发电厂锅炉燃料及特性

1、锅炉燃料及特性第一节 概述锅炉是将燃料的化学能转换为蒸汽热能的设备。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界煤产量的25。我国煤炭资源相对较为丰富，分布也广，而石油和天然气资源相对不足，目前我国火力发电厂的主要燃料是煤，预计到21世纪中叶，我国能源消耗仍是以煤为主。煤种是锅炉设计的主要依据，煤种的特性会影响炉膛尺寸，燃烧设备和燃料制备系统、受热面大小和布置、烟气处理等等。不同的燃料性能要求配备不同的制粉系统、燃烧器结构和炉膛及锅炉本体型式，随之采取不同的运行参数及操作要求。燃料特性、锅炉结构和运行方式是影响锅炉性能的三个要素，而后两项的主要依据是燃料特性，只有充分掌握燃料性能，采取相应的设

2、计、运行措施，才能达到锅炉安全经济运行的目的。第二节 煤的主要成分和特性煤的组成及各种成分，一般按元素分析和工业分析两种方法来进行研究。元素分析只能确定元素含量的质量百分比，它不能表明煤中所含的是何种化合物，因而也不能充分确定煤的性质。但是，元素组成与其他特性相结合可以帮助我们判断煤的化学性质。元素分析比较繁杂，电厂一般只作工业分析，它能了解煤在燃烧时的主要特性。一、煤的元素分析煤的元素分析成分，即煤的化学组成成分。煤的成分包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种主要元素以及水分（W）和灰分（A）。煤的各种成分性质如下：1.碳 碳是煤中的主要可燃物质。通常各种煤的含碳量约占其可

3、燃烧成分的5090%。煤中的碳不是以单质状态存在，而是一部分与氢、氧、硫等结合成挥发性的复杂化合物，其余部分为煤受热析出挥发性化合物后余下的那部分，即固定碳。煤中固定碳含量越高，越不容易着火和燃尽。1公斤碳完全燃烧可放出32866KJ的热量。2氢 煤中的氢，一部分与氧结合，叫做化合氢，不能燃烧放热；另一部分在煤受热时会挥发成氢气或各种碳氢化合物形成（CmHn）的气体，它们极易着火和燃烧。1公斤氢完全燃烧时约放出119743KJ的热量。3氧和氮 氧和氮都是不可燃元素，它们的存在使煤中的可燃元素相对减少，燃烧放出的热量降低。煤中含氮量一般不多，只有0.52%，但燃烧时会形成有害气体氧化氮（NOx）

4、，污染大气。4硫 煤中硫可分为有机硫和无机硫两大类。有机硫和煤中的C、H、O等结合成复杂的化合物，均匀地分布在煤中。无机硫包括黄铁矿硫（FeS2）和硫酸盐硫（CaSO4、MgSO4、NaSO4）等。有机硫和黄铁矿硫可以燃烧，合称为可燃硫。硫酸盐不能燃烧，故并入灰分。煤中可燃硫的含量一般不超过12%。硫燃烧时的放热量不多，仅及碳的1/3.5左右。但硫燃烧后形成的SO3和SO2，与烟气中的水蒸汽相遇，能形成H2SO4和H2SO3蒸汽，并在锅炉低温受热面等处凝结，从而腐蚀金属。此外，SO2和SO3随烟气排入大气，对人体和动、植物带来危害。硫是煤中的有害元素。5水分 煤的水分是由外部水分和内部水分组成

5、。外部水分，即煤由于自然干燥所失去的水分，又叫表面水分。失去表面水分后的煤中水分称为内部水分，也叫固有水分。水分的存在使煤中的可燃元素相对减少，同时它在煤燃烧时要汽化、吸热，从而使燃烧温度降低，甚至会使煤难于着火。同时由于水分在煤燃烧后形成水蒸汽，使烟气体积增加，即增加引风机电耗，又带走大量热量，降低锅炉热效率。另外，原煤的水分过大，常会造成煤斗或落煤管道粘结，甚至堵塞，并增加碎煤和制粉的困难。6灰分 煤中含有不能燃烧的矿物杂质，它们在煤完全燃烧后形成灰分。灰分的存在不仅使煤中的可燃元素相对减少，还会阻碍空气与可燃质接触，增加不完全燃烧损失。灰分在燃烧时会熔化、沾污受热面（结渣或积灰）、降低传

6、热系数。烟气中的飞灰会磨损受热面，因而限制了烟速的提高，也影响传热效果。同时飞灰随烟气排入大气，会造成环境污染。因此，和水分一样，灰分也是燃料中的有害成分。二、煤的工业成分分析工业分析主要测定煤中的水分、挥发分、固定碳和灰分含量，用以表明煤的主要燃烧特性。根据工业分析测定的项目，煤的组成可用水分、挥发分、固定碳和灰分来表示。三、煤的分析基准表示方法1煤的分析基准为了确切地反映煤的特性，不但要知道煤的成分，还应当知道分析煤成分时煤所处的状态。同一种煤当其所处的状态不同时，分析得出的成分含量，百分数是不同的。常用的基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种，它们的工业和元素分析结果表达如下：

7、（1）收到基 以收到状态的煤为基准来表示煤中各组成成分的百分比。用下标ar表示，它计入了煤的灰分和全水分。其成分可用下列平衡式表示：工业分析：Mar+Aar+Var+FCar=100%元素分析：Car+Har+Nar+Sc.ar+Oar+Aar+Mar=100%式中：Mar，Aar，Var，FCar，Car，Har，Nar，Sc.ar，Oar为煤中的水分、灰分、挥发分、固定碳、碳、氢、氮、可燃硫、氧成分的收到基含量的百分数。（2）空气干燥基 由于煤的外部水分变动很大，在分析时常把煤进行自然风干，使它失去外部水分，以这种状态为基准进行分析得出的成分称为空气干燥基，以下角码ad表示。其成分可用下列

8、平衡式表示：工业分析：Mad+Aad+Vad+FCad=100%元素分析：Cad+Had+Nad+Sc.ad+Oad+Aad+Mad=100%（3）干燥基 以无水状态的煤为基准来表达煤中各组成成分，以下角码d表示。其成分可用下列平衡式表示：工业分析：Ad+Vd+FCd=100%元素分析：Cd+Hd+Nd+Sc.d+Od+Ad=100%（4）干燥无灰基 除灰分和水分后煤的成分，这是一种假想的无水无灰状态，以此为基准的成分组成，以下角码daf表示。其成分可用下列平衡式表示：工业分析：Vdaf+FCdaf=100%元素分析：Cdaf+Hdaf+Ndaf+Sc.daf+Odaf=100%煤中本来只有碳

9、、氢和可燃硫三者为可燃成分，但由于氧和氮总是同可燃元素结合在一起，故常把去除水分和灰分后的成分都算作可燃部分，以此为基准进行分析得出煤的干燥无灰基成分。煤的四种基准各有其用途。当进行锅炉热力计算和热力试验时采用收到基成分：为了避免煤的水分在分析过程中变动，煤样要先进行自然干燥，故在试验室进行煤的分析时采用空气干燥基成分，目前各煤矿提供的分析资料，也多为空气干燥基成分；当确定煤中灰分含量时，需要引用干燥基成分，因为只有在不受水分变化影响的情况下，才能真实的反映灰分的含量；实际上煤中的水分和灰分都容易受外界因素的影响而发生变化，这就势必影响煤中其它成分的含量，因此常用比较稳定的干燥无灰基成分来表明

10、煤的燃烧特性和划分煤的种类。一般同一矿井的煤干燥无灰基成分不会发生很大变化，因此煤矿的煤质资料以干燥无灰基成分为基准比较合理。2各种基准的换算煤的各种基准成分之间，可以互相换算。由一种基质成分换算成另一种基质成分时，只要乘以一个换算系数即可。从表2-2中可以查出煤的各种基质之间的换算系数。分析结果要从一种基准换算到另一种基准时，可按下式进行Y=KX0式中 X0按原基准计算的某一组成含量百分比； Y按新基准计算的同一组成含量百分比； K基准换算的比例系数（见表2-2）。在表示试验项目的分析结果时，须在试验项目的代表符号下端标明基准，才能正确反映燃煤质量。表2-2 不同基准的换算系数收到基空气干燥

11、基干燥基干燥无灰基收到基1空气干燥基1干燥基1干燥无灰基1四、发热量发热量是燃料的重要特性。单位质量的煤完成燃料时所放出的热量。单位是KJ/kg，用符号Q表示。煤的发热量分为高位发热量和低位发热量。高位发热量指1kg燃料完全燃烧时放出的全部热量称为高位发热量，它包含燃料燃烧时产生的水蒸汽的汽化潜热，即认为烟气中的水蒸气凝结成水放出它的汽化潜热。但是，锅炉实际运行时，烟气还具有相当高的温度，烟气中的水蒸气不可能凝结成水而放出汽化潜热，故锅炉实际能利用的热量不包括水蒸气的汽化潜热。从高位发热量中扣除烟气中水蒸气汽化潜热后，称为燃料的低位发热量，实际工程中常利用收到基低位发热量。煤有不同的分析基准，

12、因而也就有不同基质的发热量，通常采用空气干燥基发热量Qad。煤的各种基质的发热量之间可利用表22中的换算系数进行计算，例如：Qgr.ad=Qgr.daf（100-Aad-Mad）/100 KJ/kg但各种基准的低位发热量之间的换算却不能这样，因为这时还必须考虑汽化潜热的影响。由于1kg氢燃烧后生成9kg水蒸汽，所以每公斤燃料燃烧时将形成（9Har+Mar）/100公斤水蒸汽。如果取水的汽化潜热r=2508KJ/kg，则燃料收到基的高、低位发热量之间的关系为：Qnet.ar = Qgr,ar（54Har6Mar）KJ/kg同理可得：Qnet.ad = Qgr,ad（54Had6Mar）KJ/kg

13、Qnet.d = Qgr,d54HdKJ/kgQnet.daf = Qgr,daf54HdafKJ/kg根据高、低位发热量之间的关系可解决各种基准低位发热量之间的换算。例如，已知煤的无灰干燥基低位发热量Q daf, net，需求其收到基低位发热量Qar, net.。为此，可根据高、低发热量之间的关系可得：Q ar ,net = Q daf, net（100AarMar）/100-6MarKJ/kg由于各种煤的发热量不同，有时差别很大，为使燃用不同煤种的锅炉煤耗有可比性和编制燃煤计划方便，需要规定一种标准煤，其它煤必须折算成标准煤后才能互相比较。规定把收到基低位发热量Qar, net=29270

14、KJ/kg的煤叫做标准煤。实际燃煤量BKg折合成标准煤重量Bbz（kg）的公式为： Bbz = BQnet /29270 KJ/kg式中 Bb标准煤耗量Kg/h B实际煤耗量Kg/h五、煤的其他性能1灰的性质灰的性质主要指它的熔化性和烧结性。熔化性影响炉内的运行工况，烧结性则影响对流受热面的积灰性能。固态排渣煤粉炉中，火焰中心温度可达14001600,在这样高的温度下，燃料燃烧后灰分多呈现熔化或软化状态，随烟气一起运动的灰渣粒,由于炉膛水冷壁受热面的吸热而同烟气一起被冷却下来,如果液态的渣粒在接近水冷壁或炉墙以前已因温度降低而凝固下来，那么它们附着到受热面管壁上时，将形成一层疏松的灰层，运行中

15、通过吹灰很容易将它们除掉,从而保持受热面的清洁。若渣粒以液体或半液体粘附受热面管壁或炉墙上,将形成一层紧密的灰渣层，即为结渣。目前判断燃煤燃烧过程是否发生结渣的一个重要依据是灰的熔融性。灰的熔融性是指当它受热时,由固体逐渐向液体转化没有明显的界限温度的特性。灰的熔融性常用灰的变形温度DT，软化温度ST，熔化温度FT来表示，它们是固液相共存的三个温度，而不是固相向液相转化的界限温度，仅表示煤灰形态变化过程中的温度间隔。这个温度间隔对锅炉的工作有较大的影响，当温度间隔值在200400时，意味着固相和液相共存的温度区间较宽，煤灰的粘度随温度变化慢，冷却时可在较长时间保持一定粘度，在炉膛中易于结大渣，

16、这样的灰渣称为长渣。当温度间隔值在100200时为短渣。如果灰熔点温度很高(ST1350)，管壁上积灰层和附近烟气的温度很难超过灰的软化温度一般认为此时不会发生结渣,如果灰熔点较低(ST8%时，称为高水分煤；当Aar,zs4%时，称为高灰分煤；当Sar,zs0.2%称为高硫分煤。2标准煤所谓标准煤，就是假设其收到基低位发热量等于29270KJ/kg的煤。即可用下式计算标准煤耗： kg /h式中 Bbz标准煤耗量，kg/h；B电厂实际煤耗值实际用煤的收到基低位发热量，kJ/kg。第三节 燃煤的着火及燃烧特性分析一、影响煤粉气流着火的因素1燃料的性质燃料性质对着火过程影响最大的是挥发分含量Vdaf

17、, 煤粉的着火温度随Vdaf的变化规律如图所示21。挥发分Vdaf增大时,煤粉气流的着火温度显著降低,着火热降低。原煤水分增大时，着火热也随之增大，同时水分的加热、汽化、过热都要吸收炉内的热量，致使炉内的温度水平降低，从而使煤粉气流卷吸的烟气温度以及火焰对煤粉气流的辐射热也相应降低。原煤灰分在燃烧过程中不但不能放热，而且还要吸热。同样使煤粉气流的着火推迟，而且也影响了着火的稳定性。煤粉气流的着火温度也随煤粉的细度而变化，煤粉愈细，着火愈容易。图2-1 煤粉着火温度与Vdaf的关系2炉内散热条件减少炉内散热，有利于着火。3煤粉气流的初温提高初温T0可减少着火热。4一次风量和一次风速增大煤粉空气混

18、合物中的一次风量V0，便相应增大着火热，将使着火延迟；减少一次风量，会使着火热显著降低，但是一次风量过低，会由于煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧气，而使化学反应速度减慢，阻碍着火燃烧的继续扩展。另外，一次风量还必须满足输粉的要求，否则会造成煤粉堵塞。因此，对应于一种煤种，有一个一次风率的最佳值。一次风速对着火过程也有一定影响。若一次风速过高，则通过单位截面积的流量增大，势必降低煤粉气流加热速度，使着火距离加长。但一次风速过低时，会引起燃烧器喷口被烧坏，以及煤粉管道堵塞等故障，所以有一个最合适的一次风速，它与煤种及燃烧器型式有关。一般挥发分比较高的煤，要求的一次风量比较高。5燃烧器结构特性影响着火

19、快慢的燃烧器结构特性，主要是指一、二次风混合的情况。如果一、二次风混合过早，在煤粉气流着火前就混合的话，等于增大了一次风量，相应使着火热增大，推迟着火过程。燃烧器的尺寸也影响着火的稳定性。燃烧器出口截面积愈大，煤粉气流着火时离开喷口的距离就愈远，着火拉长了。从这一点来看，采用尺寸较小的小功率燃烧器代替大功率燃烧器是合理的。这是因为小尺寸燃烧器既增加了煤粉气流着火的表面积，同时也缩短了着火扩展到整个气流截面所需要的时间。6锅炉负荷锅炉负荷降低时，送进炉内的燃料消耗量相应减少，而水冷壁总的吸热量虽然也减少，但减少的幅度较少，相对每公斤燃料来说，水冷壁的吸热量反而增加了。致使炉膛平均烟温下降，燃烧器

20、区域的烟温也降低，因而对煤粉气流的着火是不利的。当锅炉负荷到一定程度时，就会危及到着火的稳定性，甚至可能熄火。因此，着火稳定性常常限制了煤粉锅炉负荷的调节范围。 二、燃煤的燃烧特性1碳氢比C/H燃煤元素分析成分的碳氢比C/H，可以表示煤的燃烧难易程度，碳氢比愈高，说明燃煤的含碳量愈高，燃烧愈困难，也愈难于燃尽。2燃料比FC/Vdaf燃料比是煤的工业分析成分中固定碳（FC）与干燥无灰基Vdaf的比值，它说明燃煤着火和燃尽的难易程度。燃煤的燃料比愈大，说明这种煤的固定碳含量愈高，挥发分含量愈少，燃煤的着火温度愈高，着火愈困难，也愈难于燃尽。3反应指数T15反应指数T15是指煤样在氧气流中加热，使其

21、温升速度达到15/min时所需要的加热温度。很显然，煤的反应指数愈大，表明这种煤越难着火和燃烧。挥发分愈低的煤，其反应指数愈高，煤的着火、燃烧愈困难，这完全符合挥发分对着火、燃烧影响的规律。但反应指数比之用常规工业分析方法测得的挥发分含量，更能准确地判断煤的燃烧性能。4燃烧分布曲线煤的燃烧分布曲线是表示煤样的燃烧速度随温度变化的关系。煤的燃烧分布曲线是对煤的着火、燃烧性能进行综合判断的依据。如果煤种的燃烧分析曲线相似，则它们在锅炉中的燃烧情况也基本相同。5热解曲线煤的热解曲线可判断煤中挥发分随温度升高析出的情况。 6煤的燃尽率曲线煤的燃尽率曲线可以判断煤燃烧的快慢和燃尽的时间。三、煤的热分解机

22、理当煤粒被加热到超过超过一定温度后，即进入热分解阶段，放出挥发分并形成焦炭。煤在热分解时放出挥发分的重量和成分与热解的条件有关。煤的结构既复杂且又极不稳定，在热分解过程中的分解方式、热解产物的数量及性质均受外界因素的影响，如升温速度、加热温度、加热时间、周围气体的压力、成分和反应器的型式、煤的颗粒尺寸和流体动力条件等。热分解的过程是使煤中的热不稳定物质不断热解挥发，剩余部分不断地缔合增碳，形成热稳定产物。煤的热分解的发生是由于加热使温度升高，分子的振动加剧，当振动强度大于键的生成能时，分子和原子间的键断裂而引起的，同时发生一系列串联或并联的化学反应。一般情况下，在105以前，主要析出水分和部分

23、气体，直到300，水分才能完全析出。在温度上升至200300时，析出的水分称为热解水，并伴有气态物质CO和CO2，还有少量焦油析出。当温度达到300550时，大量焦油和气体开始析出，并被称为初次挥发物，其主要成分为CH和同系物，及CO、CO2等。这些物质通过煤粒孔隙或燃料层向外扩散时，还有可能再次热分解或热解形成二次挥发物。当温度达到500750时，半焦开始热解，含氢较多的气体开始析出。在7591000时，半焦继续热解并析出少量含氢为主的气体，半焦形成焦炭。第四节 煤的分类及各类煤的特征一、发电用煤分类我国现行煤炭分类方法是以干燥无灰基挥发分的产率，和最大胶质层厚度作为分类标准的。此分类方法对

24、发电用煤并不完全合适。如贫煤和瘦煤，最大胶质厚度是不同的，但对于煤粉燃烧过程来说，二者几乎没有什么差别。同样，弱粘煤和不粘煤、气煤和肥煤，在燃烧特性上差别也不大。因此，对于发电用煤来说，目前的分类方法在烟煤范围内分得过细；而在无烟煤、褐煤范围内，又显得过于笼统。此外一些对锅炉燃烧过程有重要影响的特性，却没有作为分类指标。为了能更合理地利用煤炭，为运行锅炉配合质量适宜的煤种，使电厂能获得较大的技术经济效益和社会效益，西安热工研究所和北京煤化学研究院，共同提供了我国发电煤粉锅炉用煤分类GB7562-87（VAMST），如表2-3。该国标是以煤的干燥无灰基挥发分Vdaf、干燥基灰分Ad、收到基水分M

25、ar、干燥基全硫Sd.t和灰熔融性软化温度ST作为主要的分类指标，以收到基低位发热量Q.p作为Vdaf和ST的辅助分类指标。因Q.p是Vdaf、Ad、Md.t的函数，所以Q.p是一个综合指标。其数值大小标志着燃烧过程炉内温度水平的高低。表中各分类指标V、A、M、S、ST（即挥发分、灰分、水分、硫分、灰熔融性软化温度）等级的划分，是根据锅炉燃烧安全、经济性等方面的现场统计资料和非常规的煤质特性实验室指标数据，通过有序量最优化分割法计算，并结合经验确定的。二、常用的动力煤特性1无烟煤无烟煤是煤化程度最深的煤类，即含碳量最高；挥发分含量低（在10%以下）；不易点燃，燃烧缓慢，燃烧时没有烟，只有很短的

26、蓝色火焰；杂质少而发热量高；无结焦性。无烟煤呈黑色而有金属光泽；重度较大，质硬不易研磨。由于挥发分低故不易点燃，贮藏较稳定，一般不会自燃。为保证着火和稳燃，在锅炉设计中常需要采取一些特殊措施，对低灰熔点的无烟煤还须同时解决着火稳定性和结渣之间的矛盾。2烟煤烟煤是一种碳化程度较高的煤，次于无烟煤，挥发分含量范围较广（约为2040%）。表2-3 发电煤粉锅炉用煤我国分类标准（VAMST）分类指标煤种名称等级代号分级界限辅助指标界限值挥发分Vdaf超低挥发分无烟煤特级V06.5%Q.p 23MJ/kg低挥发分无烟煤1级V16.5%9%Q.p 20.9MJ/kg低中挥发分贫瘦煤2级V29%19%Q.p

27、 18.4MJ/kg中挥发分烟煤3级V319%27%Q.p 16.3MJ/kg中高挥发分烟煤4级V427%40%Q.p 15.5MJ/kg高挥发分烟褐煤5级V540%Q.p 11.7MJ/kg灰分AdAz常灰分煤1级A134%(7)灰分煤2级A234%45%(713)灰分煤3级A345%(13)表面水分Mf水分煤1级M18%Vdaf40%水分煤2级M28%12%水分煤3级M312%全水分Ml水分煤1级M122%Vdaf40%水分煤2级M222%40%水分煤3级M340%全硫Sd.t（Stz）硫煤1级S11%(0.2)硫煤2级S21%2.8%(0.20.55)硫煤3级S32.8%(0.55)煤灰

28、不结渣煤1级ST11350Q.p 12.6MJ/kg不限Q.p 12.6MJ/kg熔融性软化温度ST易结渣煤2级ST21350Q.p 12.6MJ/kg与褐煤相比，它的挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳量增加，氢和氧的含量减少。烟煤的最大特点是具有粘结性，这是其他固体燃料所没有的。应当指出的是，不是所有的烟煤都具有同样的粘结性。大部分烟煤都容易点燃，火焰长，其发热量一般比无烟煤低。外表呈灰黑色，有光泽，质较松，有的焦结性强，个别含氢量多，灰分、水分少的优质烟煤，其发热量可超过无烟煤。但是也有灰分甚高的劣质烟煤，它的发热量很低。3贫煤贫煤的碳化程度与烟煤相近，它的性质介于烟煤与无烟煤之间，其

29、挥发分含量较低（约为1020%），不易点燃；火焰较短，焦结性差。发热量介于无烟煤与一般烟煤之间。4褐煤褐煤的形成年限较短，外观呈棕褐色，无光泽，质软易碎。其碳化程度低，挥发物可达40%或更高。褐煤的挥发物开始析出温度低，容易着火。但它的吸水能力强，含水分高，多数情况下其总水分均大于20%。褐煤的含碳量低，杂质多，故通常发热量低；褐煤的机械强度很差，易破碎；在空气中易风化，且易自燃，故不宜远距离运输和长时间贮存。5低质煤就目前的技术水平而言，凡是单独燃用有困难，或燃烧不稳定，或燃烧经济性较差，或煤中有害杂质含量较高的煤，统称为低质煤（或劣质煤）。第五节 燃煤的结渣和沾污特性 燃料煤中,特别是劣质

30、煤中含有不少灰分,它由粘土,页岩,硫化物,铁和其他金属氧化物,碳酸盐及氧化物等组成.灰渣由不同温度的烟气携带通过炉膛及对流烟道,在不同的受热面上会引起结渣,沾污,积灰和腐蚀.一、燃煤的结渣机理1 结渣是指受热面上熔化了的灰沉积物的积聚,它与因受各种力作用迁移到壁面上的某些灰粒的灰分，熔融温度,粘度及壁面温度有关,多发生在锅炉辐射受热面上。固态排渣煤粉炉中，火焰中心温度可达14001600,在这样高的温度下，燃料燃烧后灰分多呈现熔化或软化状态，随烟气一起运动的灰渣粒,由于炉膛水冷壁受热面的吸热而同烟气一起被冷却下来,如果液态的渣粒在接近水冷壁或炉墙以前已因温度降低而凝固下来，那么它们附着到受热面

31、管壁上时，将形成一层疏松的灰层，运行中通过吹灰很容易将它们除掉,从而保持受热面的清洁。若渣粒以液体或半液体粘附受热面管壁或炉墙上,将形成一层紧密的灰渣层，即为结渣。结渣本身是一复杂的物理化学过程，有自动加剧的特点。2影响结渣的因素（1）燃煤灰分特性煤在燃烧后残存的灰分是由各种矿物成分组成的混合物。它没有固定的由固相转为液相的熔融温度。煤灰在高温灼烧时，某些低熔点组分发生反应形成熔融，并与另外一些组分反应形成复合晶体，此时它们的熔融温度将更低。在一定的温度下，这些组分还会形成熔融温度更低的某种共熔体。这种共熔体有进一步溶解灰中其它高熔融温度物质的能力，从而改变煤灰的成分及其熔融特性。图2-6 灰

32、锥的变形和表示熔融性的三个特性温度DT-变形温度，灰锥顶端开始变圆或弯曲时的温度t1;ST-软化温度，锥顶变至锥底或变成球形或高度等于或小于底长时的温度t2;FT-流动温度，锥体熔化成液体或厚度在1.5mm以下时对应的温度t3。目前判断燃煤燃烧过程是否发生结渣的一个重要依据是灰的熔融性。灰的熔融性是指当它受热时,由固体逐渐向液体转化没有明显的界限温度的特性。普遍采用的煤灰熔融温度测定方法，主要为角锥法和柱体法两种。由于角锥法锥体尖端变形容易观测，我国和其他大多数国家都以此法作为标准方法。角锥法的角锥是底边长为7mm的等边三角形，高为20mm。将锥体放入半还原性气体的灰熔点测定仪中，以规定的速率

33、升温，定时观测灰锥，并以灰锥在熔融过程中的3个特性温度指标来表示煤灰的熔融特性，如图2-6所示。灰的熔融性常用灰的变形温度DT，软化温度ST，熔化温度FT来表示，它们是固相共存的三个温度，而不是固相向液相转化的界限温度，仅表示煤灰形态变化过程中的温度间隔。这个温度间隔对锅炉的工作有较大的影响，当温度间隔值在200400时，意味着固相和液相共存的温度区间较宽，煤灰的粘度随温度变化慢，冷却时可在较长时间保持一定粘度，在炉膛中易于结渣，这样的灰渣称为长渣，可用于液态排渣炉。当温度间隔值在100200时为短渣，此灰渣粘度随温度急剧变化，凝固快，适用于固态排渣炉。如果灰熔点温度很高(ST1350)，管壁

34、上积灰层和附近烟气的温度很难超过灰的软化温度一般认为此时不会发生结渣,如果灰熔点较低(ST1200),灰粒子很容易达到软化状态,就容易发生结渣。而影响煤灰熔融性的因素是煤灰的化学组成和煤灰周围高温的介质的特性,煤灰的化学组成可分为酸性氧化物(SiO2，Al2O3，TiO2)和碱性氧化物(Fe2O3，CaO，MgONa2O，K2O),酸性氧化物增加灰的粘滞性，不易结渣，而碱性氧化物则提高灰的流动性，易结渣。但煤灰是多种复合化合物的混合物，燃烧时将可以结合为熔点更低的共晶体。煤灰高温介质的性质常有两种：一是氧化性介质，常发生在燃烧器出口一段距离以及炉膛出口；二是弱还原性介质。由于介质的性质不同，灰

35、渣中的Fe具有不同的形态：氧化介质中铁呈Fe2O3，熔点高。在弱还原性介质中，铁呈FeO状态，容易导致结渣。（2）炉内空气动力特性炉膛内的烟气温度以及水冷壁附近的温度工况和介质气氛等都与炉内空气动力特性密切相关.正常运行工况,高温的火焰中心应该位于炉膛断面的几何中心处.实际运行中,会由于炉内气流组织不当,造成火焰中心偏移。譬如,直流燃烧器切向燃烧室中,煤粉火炬贴壁冲墙时,会使水冷壁附近产生高温,大量灰粒子冲击水冷壁受热面:四角上的燃烧器风粉动量分配不均时,将使实际切圆变形,高温火焰偏移炉膛中心,引起局部水冷壁结渣.另外,熔渣粒子周围的气氛也是影响水冷壁结渣的一个很重要因素。粗煤粉或高煤粉的火焰

36、撞击在水冷壁所产生的还原性气氛,会促使水冷壁结渣,尤其是当燃用含硫较高的煤时.因为在还原性气氛中,灰中熔点较高的三氧化二铁被一氧化碳还原成熔点较低的一氧化铁,而一氧化铁与二氧化硅等进一步形成熔点更低的共晶体,有时会使灰熔点下降150300,结果增大了结渣的可能性.因此在锅炉运行当中,保证风粉分配均匀，防止气流贴壁冲墙，注意燃烧调整保持火焰中心的适当位置,采用合适的过量空气系数避免产生还原性气氛等都是防止结渣的有效措施.（3）炉膛的设计特性容积热强度及燃烧器区域壁面热强度数值都会对结渣产生一定的影响.譬如,q1过大时,由于炉膛容积小,受热面布置得也少,炉内温度将会增高。实践证明，这时易在燃烧器附

37、近的壁面上发生结渣。若温度过高，由于燃烧器释放的热量没有足够的受热面吸收，致使燃烧器布置区局部温度过高，也容易引起燃烧器附近水冷壁结渣。反之,若qa过低,则炉膛断面过大而高度却不足,烟气到达炉膛出口还未得到足够冷却,炉膛出口部位受热面会结渣。（4）锅炉运行负荷锅炉负荷升高时,炉内温度也相应升高,结渣的可能性也就增大。3结渣的危害结渣造成的危害是相当严重的。受热面结渣以后,会使传热减弱,吸热量减少。为保持锅炉的出力只得送进更多的燃料和空气,因而降低了锅炉运行的经济性；受热面结渣会导致炉膛出口烟温升高和过热蒸汽超温,这时为了维持汽温,运行中要限制锅炉负荷;燃烧器喷口结渣,直接影响气流的正常流动状态

38、和炉内燃烧过程；由于结渣往往是不均匀的,因而结渣会对自然循环锅炉的水循环安全性和强制循环锅炉水冷壁的热偏差带来不利影响;炉膛出口对流管束上结渣可能堵塞部分烟气通道,引起过热器偏差；另外，炉膛上部积结的渣块掉落时，还可能砸坏冷灰斗的水冷壁，甚至堵塞排渣口而使锅炉无法继续进行.总之,结渣不但增加了锅炉运行和检修工作量，严重是锅炉安全经济性，还可能迫使锅炉降低负荷运行，甚至被迫停炉.二、煤灰的结渣和积灰特性在煤粉锅炉的燃烧过程中，炉内灰沉积一般可分为结渣和沾污（积灰）两种类型。结渣是指软化或熔融的灰粒碰撞在水冷壁和主要受热面上生成的熔渣层；沾污则指煤灰中挥发物质在受热面表面凝结并继续粘结灰粒形成的沉

39、积灰层。结渣和沾污虽然形成机理不同，但它们之间是互相影响的。当沾污层厚度达一定值时，表面温度上升，使之逐步转化为液态渣层。由于炉内吸热量下降，炉膛出口烟温上升，使过热器和再热器沾污加重。因此，利用煤灰的常规分析指标，如灰的化学成分、烧结、熔融和粘度特性构成结渣和积灰的判别准则是非常重要的。（一）煤灰结渣性的常规判别准则1煤灰成分结渣指数由于煤灰中各组成成分熔点不同，铁和钙起增强结渣的作用。在还原性气氛中，熔融的铁促进结渣的早期形成；在氧化性气氛中，钙可显著降低硅酸盐玻璃体的粘度。而钾是促进玻璃体形成的助溶剂，当褐煤灰中K2O含量大于1%时，结渣性较严重。当K2O含量小于0.2%时，次烟煤灰的结

40、渣性较轻。硅一般可减轻结渣性。但硅含量过高时会产生无定型玻璃质，反而使结渣性增强。而Al2O3含量增加可减轻结渣性。因此，煤灰中酸性成分SiO2，Al2O3，TiO2比碱性成分Fe2O3，CaO，MgONa2O，K2O的熔点高,故常用碱酸比来作为结渣倾向的判别指数。即式中 B煤灰中碱性成分含量 A煤灰中酸性成分含量对于固态排渣煤粉炉，当B/A=0.40.7时，为结渣煤；当B/A=0.10.4时，为轻微结渣煤；当B/A0.1时，为不结渣煤。从防止结渣要求来看，则B/A0.5为宜。对于液态排渣炉和旋风炉，B/A1.18时，有自由SiO2存在并可能与CaO，MgO，FeO形成共晶体，使煤灰的熔化温度

41、下降，有可能出现结渣。硅比SR最初用于评价旋风炉中灰渣的流动特性，也与煤灰中氧化铁含量一起作为判别故固态排渣煤粉炉结渣倾向的指标。即研究表明，较大的硅比意味着灰渣有较高的粘度。当SR 72时不易发生结渣，当SR （CaO+MgO）的煤，Fe2O3/CaO3.0时为结渣煤。所以铁钙比越大，结渣的可能性也越大。2煤灰熔融结渣指数煤灰熔融特性温度最初用于层燃炉判别灰渣粘结性指标，现沿用于固态排渣煤粉炉用于判别结渣倾向。当灰粒处于变形温度时，具有轻微粘结性，一般只会在受热面上形成疏松的干灰沉积。当灰粒处于软化温度时，将出现大量结渣；而在流动温度下，则灰渣沿粘附壁面流动或滴落。因而，可用软化温度做是否结

42、渣的判别界线。当软化温度小于1260时为严重结渣煤；当软化温度在12601390之间时，为中等结渣煤；当软化温度大于1390时，为轻微结渣煤。美国常用结渣指标Rt和RS作为炉膛结渣的判别指标。若煤灰中Fe2O3/（CaO+MgO）1，则称其为烟煤型灰，而Fe2O3/（CaO+MgO）20%，则称其为褐煤型煤灰，不同类型煤灰其结渣指数计算方法是不相同的。对烟煤型煤灰用下式计算：式中Sd干燥基硫分，%RS的分级界限为：RS 2.6时，为严重结渣煤。对褐煤型煤灰用下式计算结渣指数Rt，即式中 STmax在氧化性气氛和还原性气氛两种测量值中较高的软化温度；DTmax在氧化性气氛和还原性气氛两种测量值中

43、较低的变形温度。当Rt 1343时，为不结渣煤；Rt =11491343时，为中等结渣煤；Rt （CaO+MgO+ Na2O + K2O）或SiO2（Fe2O3+CaO+MgO+ Na2O + K2O）则称为烟煤型灰，并呈酸性。表2-6 煤的钠和氯作为沾污判别指标的分级界限 美国西部非烟煤，Na2O美国烟煤，Cl锅炉沾污程度煤中含量（%）灰中含量（%）煤中含量（%）0.32.50.54.00.5严重如果Fe2O3（CaO+MgO+ Na2O + K2O）或SiO2（Fe2O3+CaO+MgO+ Na2O + K2O）则称为褐煤型灰并呈碱性。两种灰中钠含量作为沾污判别指标的分级界限如表27所示。

44、表27 煤灰钠含量作为沾污判别指标的分级界限烟煤型灰褐煤型灰灰中Na2O含量（%）锅炉沾污程度灰中Na2O含量（%）锅炉沾污程度0.5低2.5严重8严重由表可知，在沾污程度相同的条件下，褐煤型灰需要的含钠量要高些。应指出的是，表中烟煤型灰的分级界限较为保守，实际运行中许多烟煤灰中Na2O含量为1.0%2.5%时，炉内沾污仍很轻微。煤灰对高温受热面的沾污可用沾污指数Rf和Rf表示。即和式中 Na2O煤灰中Na2O成分的干燥基重量百分数，%；（Na2O）ws煤灰中水溶性钠含量，%。煤灰成分沾污指数的分级界限如表28所示。此表适用于烟煤型灰沾污性的判别，对褐煤型灰，表中 Fy不适用，而Fy可能会适用

45、。表28 煤灰成分沾污指数Fy和 Fy的分级界限Fy Fy锅炉沾污程度0.2 1.00.7严重2煤灰和飞灰烧结强度煤灰和飞灰烧结强度是一种直观的沾污判别指标，美国B&W公司以飞灰烧结强度作为判别粘污准则的分级界限，如表29所示。表29 飞灰烧结强度的分级界限沾污类型烧结强度（MPa）轻110.3我国西安热工研究院研究了我国典型煤种试验数据，回归分析得出煤灰烧结强度为：（1）对高铁型灰，即煤灰中Fe2O3（CaO+MgO+ Na2O + K2O）时，烧结强度为a=90365 Fy2.811 kg/cm2（2）对高钙型煤灰，即灰中Fe2O3（CaO+MgO+ Na2O + K2O）时，烧结强度为

46、kg/cm2根据这些回归公式推算，对中国煤灰的沾污指数范围比国外推荐值还严格。当以试验所得烧结强度a=10 kg/cm2作为判断煤灰是否容易沾污的依据时，则高铁型灰Fy0.04，高钙型灰Na2O含量0.2%的煤为不沾污煤灰，超过此值的煤均有一定的沾污倾向。第六节 煤质和煤种变化对锅炉运行的影响燃料的种类和性质对锅炉燃烧设备的结构选型，受热面布置，以及运行的经济性和可靠性都有很大的影响。依照目前对燃料的常规分析项目来看，因为煤的燃烧，除部分固定炭和游离氢外，煤中各元素成分大都不是以单质状态燃烧，而是以复杂的有机化合物参与燃烧，其燃烧过程与工业分析中成分析出过程大致相同。因此，直接影响锅炉燃烧和运

47、行稳定性和经济性的因素，主要是煤的工业分析成分，即挥发分，水分和灰分的影响。此外，灰的熔化性质及煤灰的组成成分对炉膛结渣和受热面沾染关系密切，煤中含硫会引起低温受热面的积灰和腐蚀，以下就这些方面分别予以分析说明。一、挥发分的影响失去水分的煤样，在隔绝空气下和90010温度下加7分钟热时使煤中有机物分解而析出的气体产物，就是挥发分。挥发分是由各种碳氢化合物，一氧化物，硫化氢等可燃气体所组成，还有少量的氧，二氧化碳和氢等不可燃气体。固体燃料的挥发分含量与燃料的地质年代有密切关系。地质年代越短，即燃料的碳化程度越浅，挥发分含量便越高，这是因为煤中所含各种气体本身就有挥发分，埋藏时间越短，它受大自然干

48、馏挥发得少，所以含量便大。而且不同地质年代燃料析出挥发分的温度是不同的。地质年代较短的燃料，不但挥发分含量多，而且在较低温度（200）下就迅速析出。地质年代长，挥发分含量少的无烟煤则要到400左右才开始析出挥发分。挥发分燃烧时放出的热量取决于挥发分的组成成分。不同燃料的挥发分的热量差别很大，低的只有17000kJ/kg（4000kal/kg），高的可达71000 kJ/kg（17000kal/kg），它与挥发分中氧的含量有关，因而也与煤的地质年代有关。含氧量少的无烟煤的挥发分，其发热量很高.而含氧量多的褐煤，其挥发分的发热量则较低。煤的挥发分含量是评定其燃烧性能的首要指标。不同煤种挥发分含量也

49、不同。从表210中可以看出不同煤种的挥发分特性。表210 不同煤种的挥发分特性煤种挥发分开始逸出温度（）挥发分发热量（MJ/kg）无烟煤40069.08贫煤32039054.4356.52烟煤21026039.3648.15长焰煤17035.59褐煤13017025.75挥发分含量高的煤，很容易着火燃烧。挥发分着火后对燃烧的未挥发部分进行强烈加热，可使它迅速着火燃烧。挥发分析出后，燃料会变得比较松散，孔隙较多，增加了燃料的燃烧面积，加速了燃烧过程。挥发分低的燃料不易着火燃烧，其燃烧速度较慢。随着挥发分含量的减少，煤粉的着火温度显著增加。有的资料认为：高挥发分煤粉的着火温度约在800左右，低挥发

50、分煤粉的着火温度可达1100。挥发分含量对着火过程的影响是：挥发分含量增加，着火速度加快。所以煤的着火特性主要取决于挥发分的含量。挥发分含量对煤粉的燃尽度也有直接的影响。挥发分含量愈高，一般灰渣未完全燃烧热损失就愈小，从一些中容量固态排渣煤粉炉调查研究的结果来看，飞灰可燃物的含量是随燃煤的挥发分含量增加而减少。燃料的挥发分也是对燃烧器选型、布置，炉膛形状，制粉系统型式及防爆措施的设计依据。二、水分的影响煤的水分是评价煤炭经济价值的基本指标，它既是数量指标又是质量指标。燃煤中的水分是惰性物质，它的存在会使煤的低位发热量下降，因为计算低位发热量时要扣除水分的蒸发潜热（即扣除汽化潜热）。燃煤所含的水分，通常按其存在的状态和分析方法分为两部分。按收到基成分来讲，一部分称为内在水分或固有水分，即在大气状态下风干后的煤所保持的吸附水分，即燃煤分子中以化学力吸附在煤内部小毛细管中的水分。另一部分称为外在水分，即燃煤表面及颗粒之间所保持的水分，它随外界环境而有较大的变动。这两部分水气之和称为煤的全水分。收到基内在水分按其直接测定方法也常用空气干