet，arand FRW

由 圖10可 知，當(dāng)FRW＞50 時，QFCnet，ar／QVnet，ar＞48.對照圖8可知，此時的w（Vdaf）＜10%，屬于無煙煤的揮發(fā)分范圍.在此范圍內(nèi)，w（Vdaf）降低時，F(xiàn)RW快速提高.雖然無煙煤煤粉的火焰持久性好，但是由于無煙煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，揮發(fā)分熱解析出過程中形成的焦炭的孔隙率較小，阻礙了CO2氣體向焦炭顆粒表面的快速擴(kuò)散.此外在燃燒后期，煤粉氣流的放熱功率逐步降低，隨著爐膛水冷壁吸熱過程的進(jìn)行，煙氣溫度越來越低，煙氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)越來越小.根據(jù)阿侖尼烏斯定律，此時的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)很小.因此，在煤粉鍋爐爐膛上部區(qū)域，粒徑很小的焦炭顆粒的燃盡度較低，造成無煙煤煤粉鍋爐的飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高.

4 結(jié) 論

（1）煤指數(shù)CI用來預(yù)測循環(huán)流化床鍋爐的飛灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，煤粉著火指數(shù)CIW用來預(yù)測煤粉著火難度，CIW越大，煤粉氣流越容易著火.燃料比FR表示煤的煤化程度，煤粉燃盡指數(shù)FRW可以用來預(yù)測煤粉的燃盡程度，F(xiàn)RW越大，煤粉越難燃盡.動力煤的發(fā)熱量主要來自固定碳的燃燒放熱，表示火焰持久性的固定碳發(fā)熱量QFCnet，ar與表示著火容易程度的揮發(fā)分發(fā)熱量QVnet，ar的比值隨著CIW的增大而減小，隨著FRW的增大而增大.

（2）當(dāng)w（Vdaf）＞50%時，煤的收到基低位發(fā)熱量和1.0kg煤的揮發(fā)分低位發(fā)熱量隨揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高快速降低.煤的發(fā)熱量中，當(dāng)w（Vdaf）由5%增加到75%時，揮發(fā)分的放熱量比例從約5%增加到42%.

（3）w（Vdaf）＜55%時，w（Vdaf）越高，CIW越大，著火越容易；w（Vdaf）≥55%時，w（Vdaf）越高，CIW開始減小，著火難度增加.

（4）當(dāng)w（Vdaf）從5%增加到10%時，煤粉的燃盡指數(shù)FRW從600 降低到46，說明無煙煤難以燃盡.當(dāng)w（Vdaf）＞10%時，隨著揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，煤粉燃盡程度快速提高.

（5）不同動力煤揮發(fā)分的理論低位發(fā)熱量不是常數(shù).當(dāng)w（Vdaf）從5%增加到75%時，揮發(fā)分理論低位發(fā)熱量從43.5 MJ／kg降低到13.4 MJ／kg，這也是高揮發(fā)分褐煤著火不夠穩(wěn)定的原因之一.

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