煤對燃燒及設(shè)備的影響

1、2022-3-22吉林省電力科學研究院1煤對燃燒及設(shè)備的影響火電廠煤質(zhì)檢測主講：李春艷主講：李春艷2022-3-22吉林省電力科學研究院2一、火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程一、火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程2022-3-22吉林省電力科學研究院31、火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程、火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程2022-3-22吉林省電力科學研究院42、火力發(fā)電廠生產(chǎn)流程、火力發(fā)電廠生產(chǎn)流程2022-3-22吉林省電力科學研究院5二、鍋爐的工作過程二、鍋爐的工作過程2022-3-22吉林省電力科學研究院61、鍋爐、鍋爐2022-3-22吉林省電力科學研究院72、鍋爐的組成、鍋爐的組成2022-3-22吉林省電力科學研究院83、鍋爐的工作

2、系統(tǒng)鍋爐的工作系統(tǒng)3、鍋爐的工作工作系統(tǒng)2022-3-22吉林省電力科學研究院9鍋爐的工作過程鍋爐的工作過程 鍋爐是重要的熱能供應(yīng)設(shè)備，也是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。在鍋爐中燃料的化學能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，又通過傳熱過程將熱能傳遞給中間載熱體（水和蒸汽），依靠過熱蒸汽將熱能輸送出去。2022-3-22吉林省電力科學研究院10燃料的燃燒2022-3-22吉林省電力科學研究院11 燃料中的可燃物質(zhì)是由多種碳、氫、氧化合物和氮、硫化合物組成的具有膠態(tài)特性的有機復(fù)合體。工業(yè)分析組成：揮發(fā)分和固定碳元素分析組成：碳、氫、氧、氮、硫燃料的燃燒過程是燃料中的可燃物質(zhì)同空氣中的氧燃燒發(fā)生化學反應(yīng)放出熱量的過程。研究燃

3、燒的目的就是盡可能地使燃料在鍋爐的爐膛內(nèi)迅速而又良好地燃燒，將化學能最迅速而又最大限度地轉(zhuǎn)化為熱能。燃燒必備三個條件：可燃物質(zhì)、氧化劑、熱源燃燒過程：煤炭在爐內(nèi)燃燒一般要經(jīng)過四個階段： （1）干燥階段。煤從爐膛內(nèi)吸收熱量，溫度升高，水分被蒸發(fā)。2022-3-22吉林省電力科學研究院12 （2）揮發(fā)分析出及其燃燒階段。煤中水分蒸發(fā)完后，煤繼續(xù)升溫，揮發(fā)分隨之不斷析出，當溫度達到著火溫度時，逸出的揮發(fā)分在煤顆粒表面開始燃燒。 （3）焦炭燃燒階段。煤中揮發(fā)分析出后形成焦炭，焦炭表面溫度進一步上升，便開始燃燒并放出大量熱量。 （4）燃盡階段。當焦炭燃燒到一定時間后，大部分含碳物質(zhì)已燃燒完，只有少量焦炭

4、繼續(xù)燃燒直到燃盡。2022-3-22吉林省電力科學研究院13（1）干燥階段（2）揮發(fā)分析出及其燃燒階段 （3）焦炭燃燒階段 （4）燃盡階段2022-3-22吉林省電力科學研究院142022-3-22吉林省電力科學研究院15 綜上所述，煤是鍋爐燃燒的必要條件，沒有煤中的可燃物質(zhì)無從談及燃燒，電力用煤的諸多特性對燃燒及設(shè)備產(chǎn)生不同程度的影響，在電力鍋爐設(shè)計時，要求提供以下煤質(zhì)特性指標： (1)煤的工業(yè)分析即水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳； (2)煤的元素分析即碳、氫、氧、氮、硫； (3)煤的發(fā)熱量； (4)煤的哈氏可磨性指數(shù)； (5)煤灰熔融性； (6)煤灰成分，包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化鈣、

5、氧化鎂、三氧化硫、氧化鈉、氧化鉀、二氧化鈦等。除上述各特性指標值外，有時還需要提供煤的磨損指數(shù)、灰的比電阻、游離二氧化硅等。 煤在鍋爐中燃燒的特性可以根據(jù)其元素分析、工業(yè)分析結(jié)果及其他有關(guān)數(shù)據(jù)來判斷，如水份、揮發(fā)份、灰份、硫和氮的含量、煤灰熔融性、煤的焦結(jié)性等，現(xiàn)將這些因素對煤燃燒特性及設(shè)備的影響分述于下： 1.水分水是煤中的不可燃成分，煤中水分有內(nèi)在與外在之分。在一定條件2022-3-22吉林省電力科學研究院16下，煤樣與周圍空氣濕度達到平衡的所失去的水分，稱為外在水分。煤的外在與內(nèi)在水分的總和，則稱為全水分。 煤的內(nèi)在水分隨煤的變質(zhì)程度加深而減少，褐煤內(nèi)在水分最大，無煙煤最小，煤的外在水分

6、隨煤的開采、加工及環(huán)境條件不同而變化，例如洗選煤、置于多雨水的環(huán)境條件下，煤的外在水分就大。 煤中水分越大，也就意味著將更多的不可燃成分運進電廠，從而增大運輸量及經(jīng)濟負擔。水份較多的煤因水份占去了原來的可燃質(zhì)可以占據(jù)的份額的一部分，發(fā)熱量會相應(yīng)地低些，在燃燒中水份多時，經(jīng)過較長的時間才能蒸發(fā)完，因此著火慢，比較難于燃燒。此外，以發(fā)一定的熱量來說，水份多時，煙氣體積較大，因此燒這種煤的鍋爐的煙道尺寸須設(shè)計得較大。此外，煙氣體積大也增大了2022-3-22吉林省電力科學研究院17 通風設(shè)備的規(guī)模及能耗。煤中含水多，則鍋爐煙氣量大，由煙氣帶走的熱量也越多，從而加大了排煙熱損失。在燃用水份過高的煤時，

7、有時在鍋爐中很難燃燒，必須在燃燒前預(yù)先如以干燥才行。 電廠通常燃用原煤、洗混煤等，它們要經(jīng)過輸煤、給煤、碎煤、制粉一系列工藝流程將煤加工成粉供鍋爐燃用。如煤中外在水分過大，則極易造成電廠輸煤、給煤系統(tǒng)的運行障礙。另一方面，煤中水分含量過低也有不足，一是鍋爐火焰中含有水汽對煤粉的懸浮燃燒能起催化作用；二是煤中含有適量的水，有助于降低煤塵的污染。水分還是露天存煤引起氧化的主要原因，特別是對于黃鐵礦含量高的煤，加劇了其氧化自燃的傾向。2022-3-22吉林省電力科學研究院18總之，電力用煤的全水分宜控制在5%8%，當煤的外在水分達到10%左右時，則對電廠煤系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利影響。 2.灰分與發(fā)熱

8、量灰分也是煤中的不可燃成分，電力用煤的灰分常常達20%30%。煤的灰份多，表示它的可燃質(zhì)少，發(fā)熱量低。產(chǎn)生同樣多的熱量，運輸、煤粉制備系統(tǒng)、除灰渣的系統(tǒng)的任務(wù)都比較重。這樣的煤的惰性物質(zhì)多，不宜遠運。燃燒后煙氣中灰粒也自然較多，使受熱面容易磨損。一座1000MW的電廠，日燃用天然煤按10000t計，設(shè)灰分為25%，則就意味著該電廠平均每天要運進2500t灰，而煤燃燒后，這些灰要從爐內(nèi)帶走大量熱量，而排至爐外的灰還得通過各類除塵設(shè)備將其中約99%的灰收集下來(電除塵器的除塵率約為99%)，然后借助水力將灰及渣通過排灰管送至貯灰場，電廠將投入大量的人力、物力、資金用于灰的收集、輸送與貯存，故電廠不

9、宜使用高灰分煤。否則，它將會對電力生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生2022-3-22吉林省電力科學研究院19嚴重影響。除上述影響外，煤中灰分含量增高，還增加磨煤機能耗，引發(fā)或加劇鍋爐結(jié)渣等。 一方面，電廠不宜燃用高灰煤；另一方面，電廠也不宜燃用低灰的精煤。精煤的發(fā)熱量一般比原煤高30%左右，而價格則比原煤要高50%60%，甚至更高，故電廠設(shè)計時就不選用精煤，故低灰精煤一般也不符合鍋爐設(shè)計煤質(zhì)，而且一旦燃用高熱低灰煤時，造成爐溫增高，很易引起或加劇鍋爐的結(jié)渣。 綜上所述，電廠宜用中灰、中熱量的煤?，F(xiàn)在電廠的燃煤干基灰分Ad多在20%30%，干基高位發(fā)熱量Qgr,d多在2327MJ/kg。由于煙煤通常占電力用煤

10、的90%左右，上述指標值主要是針對煙煤而言。而褐煤設(shè)計就確定燃用褐煤或無煙煤，則另作別論。3.硫及氮2022-3-22吉林省電力科學研究院20硫是煤中有害元素，任何煤中均含有硫，只是含硫量高低程度不同。硫的危害正在日益為人們所認識，控制進廠煤的含硫量，加強煤中含硫量的檢測是極其重要的。 煤中硫分可燃硫與不可燃硫，一般說來，煤中可燃硫所占比重很大，常常達90%左右。在高溫下，煤中可燃硫燃燒產(chǎn)生二氧化硫，并伴有少量三所化硫(約相當于二氧化硫量的1%2%)產(chǎn)生。二氧化硫是對大氣污染的主要污染物，是形成酸雨的主要來源，而大范圍的酸雨將對生態(tài)環(huán)境有著極大的破壞作用?？諝庵泻休^高濃度的二氧化硫，將對人的

11、呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。 電廠鍋爐如燃用高硫煤，一方面，電廠煙氣中二氧化硫含量過高而污染環(huán)境；另一方面，由于硫的氧化作用，鍋爐尾部受熱面易產(chǎn)生腐蝕與堵灰，縮短低溫段空氣預(yù)熱器壽命。同時煤中硫的增高2022-3-22吉林省電力科學研究院21易加劇鍋爐結(jié)渣及原煤與煤粉的自燃傾向。煤中不可燃硫則轉(zhuǎn)入灰渣中。含硫量高的煤還會增加制粉系統(tǒng)的磨損。煤中硫含量高，表明煤中黃鐵礦硫較多，煤中黃鐵礦、石英等硬度很高，它們是產(chǎn)生金屬磨損的主要原因(黃鐵礦的莫氏硬度為66.5，石英為7)。磨損指數(shù)AI與煤中可燃硫，灰中氧化鐵含量成為相關(guān)性。AI10.15S,cad31.5 (r0.50)AI3.71Fe2O341.0

12、 (r0.47) 因此煤中硫的存在對金屬材料的磨損起到相當大的作用，含硫量越高，測得金屬材料磨損指數(shù)AI就越大，煤中黃鐵礦及石英含量增加，煤的磨損性就增加，煤的灰分增多，磨損性也增加。 雖說可以采取煙氣脫硫裝置降低二氧化硫的排放量，但由于煙氣脫硫裝置投資及運行費用很高，技術(shù)上也存在相當難度，故電廠在短期內(nèi)還是寄希望選用低硫煤。2022-3-22吉林省電力科學研究院22 為了控制環(huán)境污染，我國環(huán)境保護有關(guān)法令、標準嚴制限制電力用煤中的含硫量。各個電廠燃煤中的含硫量隨電廠所處地理位置不同而不同，大城市、旅游區(qū)附近的電廠必須燃用低硫煤。 對電廠來說，煤中含硫量越低越好。就全國范圍來說，電煤中全硫含量

13、應(yīng)低于2%，而城市電廠燃煤全硫含量應(yīng)控制在1%以下，通常為0.8左右。在燃燒時，煤中所含的氮會氧化為氧化氮(NOX)。它也是污染環(huán)境的有害氣體。含氮高的煤排煙中NOX含量也會高些，有時需采用脫硝裝置。除燃料中氮生成NOX外，在燃燒溫度高、過量氧多時，也會生成NOX。在現(xiàn)代燃燒設(shè)備中如何避免過高的NOX生成也是考慮的主要問題之一。2022-3-22吉林省電力科學研究院23 4.揮發(fā)分干燥無灰基揮發(fā)份含量(daf)是煤是否易于燃燒的重要指標。它的含量高表示煤容易著火，燃燒既容易穩(wěn)定，也容易完全。daf小于8%的煤(無煙煤)是難燃燒的煤，必須把燃燒室中溫度維持很較高，才能使燃燒穩(wěn)定。daf820%的

14、煤(貧煤)也是較難燃燒的煤種，但較無煙煤容易燃燒些。干燥無灰基揮發(fā)份大于20%的煙煤、褐煤，都比較容易燃燒，是容易著火、燃盡的煤種。在煤粉爐中燃燒時，這種煤磨得粗些即可比較完全地燃燒。 不論燃用什么煤種、什么質(zhì)量的煤，首先都應(yīng)該與鍋爐設(shè)計煤質(zhì)相適宜。燃用較低揮發(fā)分貧煤的鍋爐就不能燃用較高揮發(fā)分的氣肥煤；反之，亦然。2022-3-22吉林省電力科學研究院24 煤的揮發(fā)分過高，如制粉系統(tǒng)中存在積粉，則易導(dǎo)致溫度的升高而發(fā)生自燃。煤粉燃燒，可能導(dǎo)致制粉系統(tǒng)的破壞，而煤粉與空氣的混合物則易引起塵粉爆炸。同時，高揮發(fā)分的煤在貯存過程中，也容易自燃。 煤的揮發(fā)分過低，雖然不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，但鍋爐不易著火，

15、著火后又很容易滅火，難以保證鍋爐的穩(wěn)定燃燒，故燃用煙煤的電廠均不希望摻燒無煙煤，如鍋爐設(shè)計煤源就是無煙煤，那就需要對鍋爐系統(tǒng)予以特殊設(shè)計，其費用將較燃用煙煤的鍋爐大大增加。 電力用煤期望揮發(fā)分不要過高，也不要太低，故揮發(fā)分中等的煙煤如貧煤、瘦煤、貧瘦煤、不粘煤、弱粘煤、肥煤等均宜作為電力用煤。電廠選用什么煤，往往受煤炭資源及運輸條件的限制，一些特性指標欠佳的煤也只好用作電力燃料而沒有太多的選擇余地，2022-3-22吉林省電力科學研究院25這就要求電力系統(tǒng)各部門，特別是電廠要深入掌握各種煤質(zhì)特性，提高運行、管理水平，以確保鍋爐機組的安全經(jīng)濟運行。 有關(guān)煤的燃燒特性，近年來還可以用示差熱天平、沉

16、降爐等測試設(shè)備來研究煤是否容易燃燒。示差熱天平可以用一定的速度加熱煤樣并隨時給出水份、揮發(fā)份析出的量及溫度變化曲線，從而判斷它的燃燒特性。在沉降爐中，可保持爐中溫度一定，將煤樣從上方給入，在煤粉沉降過程中取樣，研究它的燃燒特性。 5.可磨性指數(shù) 可磨性指數(shù)，是指煤在規(guī)定的條件下，磨制成粉的難易程度。由于電廠中絕大部分安裝的是煤粉鍋爐，故衡量煤磨制成粉難易程度的可磨性，就成為一項對電力生產(chǎn)有著重要影響的煤質(zhì)特性指標?？赡バ砸怨峡赡バ灾笖?shù)HGI的值來表達。HGI是一個無量綱物理2022-3-22吉林省電力科學研究院26量，其大小表示硬煤磨制成粉的難易程度。應(yīng)該指出：褐煤的可磨性不能套用硬煤可磨性

17、的測定方法，即不能套用哈氏法測定。哈氏可磨性指數(shù)，是指在規(guī)定條件下，應(yīng)用哈氏可磨性測定儀(俗稱哈氏磨)測得的可磨性指數(shù)。 煤越軟，哈氏可磨性指數(shù)越大，這意味著相同量規(guī)定粒度的煤樣磨制成相同細度時所消耗的能量越少。換言之，在消耗一定能量的條件下，相同量規(guī)定粒度的煤磨制成粉的細度越細，則可磨性指數(shù)越大；反之，則越小。 提供可靠的可磨性指數(shù)，對電廠設(shè)計時選擇磨煤機的類型及容量，預(yù)測磨煤機所需動力及了解磨煤機運行工況等方面，都是不可缺少的參數(shù)。 哈氏可磨性指數(shù)越大，在消耗一定能量的條件下，磨煤機出力越大。哈氏可磨性相差10個指數(shù)，在磨制相同細度的條件下，磨煤機約相差25%的出力。2022-3-22吉林

18、省電力科學研究院27 為減少能耗，電力用煤的哈氏可磨性指數(shù)宜選擇較大一些的煤源。哈氏可磨性指數(shù)為70，屬于可磨性中等程度煤；其值如能達到8090，是較為易磨；而值為5060，則算作難磨煤。6.灰熔融性 灰熔融性是影響鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要特性指標，這也是電力生產(chǎn)對電煤的一項特殊要求。煤炭不是單一的化合物，它沒有固定的熔點，而是在一定溫度范圍內(nèi)熔融，其熔融溫度主要取決于煤灰的組成，同時還與煤灰熔融性測定時的氣氛條件有關(guān)。 煤灰熔融性測定，也就是測定煤灰在熔融過程中四個特征點的溫度；變形溫度DT、軟化溫度ST、半球溫度HT、流動溫度FT。在此四個特征溫度中，尤其以軟化溫度ST最為重要。 煤灰熔融性

19、溫度(俗稱灰熔點)低，則鍋爐容易結(jié)渣，這對電廠2022-3-22吉林省電力科學研究院28安全經(jīng)濟運行關(guān)系很大。某些鍋爐結(jié)渣事故，導(dǎo)致人員傷亡及造成嚴重經(jīng)濟損失，故電廠普遍重視電力用煤的灰熔融性這一指標。為了避免鍋爐嚴重結(jié)渣，對煤質(zhì)與灰渣特性的要求是： 煤中灰分及硫量不宜過大，煤粉也不宜太粗；要選用灰熔融溫度高的煤，一般ST要高于1350，越高越好；要避免選用灰熔融溫度較低的短渣煤。所謂短渣煤，是指灰渣粘度受溫度影響大的煤，因為燃用這種煤，最易導(dǎo)致嚴重情況的發(fā)生；宜選用煤灰熔融性不受或少受氣氛條件影響的煤。由于這種煤的灰渣特性受鍋爐運行工況波動的影響較小，從而有助于鍋爐的穩(wěn)定燃燒。 灰熔點低的煤

20、是難燒的煤，在煤粉爐中燃燒后形成的飛灰，處于熔化狀態(tài)，容易粘在受熱面上及爐墻上使爐中發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象。水冷壁上結(jié)渣，其吸熱量減少，爐溫因而會升高，使結(jié)渣更加嚴重，2022-3-22吉林省電力科學研究院29導(dǎo)致鍋爐不能正常運行。層燃低灰熔點煤時，灰渣也會在爐排及爐墻、爐拱上結(jié)渣，使鍋爐不能正常運行。 為了燒低在溶點的煤，有所謂液態(tài)排渣煤粉爐。爐膛一部分水冷壁上涂敷耐火塑料，減少其吸熱量，因而燃燒溫度特別高，保持灰份在液化狀態(tài)，落在爐墻上的灰順墻下流，由下部出口排到下面的除渣設(shè)備中。這種煤粉爐燃燒效率高，但燃燒溫度高，達1700左右；煙氣中氧化氮含量比較高，污染環(huán)境，因而近年來較少采用。 采用液態(tài)排渣煤粉爐時，只知