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火电厂动力煤的测定与锅炉运行


火电厂动力煤的测定与锅炉运行

火电厂动力煤的测定与锅炉运行
摘要: 摘要:电厂用煤成本的上升给电厂经济效益造成极大的影响, 电厂用煤成本的上升给电厂经济效益造成极大的影响,所以研究煤的性质与锅炉 运行的关系尤为重要。通过元素分析,工业分析,燃烧性能分析, 运行的关系尤为重要。通过元素分析,工业分析,燃烧性能分析,全面了解煤的工业性 质以及与锅炉安全

稳定运行的关系。 质以及与锅炉安全稳定运行的关系。对各种不同的分析方法比较, 对各种不同的分析方法比较,探索出一种有效的测 试手段,可以尝试对全国各种煤种建立测试结果的数据库,以便电厂运行参考。 试手段,可以尝试对全国各种煤种建立测试结果的数据库,以便电厂运行参考。但是电 厂用煤煤质是不断变化的,而测试有一定的滞后性,所以某些方法又脱离应用的目的。 厂用煤煤质是不断变化的,而测试有一定的滞后性,所以某些方法又脱离应用的目的。 通过对不同煤质运行的分析、比对, 通过对不同煤质运行的分析、比对,形成一种完善的分析方法以便电厂运行时对煤 种的测试。 种的测试。 Abstract: Abstract: The power plant has the enormous influence with the coal cost's rise for the power plant economic efficiency, therefore research the relational between coal nature and boiler operation is especially important. Through analysis, ultimate analysis, technical analysis, combustibility analysis, thorough understanding coal industry nature as well as with boiler safe steady operation relations. To each kind of different analysis method comparison, explores one effective test method, may attempt plant the establishment test result to test national each kind of coal the database, so that power plant movement reference. But the power plant is changes unceasingly with the coal anthrax, but tests has certain hysteresis quality. Therefore certain methods are separated from application. the application. Through to different anthrax movement analysis, compared to right, forms one perfect analysis method, so that the power plant can move time plants the test to the coal 关键词: 关键词:工业分析 热天平 沉降炉 煤质特性 Key word: Technical analysis characteristic Thermobalance Subsidence stove Anthrax

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前言: 第一章 前言:动力燃料特性与电力生产的关系
自 2008 年以来,煤炭价格持续上涨,特别是煤电价格的上幅 较高,对我国大部分地区电煤一度造成很大影响,煤价的上涨, 火电企业面临亏损,所以研究动力煤的测定与锅炉运行的关系, 节约发电成本极具意义。火电厂生产的电能直接来源于动力燃料 燃烧时所释放的热能。火电厂生产成本中燃料费用占 70﹪。所以 燃料在火电厂中占有特殊重要的地位。研究煤的性质,燃烧性能 及与锅炉运行的关系对电厂安全稳定运行,节约发电成本极具意 义。 列举了一些测试方法,对煤的工业性质,燃烧性能进行了详 尽的分析。分析了煤的工业特性对锅炉运行的影响,并提出了配 煤在电厂中的重要性,对电厂用煤的安全稳定运行有着重要的意 义。 在元素测定中,提到了碳氢测定仪,工业分析部分;水分测 定用通氮干燥法,灰分用缓慢灰化法,燃烧性能测试有热天平法、 沉降炉法、颗粒悬挂法等。并有煤质变化对锅炉运行的影响。 通过查阅大量的电子,文本资料,对比几种测试方法,咨询 电厂技术人员,在校的专业老师,得出一些动力煤测定的方法的 浅显见解。

第二章 元素分析
燃料中的碳、氢,是产生热量的主要来源,它们的含量决定 了发热量的高低。因此碳氢的含量的测定具有十分重要的意义。 1.测定原理 将一定量煤样置于氧气流中, 800℃下使其完全燃烧, 在 煤中 碳则定量地转化为二氧化碳,氢转化为水,它们分别可用下述反 应式表示: C+O2===CO2
2H2+O2===2H2O

生成的二氧化碳和水分别用不同的吸收剂吸收,根据吸收剂的增
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重,就可以计算出煤中的碳氢含量。 为确保试样燃烧完全,就必须满足其完全燃烧的条件。为此 要求维持一定的燃烧温度(800℃) ,控制一定的氧气流速(120 毫升/分) ,称取适量的试样(0.2 克)以及具有充分的燃烧时间 (一般不少于 20 分) 。同时为防止因燃烧不完全而产生一部分一 氧化碳,在燃烧管中应加装氧化铜,使其进一步氧化成二氧化碳。 其反应式如下:

CUO+CO===CU+CO2
上述氧化铜不是粉状,而要求采用针状,这是为了使反应物得 以充分接触,气流易于通过。 因为煤中除含有碳氢外,还含有少量硫、氮、氯等元素,为 了确保燃烧产物二氧化碳及水能以纯净状态进入吸收系统,在燃 烧产物中必须排除上述干扰物的影响。为此,在燃烧管中装入铬 酸铅及银丝卷,它们可以分别在 600℃及 180℃下去除去硫和氯的 干扰,其反应式如下: 4PbCrO +4SO ===4PbSO +2Cr2O3+O
4 2 4 4 2

4PbCrO +4SO3===4PbSO4+2Cr2O3+3O2
2Ag+Cl2===2AgCl

在 800℃的条件下,煤中部分氮燃烧后生成二氧化氮,如不加 以去除,则会导致碳含量的测定结果偏高。为此在二氧化碳吸收 瓶以前要加装除氮管,内装二氧化锰,其反应式如下: 2NO +MnO2===Mn(NO3)2
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毫无疑问为使燃烧后生成的二氧化碳和水被定量的吸收,应 保持整个测定系统的气密性及选择较为合适的吸收剂。 根据碳氢含量的测定原理,其测定装置及操作条件就必须满 足上述各项要求。 1.测定装置 碳氢测定仪

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碳氢测定仪包括净化系统、燃烧装置和吸收系统三个主要部 分,结构如图 1 所示。

1-鹅头洗气瓶;2 气体干燥塔;3-流量计;4-橡皮帽;5-铜 丝卷;6-燃烧舟;7-燃烧管;8-氧化铜;9-铬酸铅;10-银 丝卷;11-吸水 U 形管;12-除氮 U 形管;13-吸二氧化碳 U 形管;14-保护用 U 形管;15-气泡计;16-保温套管;17-三 节电炉 图 1 碳氢测定仪 1.净化系统: 包括以下部件: 鹅头洗气瓶: 容量 250~500mL, 内装 40%氢氧化钾(或氢氧化钠)溶液;气体干燥塔:容量 500mL2 个,一个上部(约 2/3)装氯化钙(或过氧酸镁),下部(约 1/3) 装碱石棉(或碱石灰);另一个装氯化钙(或过氯酸镁);流量 计:量程 0~15mL/min。 2.燃烧装置:由一个三节(或二节)管式炉及其控制系统构 成,主要包括以下部件: 电炉:第一节长约 230mm,可加热到 800±10℃,并可沿水平方向移动;第二节长 330~350mm,可加热 到 800±10℃;第三节长 130~150mm,可加热到 600±10℃。二节 炉:第一节长约 230mm,可加热到 800±10℃,并可沿水平方向移 动;第二节长 130~150mm,可加热到 500±10℃。每节炉装有热 电偶、测温和控温装置。燃烧管:瓷、石英、刚玉或不锈钢制成, 长 1100~1200mm(使用二节炉时,长约 800mm),内径 20~22mm, 壁厚约 2mm;燃烧舟:瓷或石英制成,长约 80mm;保温室:铜管

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或铁管,长约 150mm,内径大于燃烧管,外径小于炉膛直径;橡皮 帽(最好用耐热硅橡胶)或铜接头。 3.吸收系统:包括以下部件:吸水 U 形管:内装无水氯化钙 或无水过氯酸镁。 3. 测定方法概述 将第一节和第二节炉温控制在 800±10℃, 第三节炉温控制在 600±10℃,并使第一节炉紧靠第二节炉。在预先灼烧过的燃烧舟 中称取粒度小于 0.2mm 的空气干燥煤样 0.2g,精确至 0.0002g, 并均匀铺平。在煤样上铺一层三氧化二铬。可把燃烧舟暂存入专 用的磨口玻璃管或不加干燥剂的干燥器中。接上已称量的吸收系 统,以 120mL/min 的流量通入氧气。关闭靠近燃烧管出口端的 U 形管,打开橡皮帽,取出铜丝卷,迅速将燃烧舟放入燃烧管中, 使其前端刚好在第一节炉口。再将铜丝卷放在燃烧舟后面,套紧 橡皮帽,立即开启 U 形管,通入氧气,并保持 120mL/min 的流量。 1min 后向净化系统方向移动第一节炉, 使燃烧舟的一半进入炉子。 过 2min,使燃烧舟全部进入炉子。再过 2min,使燃烧舟位于炉子 中心。保温 18min 后,把第一节炉移回原位。2min 后,停止排水 抽气。关闭和拆下吸收系统,用绒布擦净,在天平旁放置 10min 后称量(除氮管不称量)。根据吸收剂的增重,分别计算出煤种 碳、氢含量 。

第三章 煤的工业分析
水分的测定 第一节 水分的测定 通氮干燥法 1. 方法提要: 称取一定量的空气干燥煤样, 置于 105~110℃ 干燥箱中,在干燥氮气流中干燥到质量恒定。然后根据煤样的质 量损失计算出水分的质量分数。 2.试剂: (1)氮气:纯度 99.9%含氧量小于 0.01%。 (2)
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无水氯化钙(HGB 3208)(3)变色硅胶:工业用品。 : 3.仪器、设备: (1)小空间干燥箱:箱体严密,具有较小 的自由空间,有气体进、出口,并带有自动控温装置,能保持温 度在 105~110℃范围内。 (2)玻璃称量瓶:直径 40mm,高 25 ㎜, 并带有严密的磨口盖。 (3)干燥器:内装变色硅胶或粒状无水氯 化钙。 (4)干燥塔:容量 250ml,内装干燥剂。 (5)流量计:量 程为 100~1000mL/min。 (6)分析天平:感量 0.1mg。 4.分析步骤: (1)在预先干燥和已称量过的称量瓶内称取 粒度小于 0.2mm 的空气干燥煤样(1±0.1)g,称准至 0.0002g 平 摊在称量瓶中。 (2)打开称量瓶盖,放入预先通入干燥氮气并已 加热到 105~110℃的干燥箱中。烟煤干燥 1.5h,褐煤和无烟煤干 燥 2h。 (注:在称量瓶放入干燥箱前 10min 开始通氮气,氮气流量 以每小时换气 15 次为准。(3)从干燥箱中取出称量瓶,立即盖 ) 上盖,放入干燥器中冷却至室温(约 20min)后称量。 (4)进行 检查性干燥,每次 30min 直到连续两次干燥煤样质量的减少不超 过 0.0010g 或质量增加时为止。在后一种情况下,采用质量增加 前一次的质量为计算依据。水分在 2.00%以下时,不必进行检查 性干燥。 第二节 灰分的测定 缓慢灰化法: 1.方法提要:称取一定量的空气干燥煤样,放入马弗炉中, 以一定的速度加热到(815±10)℃,灰化并灼烧到质量恒定。以 残留物的质量占煤样质量的百分数作为煤样的灰分。 2.仪器设备: (1)马弗炉:炉膛具有足够的恒温区,能保 持温度为(815±10)℃。炉后壁的上部带有直径为(25~30)mm 的烟囱,下部离炉膛底(20~30)mm 处有一个插热电偶的小孔, 炉门上有一个直径为 20mm 的通气孔。马弗炉的恒温区应在关闭炉 门下测定,并至少每年测定一次,高温计(包括毫伏计和热电偶)
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至少每年校准一次。 (2)灰皿:瓷质,长方形,底长 45mm,底宽 22mm,高 14mm。 (3)干燥器:内装变色硅胶或粒状无水氯化钙。 (4)分析天平:感量 0.1mg。 (5)耐热瓷板或石棉板。 3.分析步骤: (1)在预先灼烧至质量恒定的灰皿中,称取 粒度小于 0.2mm 的空气干燥煤样(1±0.1)g,称准至 0.0002g, 均匀地摊平在灰皿中, 使其每平方厘米的质量不超过 0.15g。 (2) 将灰皿送入炉温不超过 100℃的马弗炉恒温区中, 关上炉门并使炉 门留有 15mm 左右的缝隙。在不少于 30min 的时间内将炉温缓慢升 至 500℃, 并在此此温度下保持 30min。 继续升温到 (815±10) ℃, 并在此温度下灼烧 1h。 (3)从炉中取出灰皿,放在耐热瓷板或石 棉板上,在空气中冷却 5min 左右,移入干燥器中冷却至室温(约 20min)后称量。 (4)进行检查性灼烧,每次 20min,直到连续两 次灼烧后的质量变化不超过 0。0010g 为止。以最后一次灼烧后的 质量为计算依据。灰分低于 15.00%时,不必进行检查性灼烧。 第三节 挥发分的测定 1.方法提要:称取一定量的空气干燥煤样,放在带盖的瓷 坩埚中,在(900±10)℃下,隔绝空气加热 7min,以减少的质量 占煤样质量的百分数,减去该煤样的水分含量作为煤样的挥发分。 2.仪器、设备: (1)挥发分坩埚:带有配合严密盖的瓷坩 埚,形状(口大∮33mm 底小∮18mm 高 40mm 厚度 1.5mm,盖内层∮ 20mm 外层∮35mm 内层凹陷 2.5mm 总厚度 4mm 即厚度仍为 1.5mm) 坩埚总质量为 15~20g。 (2)马弗炉:带有高温计和调温装置, 能保持温度在(900±10)℃,并有足够的(900±5)℃的恒温区。 炉子的热容量为当起始温度为 920℃时, 放入室温下的坩埚架和若 干坩埚,关闭炉门后,在 3min 内恢复到(900±10)℃。炉后壁 有一个排气孔和一个插热电偶的小孔。小孔位置应使热电偶插入 炉内后其热接点在坩埚底和炉底之间,距炉底 20~30mm 处。马弗 炉的恒温区应在关闭炉门下测定,并至少每年测定一次,高温计
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(包括毫伏计和热电偶)至少每年校准一次。 (3)坩埚架:用镍 铬丝或其它耐热金属丝制成,其规格尺寸以能使所有的坩埚都在 马弗炉恒温区内,并且坩埚底部紧邻热电偶热接点上方。 (4)坩 埚架夹(5)干燥器:内装变色硅胶或粒状无水氯化钙。 (6)分 析天平:感量 0.1mg。 (7)压饼机:螺旋式或杠杆式压饼机,能压 制直径约 10mm 的煤饼。 (8)秒表。 3.分析步骤: (1)在预先于 900℃温度下灼烧至质量恒定 的带盖瓷坩埚中, 称取粒度小于 0.2mm 的空气干燥煤样 (1±0.01) g(称准至 0.0002g) ,然后轻轻振动坩埚,使煤样摊平,盖上盖, 放在坩埚架上。褐煤和长焰煤应预先压饼, ( 并切成约 3mm 的小块。 ) (2)将马弗炉预先加热至 920℃左右。打开炉门,迅速将放有坩 埚的架子送入恒温区,立即关上炉门并计时,准确加热 7min。坩 埚及架子放入后,要求炉温在 3min 内恢复至(900±10)℃,此后 保持在(900±10)℃,否则此次试验作废。加热时间包括温度恢复 时间在内。 (3)从炉中取出坩埚,放在空气中冷却 5min 左右, 移入干燥器中冷却至室温(约 20min)后称量。

第四章 煤粉在锅炉内的燃烧过程
研究煤的性质与锅炉运行的影响首先分析煤粉在锅炉内的燃 烧过程 。 煤从进入炉膛到燃尽一般要经过四个阶段,即加热,水分蒸 发挥发分析出并着火,挥发分与焦炭燃烧,焦炭烧完形成灰渣。 燃烧过程各阶段即及特点前两阶段可统称为燃烧准备阶段或吸热 阶段。其特点是:煤不断的吸热,温度升高。当温度上升到一定 温度时,煤中水分析出,温度继续上升,挥发分陆续析出。温度 再继续上升到着火点,煤的表面腾起一层火焰,开始着火燃烧。 炉膛温度越高,煤吸热越快,温升越快。炉膛温度越高,煤吸热 越快,温升越快,燃烧准备阶段越短。第三阶段是燃烧阶段。光 是挥发分燃烧,燃烧放出大量的热量,将焦炭加热到足够高的温 度着火燃烧。煤烧得快不快,烧得完全不完全,主要取决于这个
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阶段。第四阶段为燃烧阶段。尚未燃尽的焦炭继续燃烧,并继续 放出热量。直到焦炭烧尽。

第五章 煤的工业特性对锅炉运行的影响
1.水分的影响 煤样的水分一般呈三种形式存在:外在水分、内在水分和化合 水分。各种煤样的水分差别很大,最少的仅2%左右,最多的则可 达到50%-60%。一般来说,随着地质年代的增加,水分逐渐减少。 煤中水分越大,就是说,将不可燃的水分运进电厂的量越多,势 必增加运输压力及电厂的经济负担。另外,湿煤进厂,由于不能 直接上锅炉,要由煤槽转出,势必增加输煤、储煤负担,使输煤 系统故障率增加,给运行管理带来困难。煤中水含量大的话,在 燃烧过程中,因为水蒸汽要吸收一部分热量,使煤用于发电的有 效热能即低位发热量降低,并且锅炉内温度也会因此降低,会使 着火困难,燃烧不完全,导致机械与化学不完全燃烧的热损失增 加。煤中的水分所消耗热量比灰分高的多,所以水分对理论燃烧 温度的影响要比灰分大。另外,水蒸汽会随烟气排出炉外,增加 了排烟量,使得排风机电能消耗增大;同时由烟气带走的热量也增 加,使排烟热损失增大,降低了锅炉热效率。这些都将使锅炉运 行的经济性很受影响。煤粉中的水分增多,为低温受热面的积灰、 腐蚀创造了条件;对过热气温也有影响,一般经验数值:水分每增 加1%,过热气温就会升高1.5℃,易引起安全事故。此外,原煤中 的水分过多会给煤粉制备系统增加负担,也会造成原煤仓、给煤 机及其落煤管中的粘结性堵塞以及磨煤机的出力下降等不良后 果。 煤的水分增加,会使着火热增加,着火困难,燃烧稳定性变 差。但从燃烧动力学的角度看,煤粉中含有适量的水分(指入炉煤 粉中含有适量水分)对燃烧过程有某些有利作用。因为在高温火焰 中水蒸汽对燃烧过程是十分有效的催化剂,水蒸汽分子可以加速 煤粉焦炭残骸的气化和燃烧,增加煤焦的表面积;水蒸汽还可以提
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高火焰的黑度,加强到燃烧室炉壁的辐射传热;另外,水蒸汽分解 时产生的氢分子及其氢氧根又可以提高火焰的热传导率。 2.挥发分的影响 挥发分主要由各种碳氢化合物、氢、一氧化碳、硫化氢等可 燃气体所组成,此外,还有少量的氧、二氧化碳、氮、水蒸气等 不可燃的气体。挥发分是煤的重要组成成分,是煤分类的主要依 据。煤的挥发分对锅炉系统运行、着火、燃烧的影响表现如下: 不同煤种的挥发分产率及其组成不同。挥发分低者,其氧含 量也小,而碳氢化合物所占比值较大。故其发热量及挥发分开始 逸出的温度都较高:而挥发分高的煤,则出现相反的情况。如无烟 煤挥发分开始逸出温度约为400℃,挥发分发热量约为69000J/g; 而褐煤的挥发分开始逸出温度约为130~170℃挥发分发热量约为 26000J/g.对炉内燃烧过程来说,挥发分是判别煤样着火特性的首 要指标。一般随着挥发分的增加,煤粉着火温度显著降低,有利 于煤的快速和稳定着火,而且燃烧也更强烈。高挥发分的烟煤及 褐煤易着火,其煤粉着火温度约为800℃,而低挥发分、高灰分的 低质煤难着火,且易造成燃烧不良,甚至导致锅炉灭火,其煤粉 的着火温度可能高达1100℃。但挥发分并不是影响着火温度的唯 一因素,除此之外,煤粉细度、气粉混合物的初始浓度等对着火 温度都有一定的影响。因此,锅炉运行人员根据挥发分测定结果 进行相应调整,是保证锅炉稳定燃烧的必要条件。挥发分含量越 多,煤粉燃烧也越完全。这是因为挥发分含量越多,相对来讲, 煤中难燃的固定碳的含量就越少,这样就更容易燃烧完全:另外, 燃烧过程中析出大量挥发分,放出的热量也越多,易于造成炉内 高温,从而有助于固定碳的迅速着火也燃烧,故而挥发分多的煤 粉燃烧也更完全;与此同时,由于挥发分从煤里内部析出,使煤粒 具有孔隙性,所以挥发分含量越大,煤粒的孔隙就越多、越大, 这样,煤粒与空气的接触面积也随着增大,即增大了反应表面积, 使反应速度加快,也使煤粒完全燃烧。煤粒燃烧越完全,锅炉飞
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灰可燃物和机械不完全燃烧越小,燃烧效率也越高,锅炉运行的 经济性大大增加。 3. 灰分的影响 一般来说 ,煤在天然状况下所含的矿物质都称为灰分。灰份 含量越大,煤中可燃成分便相对减少,发热量越低,容易导致着 火困难,着火延迟,燃烧不良,甚至熄火、打炮;同时炉膛燃烧温 度显著下降,煤的燃尽度变差,从而造成较大的不完全燃烧热损 失。灰份含量增加,碳粒可能为灰层严重包裹,妨碍煤中可燃质 和氧气接触,碳粒表面燃烧速率减小,火焰的传播速度减慢,而 燃尽时间变长,燃尽率降低,造成燃烧不良。煤灰含量越大,灰 粒随烟气流过受热面时,如果烟速过高,灰磨损受热面,飞灰浓 度越高,对锅炉的磨损越厉害,因此锅炉的事故率和强迫停运率 就越高。根据美国田纳西流域管理局(TVA)统计,1963-1977年间, 其所辖燃煤电厂的平均灰分从13%上升到18%,与此同时,锅炉的 强迫停运率也从1.3%上升到18%.另外,还会导致排灰量的增加, 使得除尘去灰的费用及厂用电上升,同时飞灰和炉渣的热物理损 失变大,从而降低了锅炉的效率。 灰分含量增加,灰粒随烟气流过受热面时,如果烟速低,会 形成受热面积灰,降低传热效果,并使排烟温度升高,增加排烟 热损失,降低锅炉效率。另外 , 如果煤粉中的灰分过多,要保 证锅炉负荷,就必须增加燃煤量,这样就使得整个生产系统包括 制粉、输煤、引风、除尘等设备的负担加大,增加能量消耗,磨 损严重,可用率下降,厂用电也随之上升。灰分还是造成环境污 染的根。 煤灰各成分对锅炉沾污、腐蚀有很大的影响,影响安全运行; 灰分的影响也有有利的一面,例如灰中碱金属、碱土金属和铁、 锰、镍等的氧化产物,能促使碳的晶格扭曲变形,使产生的碳氧 络合物容易从品格上脱离出来,因而提高了碳的活性,起到催化 作用。
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4. 发热量的影响 单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量称为煤的发热量,有 高位发热量和低位发热量之分。煤的发热量因煤种的不同而不同。 煤的发热量同锅炉燃烧的理论空气量、理论干烟气量、湿烟气量 及可达到的理论燃烧温度有关。因此,煤的发热量是设计锅炉时 的一个重要参数,也是反映煤粉燃烧好坏的一个重要指标,也是 重要的质量指标,是影响煤的计价的重要指标。 它对锅炉运行的影响表现如下:煤的发热量大小是影响燃烧 稳定性的重要因素.燃煤发热量的降低将导致炉内温度水平降低。 这对着火和燃尽都会带来不利影响。当燃料发热量降低到一定程 度时,会引起燃烧不稳、火焰闪烁、灭火放炮、以至必须投油助 燃,影响锅炉运行的经济性。据试验数据统计,燃煤的低位发热 量每下降1MJ/kg,发电煤耗约上升20g/(kW.h),厂用电率约上升 0.5%。因此从发电生产的安全稳定性和经济效益考虑,发电用煤 应该有一定的质量要求。煤的发热量低,同样出力下灰量大大增 加,可能加剧锅炉结渣,同样,使烟气中含灰量增加,加剧了受 热面的磨损和积灰,而积灰的增加使受热面传热热阻增加,影响 传热效率,导致锅炉热损失增加。但如果发热量过高,使得燃烧 区域的温度升高,灰就越容易达到软化和熔融状态,产生结渣的 可能性增大。同时,煤中易挥发的物质气化也就越强烈,这也为 结渣创造了更有利的条件。 燃煤发热量下降对锅炉机组的可用率影响巨大。美国电力公 司(AEP)的一项研究表明,美国全国燃煤机组10年间燃煤平均发热 量27.328MJ/kg下降到24.65MJ/kg,可用率却下降了13%.此外 , 若煤的发热量太低,势必增加供应的原煤量,这对远离煤矿的大 中型电厂来说,就意味着增加了无效运输量,运输费用增加,影 响经济性。同时,燃煤量的增加也会增加整个电厂系统的负担:经 常会出现锅炉所需入炉煤量大于给粉机的最大出力,导致锅炉、 磨煤机运行中负荷打不足;同时给粉机长期在最大出力下运行,故
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障增加;入炉煤量增加锅炉渣量亦随之增加,从而增大除尘设备 的工作量。 烟气含灰量增加, 影响除尘效率;磨煤机的负担也增大; 一次风的煤粉浓度要随之增加,要求提高一次风的风速以免堵塞, 从而增加送风机电耗,增加发电成本。 碳、氢、氧、氮的影响 煤中的碳和氢,是产生热量的主要来源,其含量的多少决定 发热量的高低。对燃烧来说,碳氢含量的测定十分重要。碳在空 气充足条件下完全燃烧产生34040J热量,而在空气不充足条件下 燃烧,则生产一氧化碳,1g碳仅能生成9910J热量,而当一氧化碳 进一步燃烧生成二氧化碳时,放出热量为24130J.氢是仅次于碳的 主要热源之一,煤中氢有两种存在形态:一是构成矿物质及水中的 氢,不能参与燃烧;二是与碳元素构成有机成分,燃烧时,释放出 很高热量。1g氢放出143000J的热量,约相当于碳的四倍。如无烟 煤含炭量虽比烟煤高,但含氢量比烟煤低,故通常无烟煤的发热 量要低于烟煤。氧在煤中呈化合态存在.不同煤种其含量差别很 大,如泥炭中含氧量可高达40%,而无烟煤中只有1%~2%.氧本身 不燃烧,但加热时,易使有机组分分解成挥发性物质。年轻烟煤 及褐煤含氧量较高,所以能生成较多的挥发物质。煤中含氧量增 高,碳氢含量相对减少,因而发热量降低,不利于燃烧。氮在锅 炉中燃烧时,大部分呈游离状态随烟气逸出.从燃烧角度看,氮又 是煤中的无用成分。其中约有20%~40%在燃烧中能变成NO、随烟 气排出,增加了环境污染。 5.硫的影响 煤中硫可分为无机硫与有机硫两种类型。我国煤中大约 60%-70%的硫为无机硫,而且绝大多数为黄铁矿硫,硫酸盐硫只占 极少比例,30%-40%的硫为有机硫。硫是动力用煤中极为有害的一 种元素。硫含量虽然不高,但对电力生产的危害很大。煤中硫, 特别是可燃硫,对电力生产的危害是多方面的,而且可能造成较 严重的后果。锅炉低温受热面腐蚀煤中硫在锅炉中燃烧,主要生
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成二氧化硫,并有少量三氧化硫形成。烟气中二氧化硫(约为 1OOOppm)对锅炉受热面的腐蚀及沾污没有明显影响,而三氧化硫 (约为1Oppm)含量虽然很少,但由于它与烟气中水汽结合形成硫酸 蒸汽,并在低温受热面上凝结,会严重沾污与腐蚀设备,形成堵 灰,大大影响锅炉的安全经济运行。 对于煤粉锅炉,煤中全硫量小于1.5%时,不产生明显的堵灰 与腐蚀:当煤中全硫达到1.5%~3%时,如不采取措施,就会产生较 明显的腐蚀与堵灰;当硫分大于3%时,锅炉尾部受热面就会出现 严重腐蚀与堵灰,从而大大缩短空气预热器的使用寿命,严重影 响锅炉的安全经济运行,甚至停炉处理。对电厂,严格控制进厂 煤的硫分十分重要。其它危害煤中硫燃烧后形成二氧化硫,随烟 气逸出烟囱,增加环境污染,增加排放成本。煤中硫每增加1%, 则燃用一吨煤就多排放约20kg二氧化硫气体。如某电厂硫分按 0.7%、日耗煤6000t计,则一天排入大气的二氧化硫约80t.加速磨 煤机及输煤管道的磨损,尤其含黄铁矿多的煤。 对钢球磨煤机,灰分大的比灰分小的煤,其吨煤钢球消耗量 约大4倍。煤中硫分增高,还会增加煤粉的自燃倾向,从而给煤粉 的储存及制粉系统的安全带来不利影响。煤中硫分的增高,还会 降低煤灰熔融温度,促使锅炉结渣或加剧结渣的严重程度等。煤 中硫还会影响灰渣的综合利用价值。

第六章

煤的燃烧性能分析

第一节 热天平法 示差热天平装置,可利用微量样品,在程序控制的恒定升温 速率下,高灵敏度地进行热重分析 TG TG(样品重量变化作为温度或 时间的函数) 和差热分析 DTA (样品与惰性参考样之间的温度差) , 并同时给出热重微分曲线 DTG (样品重量变化对时间的微分, 亦称 燃烧分布曲线) 。热重分析方法常用于燃煤的非常规分析,包括确 定煤的着火温度(Tt) (Tt) 、燃尽温度(Th) 、可燃质份额(R) (Th) ( 、可燃 质最大燃烧速率〔 DTG)max〕等。通过这些特征数据可以确定各 〔 ( max〕
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种煤样在相同情况或可比条件下的燃烧性能。本文主要介绍热重 分析法。 热重法是在程序控制温度下借助热天平以获得物质的质量与 温度关系的一种技术 。热天平与常规天平相比,能自动连续地进 行动态称量与记录,并在称量过程能按一定的温度改变试样的温 度,试样周围的气氛也可以控制或调节。热天平的基本结构包括 称量系统、温度控制系统、气氛控制系统和记录系统 。由计算机 自动采集数据得到热重曲线(TG 曲线)和微商热重曲线(DTG 曲 TG DTG 线) 。从 TG 曲线可以得到试样组成、热稳定性、热分解温度、热 分解产物和热分解动力学等有关数据。DTG 曲线是对 TG 曲线进行 DTG 一次微分得到的,它反应的是试样质量变化率与温度或时间的关 系。燃烧分布曲线 DTG 的温度区域及燃烧峰的高低形状显示了不 同煤种燃烧性能的差异,煤的反应性能越强,燃烧峰就越偏向低 温区;煤的可燃质份额越高,且可反应表面积越大,燃烧峰就越 高;煤的燃尽性能越好,燃烧峰后段就越陡;煤颗粒的膨胀及空 隙率增加会使后期燃烧速度仍然很高,可以说 DTG 曲线综合了煤 的反应性能、灰分和可燃质的综合性、内部空隙变化等因素的影 响,较完善地表达了煤的着火、燃烧及燃尽特性,对于判断煤的 燃烧性能有着叫确切的表达力及较高的分辨力。 热重分析法可分为程序升温热重法和等温热重法。等温热重 与程序升温热重的反应体系是完全相同的,但是由于一个为恒温 反应,一个为升温反应,使二者具有不同的反应类型。煤燃烧过 程温度对反应的进行具有重要影响。文献中用等温热重法对煤燃 烧反应动力学进行了研究。实验过程中,煤样粒径在 140~160 目 140~ 之间,煤样量 5mg 左右,通入氮气保护,流量为 40ml/min 40ml/min,以 达到反应温度 20K/min 的升温速率由室温升至所需要的反应温度, 后将氮气切换为空气进行燃烧反应,直至样品恒重。实验结果表 明,参见反应的煤种的活化能的排列顺序同煤阶的变化顺序基本 上一致。但是同程序升温热重试验所得的活化能相比,该实验条
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件下的计算结果具有相对较高的可信度和可比性。因为在燃烧炉 试验中加入了较多认为的测量因素,因而误差相对较高,而程序 升温热重条件下,由于各个煤种的着火点和燃尽温度不同,致使 不同煤种在不同的升温范围内进行反应,因而活化能的相比性较 差。 在这些试验中,学者们通过热重分析得到了不同混煤燃烧过 程中的着火温度, 最大反应速率温度, 燃尽温度 h) (T 等特征温度, 以期得到不同混煤的相对燃烧特性。 Pawns 等在试验中发现,高挥发分烟煤与地挥发分烟煤混合 时,两组分之间会发生一些反应,特别是在煤样的燃尽阶段。事 实上,实验过程中两组分之间是否发生化学反应取决于一些无法 解释的变量,如高着火温度煤样的着火与热量产生,热量损失以 及煤样快速与低速燃烧中的热量交换有关。 Autos 等发现当一种煤 和别的煤混合时,各自的质量变化和燃尽温度并不随着与其它煤 种的混合燃烧而发生改变。这表明,煤样的燃烧是控制在煤样间 不发生相互反应的情况下完成的。Chumming 等发现在烟煤与无烟 煤的混煤的燃烧特性曲线上,有各自不同的燃烧峰,表明这两种 煤的燃烧是相互独立的,此外热重实验结果还表明,烟煤的掺入, 对无烟煤的着火是没有帮助的,而随着混煤中高反应性煤(褐煤 或亚烟煤)的比例提高,反应起始温度呈线性降低趋势。但混合 比对混煤的着火温度影响不大,混煤着火温度主要取决于易着火 的单煤。 与锅炉中煤粉的燃烧相比,热重试验的升温速率要低得多, 而且挥发分的析出过程是在更低的温度水平下完成的。这就使得 煤中残留一部分挥发分,从而导致煤的燃尽率降低。在热重试验 中,煤样的反应是在一个更加恒温的气氛中进行,而且受到各个 反应物反应性的干扰,因此,热重试验所得到的燃尽率比实际煤 粉锅炉中的差,并且实验过程中发生的反应比实际煤粉锅炉燃烧 ,可以用来计算 时的多。根据热重试验得到的煤的燃尽温度(Th)
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最低未燃尽碳损失时所需要的炉内停留时间。热重实验表明,当 煤的燃尽温度值越低,其燃尽率越高。燃尽温度值高的煤种燃烧 比较困难,并且需要更长的停留时间或者更高的温度以达到燃尽 的目的 。此外,混煤的燃尽温度并不呈线性可加性。ArtosV等研 究表明,混煤的反应性可以根据其组成煤种的反应性预测得到, 但是混煤中各个单煤的燃尽温度并没有因为掺烧而发生变化。 热重分析的优缺点: 热重分析的优缺点: 1.定量性强,能准确测量物质质量的变化和变化率,用很少 的量就可以进行试验 。 2.可以得到加热过程中的燃烧特性曲线,从燃烧特性曲线上 的特殊点可以比较各种煤的相对反应特性。 3.可以得到煤在加热过程中的动力参数,用这些参数比较各 种煤的相对反应特性。 4.热重分析中煤粉的反应属于均相反应,加热速度低,一般 的设定范围是5-20℃/min,煤粉在反应中处于静态,加热条件与 实际的锅炉燃烧有一定的差别。 5.热分析曲线综合了煤的反应性能,灰份、灰与可燃物结合 特性,内部空隙率及燃烧过程中煤粒膨胀与空隙度变化的影响, 能较完善地表达煤的着火、燃烧及燃尽特性,它对于判断煤的燃 尽性有着确切的表达能力及较高的分辨能力。 6.热重分析方法在一定程度上克服了常规工业分析和元素分 析的局限性。 7.热重分析方法简单易行,试验结果重现性好,可用比较大 量的煤种的燃烧特性并根据所获得的试验数据总结出一定的规 律,人为的规定一些判别指标,用来判断未知煤种的燃烧特性。 第二节 沉降炉法 沉降炉法是一种模拟锅炉燃烧的实验装置,通过模拟煤粉在 锅炉中的实际燃烧过程,得出燃煤的各种燃烧特性。通过试烧各 种燃煤,比较不同煤种之间的燃烧特性、燃尽特性、结渣特性等
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方面的差别,为电厂锅炉适应不同煤种的燃烧提供参考依据,以 提高电厂运行的安全性与经济性。 沉降炉具有高的加热温度和加热湿度,加热速度可达到可达 到 104~105K/S,加热温度最高可达 2000℃。煤粉在燃烧过程中处 于流动状态,接近实际炉膛情况,且操作简单,被广泛用来研究 煤燃烧超细颗粒物的生成和控制等方面。对燃烧混煤的电站控制 超细颗粒物排放有一定的指导意义。 沉降炉作为锅炉的一种模拟实验装置,主要由燃烧器和燃烧 室两部分组成。燃烧器上设有可调风门,用于调节炉内燃烧工况。 由于沉降炉是一种模拟锅炉燃烧的试验装置,其燃烧室体积受到 限制,如何组织好炉内燃烧工况,保持煤粉火焰的稳定性,是沉 降炉试验成功与否的关键。 沉降炉实验台系统图如下,包括主体部分和辅机部分,主体 包括着火段和燃尽段,辅机设备主要有空气压缩机、空气预热器、 流量测量装置、给粉机等。 沉降炉主体部分分为两段:着火段和燃尽段,内径 150 ㎜着 火段长度 1400 ㎜, 温度范围可从室温到 1000℃, 适合多种煤种的 着火条件。燃尽段长 2000 ㎜,温度可以达到 1500℃,接近真实锅 炉的最高温度范围,可以进行结渣、燃尽等试验。 用守恒法计算煤的燃烧效率,如式所示: Bc=[1Ao 100 Ai × ]×100% 100 Ao Ai

式中:Bc------燃烧效率,%; AO------原煤分灰分,%; Ai------煤焦灰分,%。 此外,煤粉气流沉降炉燃尽特性还可以通过燃尽度指数表示, 指煤粉气流燃烧后煤粉的燃尽程度的相对大小,用 CR 表示。煤粉 气流燃尽度指数越小,煤粉的燃尽性能就越好。 燃尽度指数在沉降炉试验台上测定,试验时保持沉降炉着火 段和燃尽段温度恒定不变,其它所有参数也都保持恒定不变,连
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续给粉一段时间后,取灰样,分析灰样的飞灰含碳量。 灰样的飞灰含碳量是煤粉燃烧后飞灰中未燃烧的含碳量,虽 然它可以表示煤粉气流的燃尽度,但是考虑到煤热值的不同以及 灰分大小的差异,飞灰含碳量并不能充分表示煤粉的燃尽特性, 所以这里将煤的热值和灰分引入到煤粉气流燃尽度指数中来。

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第三节 颗粒悬挂法 颗粒悬挂法即采用很细的热电偶丝悬挂单个颗粒于加热炉中 测定颗粒的温度、质量和外形结构的变化来测定煤的燃烧特性。 但由于所用颗粒尺寸比实际大 1~2 个数量级,受热速率低于 105 K/S 等因素,与实际有较大差距。

第七章 煤质特性对电站经济性的影响 煤质特性对电站经济性的影响
第一节 煤粉细度对燃烧过程有直接影响 煤粉磨得细,单位表面积就大,燃烧时与空气的接触面也大。 这样,燃烧速度就加快,机械不完全热损失就小;反之,粗煤粉 在燃烧室内不能燃烧完全,直到过热器处还在继续燃烧。不仅机 械不完全燃烧热损失增加,而且造成过热器处堵灰、结焦(渣), 甚至引起超温爆管。 但是 , 煤粉磨得越细, 磨煤消耗的电能越多, 而且制粉设备的磨损也越大。另外,煤粉磨得越细,必然磨制时 间长,磨煤机的出力就相对降低。这对燃烧低热值的煤不利。还 有,制粉系统中旋风分离器的效率也随煤粉细度的提高而降低, 而且磨的过细会增加乏气中的煤粉量,影响正常燃烧。 第二节 煤质特性对火电厂运行和成本的影晌 煤质对燃煤电厂的安全与经济运行至关重要。煤质改变或煤 质下降将给整个锅炉,乃至整个电厂带来很多问题。归纳起来主 要表现在以下几个方面: 1.煤质下降导致出力受限 煤质下降或燃煤某些参数的变化,可能造成锅炉机组的某些 设备不能满负荷运行而限制锅炉的出力。例如煤的水分或可磨指 数的变化可使磨煤机达不到额定出力;煤的灰分增加或灰的电阻 特性改变将使静电除尘器能力受限;煤灰成份的改变可能使其结 渣性或积灰性增大而引起炉膛结渣或受热面积灰等。 2.煤质下降使电厂煤耗和厂用电率上升 煤质下降 ,煤粉着火困难,不仅易灭火放炮,危及安全,而 且由于着火延迟,燃烧不稳和不完全,使锅炉机械未完全燃烧损
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失增大;同时由于排烟温度和燃烧过剩空气的增高,又使排烟热 损失增大。这两项都使锅炉效率下降和发电煤耗上升。劣质煤灰 分高、热值低,同样出力条件下锅炉燃煤量增加,上煤、出灰、 制粉以及送引风机等辅机耗电量都要增加,厂用电率上升。根据 国内一些烧劣质煤的中压和次高压小机组统计结果估算,燃煤低 位发热量值每下降1MJ吨,发电煤耗约上升20g/(KWh),厂用电率 约上升0.5%。 3.煤质下降导致可用率下降 劣质烟煤灰分高热值低,劣质无烟煤热值虽高,但挥发分很 低,两者都造成燃烧不稳定,容易灭火;灰分高,燃煤量大使锅炉 受热面、烟道辅机堵灰和磨损加剧,制粉系统和送引风机的故障 增加:着火延迟,火焰中心上移,使过热器超温爆管。所有这些都 使整个锅炉机组的强迫停运率上升,临修增加,可用率和设备利 用率下降。美国有关数据指出,电厂用煤平均灰分从13%上升到 18%,锅炉强迫停运率也从1.3%上升到7.5%,10年间发热量从 27.328HJ/kg下降到24 654M」/kg,机组可用率下降1级。 4.煤质下降使检修和更改工程费用大幅上升 煤质下降 、灰分增大、可磨指数降低或灰的磨蚀性增强等, 将使锅炉各部分受热面、输煤皮带、制粉系统和风机等的磨损腐 蚀加重。受磨损的受热面尤以管束受烟气横向冲刷的省煤器为甚。 频繁的故障和临修,使电厂损失的电量和维修费用大增,而且为 了减轻磨损和适应烧劣质煤,电厂往往要进行大量的更新和改造。 另外,由于烧多灰分的劣质煤的锅炉从输煤到出灰的整个生产流 程中的每个部件都增加了负荷和磨损,所以大修间隔最多只能保 持l~2年,这也使检修费用增加。 5.煤质下降对发电成本的影响 煤质变劣造成锅炉效率下降、投油率增加、煤耗和厂用电率 上升、事故率增加、设备可用率下降以及检修改造费用增加,所 有这些都使发电成木上涨;另一方面,煤质变劣又使发电燃料成本
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上升,因为我国燃料的运输价格基本上是按吨位计,而不是按质 论价,劣质煤的开采成本与一般煤炭相似,运输费用则完全依据 吨位,这势必形成质劣价不廉的结果。 另外 ,随着国家环保要求越来越严格,分析煤质对成本的影 响还要考虑到煤质对锅炉排放总量的影响。煤质下降对飞灰排放 浓度的影响主要表现为煤的灰量增加与灰的比电阻变化,煤的灰 量增加将导致飞灰排放浓度或总量的上升:灰的比电阻变化则会 要求电除尘器的运行参数作出相应的调整,倘若现有电除尘器无 法达到所需电压,就将导致除尘效率降低、粉尘排放浓度或总量 的上升。 配煤是稳定煤质的最安全和最经济的方法为了解决锅炉燃用 非设计煤种或燃用煤质多变带来的问题,多年来,国内外广大设 计、运行人员作了许多努力,如调整燃烧、改造燃烧设备和系统、 采用新型燃烧器等措施虽取得了一定的效果但并未从根本上解决 问题,因为改造后,煤质适应性问题依然存在。新建 、扩建电厂 的极大多数新锅炉设计最困难的是正确提供锅炉设计煤质。同样, 为保证锅炉的安全、经济运行,满足设计煤质的要求也是很难做 到的。就是基本定矿的电厂,包括坑口电厂,也应看到不同矿井 的煤质不同,和同一矿煤质煤灰成分也不同的客观存在。

第八章 电厂配煤