煤種變化對(duì)電站鍋爐的影響及策略探討

【摘 要】煤種的變化直接影響鍋爐燃燒的好壞，從而影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，由煤質(zhì)變化引起電廠變動(dòng)成本的變化是電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)很重要的組成部分。本文從煤質(zhì)的常規(guī)特性及煤質(zhì)成分論述了煤質(zhì)對(duì)鍋爐運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效率的影響，提出了對(duì)于電廠實(shí)際運(yùn)行中煤質(zhì)變化而可能產(chǎn)生的運(yùn)行影響提出控制建議，以利于機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】煤種變化；發(fā)電現(xiàn)狀分析；策略探討

一、煤炭發(fā)電現(xiàn)狀分析

根據(jù)我國(guó)的能源政策，在化石燃料發(fā)電中，煤是發(fā)電用主要燃料，約80%的發(fā)電量來自火電。大量煤炭轉(zhuǎn)化為電力支持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求。燃煤電廠消耗了全國(guó)煤炭量的40%左右，是最大的煤炭用戶。根據(jù)我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，至少在21世紀(jì)前20年將保持快速發(fā)展勢(shì)態(tài)，發(fā)電用煤量將以每年3000萬噸的速度增加。由于如此大的需求，使得發(fā)電用煤幾乎包括了所有的煤種，但它們的特性差異甚大，即使是同一類煤，隨產(chǎn)區(qū)、礦點(diǎn)、開采年份和深度的不同，其低位發(fā)熱量、灰分含量、含硫量等的變化范圍也比較大，加上實(shí)際用煤中有些電廠還摻入各類洗中煤、洗研等劣質(zhì)燃料，無意增大了實(shí)際煤質(zhì)的變化幅度。同時(shí)，又由于能源處于一個(gè)相對(duì)緊張的狀態(tài)，對(duì)發(fā)電用煤的煤種和煤質(zhì)的選擇余地很少，而且大多要求燃用劣質(zhì)煤，這就會(huì)給鍋爐帶來許多不利的影響。煤質(zhì)對(duì)燃煤電廠的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要，煤質(zhì)下降將給鍋爐，乃至整個(gè)電廠帶來很多問題，主要有：①出力受限：煤的水分或可磨指數(shù)變化，可使磨煤機(jī)達(dá)不到出力；灰分增加或灰電阻變化，電除塵器能力受限；灰成分變化，會(huì)出現(xiàn)積灰結(jié)渣等。②電廠煤耗及廠用電上升：煤質(zhì)下降，燃燒不穩(wěn)，著火困難，熱損失增加，電廠煤耗上升，一般熱值下降1MJ/g，煤耗上升20g/（kw.h），廠用電率上升0.5%。③可用率下降：美國(guó)有關(guān)數(shù)據(jù)指出，電廠用煤平均灰分從13%上升到18%，鍋爐強(qiáng)迫停運(yùn)率也從1.3%上升到7.5%，10年間發(fā)熱量從27.328MJ/g下降到24.654MJ/g，機(jī)組可用率下降13%。④維修工程費(fèi)用大幅上升：煤質(zhì)下降、灰分增大、可磨指數(shù)降低或灰的腐蝕性增強(qiáng)等，將使鍋爐各部分受熱面、輸煤皮帶、制粉系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)等的磨損腐蝕加重。頻繁的故障和臨修，使電廠損失的電量和維修費(fèi)用大增，而且為減輕磨損和適應(yīng)燒劣質(zhì)煤，電廠往往要進(jìn)行大量的更新和改造。另外，由于燒多灰分的劣質(zhì)煤的鍋爐從輸煤到出灰的整個(gè)生產(chǎn)流程中的每個(gè)部件都增加了負(fù)荷和磨損，大修間隔只能保持1.5-2年，這也使檢修費(fèi)用增加。⑤污染物排放明顯變化。⑥發(fā)電燃料成本上升：我國(guó)燃料價(jià)格基本上是按噸位計(jì)，而不完全按質(zhì)論價(jià)，劣質(zhì)煤的開采成本與一般煤炭相似，運(yùn)輸費(fèi)用則完全依據(jù)噸位，這勢(shì)必形成質(zhì)劣價(jià)不廉的結(jié)果。⑦發(fā)電成本增加。

二、煤的工業(yè)分析及元素分析特性對(duì)鍋爐性能的影響

煤質(zhì)特征，總的來講可以包括化學(xué)特性、物理特性、力學(xué)特性、熱特性、電特性、灰特性和巖石學(xué)分析等。對(duì)于動(dòng)力煤，最重要的性質(zhì)主要表現(xiàn)在煤的工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱量、灰熔融性、灰成分、可磨性、比表面積和孔徑分布，以及快速加熱過程中的失重放熱特性。

1、水分的影響

煤樣的水分一般呈三種形式存在：外在水分、內(nèi)在水分和化合水分。各種煤樣的水分差別很大，最少的僅2%左右，最多的則可達(dá)到50%-60%。一般來說，隨著地質(zhì)年代的增加，水分逐漸減少。燃用水分高的煤，必然將不可燃的水分運(yùn)進(jìn)電廠，增加運(yùn)輸壓力和電廠經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，也會(huì)給輸煤系統(tǒng)帶來困難；在燃燒過程中，水蒸發(fā)吸收一部分熱量，降低理論燃燒溫度，爐溫低，會(huì)使著火困難，燃燒不完全，機(jī)械與化學(xué)不完全燃燒的熱損失增加，增加了排煙量，由煙氣帶走的熱量也增加，排煙熱損失增大，降低鍋爐熱效率；在尾部煙道中，為低溫受熱面的積灰、腐蝕創(chuàng)造了條件；對(duì)過熱氣溫也有影響，一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)值：水分每增加1%，過熱氣溫就會(huì)升高1.5℃，易引起安全事故。從燃燒動(dòng)力學(xué)的角度看，煤粉中含有適量的水分（指入爐煤粉中含有適量水分）對(duì)燃燒過程有某些有利作用。因?yàn)樵诟邷鼗鹧嬷兴羝麑?duì)燃燒過程是十分有效的催化劑，水蒸汽分子可以加速煤粉焦炭殘骸的氣化和燃燒，增加煤焦的表面積；水蒸汽還可以提高火焰的黑度，加強(qiáng)到燃燒室爐壁的輻射傳熱。另外，水蒸汽分解時(shí)產(chǎn)生的氫分子及其氫氧根又可以提高火焰的熱傳導(dǎo)率。

2、灰分的影響

一般來說，煤在天然狀況下所含的礦物質(zhì)都稱為灰分?；曳趾吭酱?，煤種可燃成分便相對(duì)減少，容易導(dǎo)致著火困難，著火延遲，煤的燃盡度變差，造成較大的不完全燃燒熱損失；碳粒可能為灰層嚴(yán)重包裹，妨礙煤中可燃質(zhì)和氧氣接觸，碳粒表面燃燒速率減小，火焰的傳播速度減慢；粒隨煙氣流過受熱面時(shí)，如果煙速過高，灰磨損受熱面，飛灰濃度越高，對(duì)鍋爐的磨損越厲害，因此鍋爐的事故率和強(qiáng)迫停運(yùn)率就越高，如果煙速低，會(huì)形成受熱面積灰，降低傳熱效果，并使排煙溫度升高，增加排煙熱損失，降低鍋爐效率?；曳诌€是造成環(huán)境污染的根源：灰分的增減，對(duì)過熱氣溫也有影響，一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是，灰分每變化士10%，過熱氣溫相應(yīng)變化士5℃。

灰分的影響也有有利的一面，例如灰中堿金屬、堿土金屬和鐵、錳、鎳等的氧化產(chǎn)物，能促使碳的晶格扭曲變形，使產(chǎn)生的碳氧絡(luò)合物容易從品格上脫離出來，因而提高了碳的活性，起到催化作用。

3、低位發(fā)熱量的影響

煤的發(fā)熱量是設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，也是反映煤粉燃燒好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，也是重要的質(zhì)量指標(biāo)，是影響煤的計(jì)價(jià)的重要指標(biāo)。煤的發(fā)熱量大小是影響燃燒穩(wěn)定性的重要因素。燃煤發(fā)熱量的降低將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度水平降低。這對(duì)著火和燃盡都會(huì)帶來不利影響。當(dāng)燃料發(fā)熱量降低到一定程度時(shí)，會(huì)引起燃燒不穩(wěn)、火焰閃爍、滅火放炮、以至必須投油助燃，影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤的低位發(fā)熱量每下降1MJ/g，發(fā)電煤耗約上升20g/（kw.h），廠用電率約上升0.5%。因此，從發(fā)電生產(chǎn)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益考慮，發(fā)電用煤應(yīng)該有一定的質(zhì)量要求。煤的發(fā)熱量低，同樣出力下灰量大大增加，可能加劇鍋爐結(jié)渣，使煙氣中含灰量增加，加劇了受熱面的磨損和積灰，而積灰的增加使受熱面?zhèn)鳠釤嶙柙黾?，影響傳熱效率，?dǎo)致鍋爐熱損失增加。但如果發(fā)熱量過高，使得燃燒區(qū)域的溫度升高，灰就越容易達(dá)到軟化和熔融狀態(tài)，產(chǎn)生結(jié)渣的可能性增大。同時(shí)，煤中易揮發(fā)的物質(zhì)氣化也就越強(qiáng)烈，這也為結(jié)渣創(chuàng)造了更有利的條件。

4、煤質(zhì)變化對(duì)煙氣排放的影響

煤質(zhì)變化影響電廠的環(huán)保性能，燃煤含硫量偏高，脫硫島出力不能保證煙氣中的二氧化硫達(dá)標(biāo)排放相對(duì)較明顯；由亍揮發(fā)份降低，尤其是低揮發(fā)份劣煤，為了確保燃燒穩(wěn)定，改變了配風(fēng)方式、提高了燃燒區(qū)域的溫度水平，造成NOX升高；由亍煤質(zhì)降低或波動(dòng)較大，造成鍋爐燃燒不穩(wěn)，效率下降，最終也導(dǎo)致電廠污染物排放增加等。

5、危害鍋爐運(yùn)行

結(jié)焦會(huì)引起過熱汽溫升高，并導(dǎo)致過熱汽溫、再熱汽溫減溫水開大，甚至?xí)兄缕鼙?；結(jié)焦會(huì)使鍋爐出力降低，嚴(yán)重時(shí)造成被迫停爐；結(jié)焦會(huì)縮短鍋爐設(shè)備的使用壽命；排煙損失增大，鍋爐效率降低；引風(fēng)機(jī)消耗電量增加；由于結(jié)焦往往是不均勻的，因而水冷壁結(jié)渣會(huì)對(duì)自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)安全性和強(qiáng)制循環(huán)鍋爐水冷壁的熱偏差帶來不利影響。

三、適應(yīng)煤質(zhì)變化的對(duì)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(guó)家倡導(dǎo)動(dòng)力鍋爐多燃用劣質(zhì)煤，在摻燒中煤時(shí)注意控制煤炭來源，對(duì)不明特性的新煤種做理化研究，以制定相應(yīng)的燃用策略。提高燃煤入洗率，動(dòng)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(shí)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(jì)效率。

2、經(jīng)過試驗(yàn)得出揮發(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?yàn)閾]發(fā)分析出時(shí)會(huì)產(chǎn)生空隙，從而加大的反應(yīng)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(jìn)行。燃燒放出的熱量多，更易于維持爐膛內(nèi)溫度。但當(dāng)揮發(fā)分含量降低時(shí)，著火溫度會(huì)隨之提高，燃盡時(shí)間延長(zhǎng)，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(fù)荷加大，同時(shí)排煙溫度升高，熱損失加大。運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整對(duì)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(fēng)量，同時(shí)加大二次風(fēng)量。對(duì)于低揮發(fā)分煤種，則需要提高一次風(fēng)量來增加供氧量，降低二次風(fēng)量以保證燃燒的穩(wěn)定性。針對(duì)煤粉顆粒大小，當(dāng)碎煤系統(tǒng)無法更改時(shí)，當(dāng)粒度較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加一次風(fēng)量、減少二次風(fēng)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(dāng)燃煤的熱值過大時(shí)，適當(dāng)?shù)亟档徒o煤量即可，一、二次風(fēng)量一般無需調(diào)整。當(dāng)燃煤含水量過大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高磨煤機(jī)入口溫度，保證其出口溫度正常，同時(shí)適量減小給煤量。當(dāng)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定狀況時(shí)，應(yīng)及時(shí)投油穩(wěn)燃。

3、建立健全煤質(zhì)評(píng)價(jià)體系。系統(tǒng)地研究各煤種品質(zhì)特性，在做摻燒時(shí)可方便的根據(jù)不同煤種的特性來進(jìn)行配比。在保證電站運(yùn)行的安全穩(wěn)定性的同時(shí)，努力提高其經(jīng)濟(jì)性。

4、研究煤質(zhì)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行

針對(duì)目前我國(guó)電站鍋爐燃煤質(zhì)量與設(shè)計(jì)煤質(zhì)不相符合的現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)應(yīng)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，大力研究開發(fā)煤質(zhì)變化對(duì)電站鍋爐影響的預(yù)報(bào)控制系統(tǒng)。該預(yù)報(bào)控制系統(tǒng)將定量評(píng)估煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性的影響，為優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)，并且根據(jù)適應(yīng)該煤質(zhì)的最佳工況自行或人工調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，從而取得較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。具體地講，該系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合煤質(zhì)在線測(cè)量裝置，使電廠運(yùn)行人員在煤進(jìn)入鍋爐燃燒前及時(shí)獲得煤質(zhì)情況和燃煤對(duì)鍋爐影響的預(yù)測(cè)，并且指導(dǎo)運(yùn)行人員根據(jù)這些預(yù)測(cè)結(jié)果重新設(shè)定有關(guān)參數(shù)，如調(diào)整運(yùn)行工況和修改有關(guān)參數(shù)，使其與即將燃燒的煤種相適應(yīng)，從而達(dá)到優(yōu)化操作，提高鍋爐運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚偉，韓立芳，薛寧，等.煤質(zhì)變化對(duì)電站鍋爐運(yùn)行的影響[J].熱力發(fā)電，2005，07：22