火电厂燃煤特性对锅炉运行和设备影响讲义

火电厂燃煤特性对锅炉运行和设备影响讲义内容中国动力用煤分布及其主要特征煤质基本特性及影响炉内结渣对锅炉运行的影响中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标我国大容量电站锅炉燃用主要煤种存在的问题混煤燃烧结渣性能评价不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩我国大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型原则TPRI煤性-炉型耦合体系在工程中的应用（炉膛选型）实效A.中国动力用煤分布及其主要特征中国煤炭储量、产量和发电用煤量探明保有储量10000亿吨以上，居世界第二，仅次于美国其中动力煤占全国煤炭储量70%以上西北、华北动力煤储量占全国的80%以上。工业发达的华东地区仅占1.73%2009年，中国原煤产量约30.5亿吨，比上年增加8.8%2009年6000千瓦及以上机组用煤14亿吨，比上年增加6.08%A.中国动力用煤分布及其主要特征A.中国动力用煤分布及其主要特征煤种无烟煤贫煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐煤主要分布地区山西（40%）贵州（30%）山西（60%）陕西（50%）山西（40%）内蒙+陕西（>50%）新疆（50%）内蒙北部（70%）其它地区河南、四川、云南、河北、北京、福建、广东、湖南河南、陕西宁夏、甘肃、新疆内蒙、山西、东北三省、甘肃、陕西云南、东北三省、山东、广西、广东不同煤种主要分布地区A.中国动力用煤分布及其主要特征中国聚煤区划分示意图

I——东北内蒙古晚侏罗世聚煤区II——西北早、中侏罗世聚煤区

III——华北石炭二叠纪聚煤区IV——滇藏中、新生代聚煤区

V——华南晚二叠世聚煤区VI——台湾第三纪聚煤区A.中国动力用煤分布及其主要特征灰分小于10%的特低灰煤占20%以上；硫分小于1%的低硫煤约占65%-70%；硫分1%-2%的约占15%-20%。高硫煤主要集中在西南、中南地区。华东和华北地区上部煤层多低硫煤，下部多高硫煤。形成时代越早的煤，煤化程度越高。成煤时代越晚的煤，一般平均灰分越低。A.中国动力用煤分布及其主要特征A.中国动力用煤分布及其主要特征我国现行的煤炭分类中常作为动力用煤的有无烟煤、贫煤、贫瘦煤、弱粘结煤、不粘结煤、长焰煤和褐煤。无烟煤。煤化程度高，挥发分低Vdaf≤10%,含碳量高达90％，含氢量Hdaf一般小于4％，氧和氮比其它煤种低，抗粉碎能力高，燃烧时不易着火，化学反应性差，储存时不易自然。贫煤。Vdaf=10.1～20％，含氢量Hdaf一般4％～4.5%，着火温度高，比无烟煤易着火。A.中国动力用煤分布及其主要特征贫瘦煤。高变质程度的烟煤，单独炼焦时，大部分能结焦。Cdaf和Hdaf都比贫煤略小，燃烧后有时会结成块状物，通常ST比较高。弱粘结煤。是一种粘结性较弱的低变质到中等变质程度的烟煤，挥发分Vdaf为22～37％。加热时产生胶质体较少，炼焦时产生粉焦多。易着火，燃烧性能好。A.中国动力用煤分布及其主要特征不粘结煤。变质程度较低的中高挥发分烟煤，挥发分Vdaf为22～37％。一般水分比较大，发热量较上述低，但易着火，燃烧时火焰较长。长焰煤。变质程度较低，挥发分最高的烟煤，挥发分Vdaf为>37％。水分仅次于褐煤，发热量比褐煤高，有些煤还含有少量次生腐殖酸。易着火，燃烧性能好，火焰长。A.中国动力用煤分布及其主要特征褐煤。经过成岩作用，但没有或很少经过变质作用而形成的煤，含水量Mt高达45％。含碳量较低，挥发分Vdaf为>37％，低位发热量Qnet,v,ar大多为10.45～16.73MJ/kg。风干时易爆裂成碎煤。碱金属较多，灰熔融性温度较低。堆积密度较小，给运输造成困难，贮存时易自然。B.煤质基本特性及影响煤自燃的原因首先由煤的性质决定。煤的变质程度，变质程度低，自燃倾向大。与矿物质含量、粒度和含水量等有关。空气和水是自燃的主要原因煤与空气接触后氧化放热。同时煤堆内水分受热蒸发并在煤堆高处凝结释放大量的热量煤中的黄铁矿也会因受热氧化而放出热量B.煤质基本特性及影响煤自燃的预防措施组堆的工艺过程。减少空气与雨水渗入煤堆，对褐煤和长焰煤分层压实组堆气候条件。温度、降雨等。建立定期测温制度。60℃极限温度，每昼夜平均温度连续增加高于2℃（与环境温度无关）时，立即消除祸（未着）源及时消除自燃祸源。挖出散热，供锅炉燃烧。不要向煤中加水，否则加速氧化和自燃B.煤质基本特性及影响煤中水分变化对锅炉运行和设备的影响水分增加，导致原煤仓下煤困难制粉系统干燥出力不足，要求风压增加，流速增加，磨煤机及管道磨损增加对着火有影响，炉膛温度下降，固体不完全燃烧热损失增加烟气量增加，锅炉排烟损失增加，引凤机电流上升烟气中水露点温度上升，造成酸露点温度增加，当受热面温度等于或低于酸露点温度(40℃)后，硫酸蒸汽在受热面上冷凝，积灰，造成低温腐蚀和堵灰。烟气侧阻力增加，引凤机电流上升B.煤质基本特性及影响水蒸气对烟气酸露点温度的影响ts=tb×(Szs,ar)1/3×B/1.05(Azs,ar×C)式中:ts—烟气中酸露点温度,℃;tb_—水蒸气饱和温度,℃;Szs,ar—煤中折算硫分,%;B—空气过剩系数修正值,/;C—飞灰分额，%；Azs,ar—煤中折算灰分,%。B.煤质基本特性及影响煤中灰分变化对锅炉设备和运行的影响灰分增加，燃烧不稳定，炉膛温度降低，煤粉燃烧困难。排灰量大，固体不完全燃烧热损失增加。事故率增加。输煤、制粉、锅炉受热面、引凤机和除尘磨损严重，引起设备损坏检修锅炉效率下降。炉内积灰、沾污较重，传热效果变差，耗煤量大，排烟温度增加环境污染。电厂粉尘和灰渣量增加基建投资增加B.煤质基本特性及影响煤中挥发分变化对锅炉运行的影响挥发分高易着火，反之亦然。与炉膛形状，容积热负荷、卫燃带的形式与大小、煤粉细度、热风温度、喷口风速、防爆措施等有关无烟煤与贫煤、贫煤与烟煤、烟煤与褐煤混配比较合适，不提倡跨等级掺配。防止挥发分较高的煤种燃烧时抢风，影响低挥发煤种的燃烧。掺配煤尽量接近设计和校核煤种的挥发分B.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响硫分为四类：St=SO+SP+SS+SESt煤中全硫，＜1%，有机硫为主，＞2%，黄铁矿硫为主60~70%，有机硫为30~40%SO有机硫，490℃左右热解完毕SP黄铁矿硫，580℃左右热解完毕SS硫酸盐硫，硫酸钙大于1450℃，硫酸镁1110℃，SS一般不超过0.1~0.2%SE元素硫，很少，可忽略不计B.煤质基本特性及影响

500MW机组锅炉腐蚀泄漏主爆口向火侧主爆口横向条纹横向条纹向火侧爆口金相A取样点能谱分析垢样取样点图1送检管样宏观照片B.煤质基本特性及影响硫化物型腐蚀通常在壁面附近烟气中氧量较低并存在还原性气氛，则煤中可燃硫会生成少量的H2S，当燃煤硫含量较高时，H2S的含量也较高。H2S是导致受热面高温腐蚀的主要因素之一。在水冷壁附近易形成局部还原性气氛，当管壁温度达到450℃左右时，H2S可以与金属铁与氧化铁反应生成硫化铁，然后硫化铁与纯金属反应生成低熔点的共晶体，发生腐蚀。反应方程式如下：B.煤质基本特性及影响FeS再继续氧化成Fe2O3,使壁面受到破坏。这个腐蚀过程在近350℃及大于以上温度时进行的很迅速。硫酸盐型腐蚀当水冷壁管壁温度在310~420℃下，正常的氧化使管壁面形成Fe2O3层，燃料燃烧时升华出来的硷性金属氧化物Na2O及K2O，凝结在管壁上，然后与烟气中的SO3化合形成Na2SO4及K2SO4（M2SO4用表示）。M2SO4有粘性，可扑捉灰粒，粘结成灰层，于是灰表面温度上升，外面形成渣层，最外层成流渣层。然后烟气中的穿过灰渣层，在灰渣层内部发生以下反应：3M2SO4+Fe2O3+3SO3

→2M3Fe(SO4)3(结积渣层中)（管壁氧化层）（烟气中）（固态）B.煤质基本特性及影响B.煤质基本特性及影响管壁再向内形成新的Fe2O3，而灰渣层内部存在有M3Fe(SO4)3及M2SO4。这样，形成了管壁金属的腐蚀过程。如进行打渣，渣层脱落，则将加速上述过程，而使管壁腐蚀加剧。水冷壁管应力腐蚀、外部腐蚀基本上是由上述两种原因引起的。B.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响磨煤机及管道的磨损，黄铁矿莫氏硬度6.0～6.5，石英为7.0引起锅炉高温和低温腐蚀。高温受热面硫化腐蚀和硫酸盐腐蚀，空气预热器低温腐蚀、堵灰，漏风导致引风机电流上升，燃烧空气量不足等在还原性气氛中铁的熔点减低，引起结渣。同时增加灰渣的强度促进煤的氧化自燃。对于变质程度较浅的煤其黄铁矿氧化自燃烟气中的硫化物污染大气B.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响煤中含硫量增加，导致灰熔融性增加结渣指数RS=碱性氧化物/酸性氧化物×Sｔ,ｄ当煤中灰成分一定时，结渣指数取决于煤中含硫量的高低B.煤质基本特性及影响煤中发热量变化对锅炉运行的影响煤的发热量过低于设计和校核煤种时，磨煤机需要超负荷运行,长此以往导致磨煤机及系统磨损增加，严重时影响锅炉带负荷为满足锅炉负荷要求，煤粉细度变粗，固体不完全热损失增加。对ST较低的煤种可能引起结渣如果是灰量增加所引起发热量低，则可能引起炉内磨损，大渣和飞灰量增加，考虑系统是否满足出力要求

煤灰熔融温度（ST），℃＞1500≥1350～1500≥1250～＜1350≥1150～＜1250＜1150无烟煤（%）

32.5524.4114.1722.316.56烟煤（%）

33.2323.7013.5616.8412.67褐煤（%）

21.1319.7228.1725.355.63低灰熔点煤ST≤1250℃在我国动力用煤中所占比例大约在30%左右，见上表我国不同类别煤的灰熔融温度分布范围B.煤质基本特性及影响C.炉内结渣对锅炉安全的影响一般水冷壁污染数小时后其传热能力会降低30%~60%。炉内结渣砸坏冷灰斗水冷壁管冷灰斗大量积渣，压塌冷灰斗，水冷壁断裂，水蒸汽大量外泄，造成锅炉损坏和人员伤亡冷灰斗大量积渣，停炉清渣(XIN,TIE.ETC)大渣下落造成炉膛灭火在喷燃器出口处，可能会因结渣而扰乱煤粉气流的正常喷射，引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器对流受热面塌灰导致引风机工作状态发生急剧变化，引起锅炉灭火事故等350MW机组屏下轻微结渣屏过下部屏过下联箱出口350机组神华煤混煤掺烧印尼煤燃烧器喷口

后墙燃烧器区域水冷壁水冷壁管比温度高引起高温爆管

锅炉水冷壁管爆口形状水冷壁管比温度高引起高温爆管锅炉水冷壁爆管爆口形状锅炉水冷壁高温、腐蚀及应力作用下的爆管

锅炉水冷壁管腐蚀、撕裂爆管形状350机组神华煤混煤掺烧印尼煤熔融性渣块国内600MW机组锅炉冷灰斗坍塌C.炉内结渣对锅炉运行的影响炉内结渣热阻增大，引起炉膛出口、排烟温度升高，炉效降低，影响锅炉运行经济性再热器大幅度投减温水降低了机组的效率，影响机组的经济性炉内火焰中心向后推移，引起受热面高温腐蚀高温受热面管壁超温125MW机组锅炉对流受热面结渣和沾污高过烟气入口侧高再烟气入口侧低再垂直管段高再烟气出口侧高温及腐蚀引起管壁减薄、胀粗

高温再热器管弯头明显胀粗过热器直管管壁减薄煤燃烧、结渣研究技术路线图

D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标特征评价指标基本数据的获取按GB进行常规分析并计算，可得指标：Vdaf、Qnet,ar、Mt、Ad、ST、DT、（1）燃尽率B已燃烧的可燃质占初始可燃质的百分数，其值越高，煤的燃尽特性越好。（2）煤粉气流着火温度IT煤粉气流着火温度测定炉测出的在特定条件下煤粉气流的着火温度，其值越高，煤粉气流着火越难。（3）结渣指数Sc一维火焰炉渣型对比法所得的TPRI结渣指数。结渣D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标源上沉积的灰渣依照其粘结的紧密程度由强到弱可分为熔融、粘熔、强粘聚、粘聚、弱粘聚、微粘聚和附着灰等7个等级。（4）反应指数RI、燃尽指数Cb热重分析可测反应指数越大，煤样着火越困难。燃尽指数Cb。该指数越大，煤样燃尽越难。（5）灰熔点类型结渣指数RT灰熔点类型结渣指数RT由弱还原性气氛和氧化性气氛下测定的变形温度DT和软化温度ST确定：D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标RT=（STmax+4DTmin）/5式中：STmax——在弱还原性气氛和氧化性气氛中测得较高的软化温度，℃；DTmin——在弱还原性气氛和氧化性气氛中测得较低的变形温度，℃。（6）灰成份类型结渣指数碱酸比B/A＝（CaO＋MgO＋Fe2O3＋K2O＋Na2O）／（SiO2＋Al2O3＋TiO2）D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标硅比Sp＝SiO2／（SiO2＋Fe2O3＋CaO＋MgO）FKNA指数＝（Fe2O3＋Na2O＋K2O）／Al2O3Rz指标＝1.24（B／A）＋0.28（SiO2／Al2O3）－0.0023ST－0.019Sp＋5.4TGS热重分析可测：Rw、Rj煤灰高温导电仪可测：Tp比磁化仪可测：磁导率D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标1MW半工业性煤粉燃烧试验台1——燃烧器2——炉顶3——炉体4——前转向室5——过热器6——后转向室7——空预器8——水平烟道9——烟气冷却器D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标一维火焰炉渣棒结渣情况（神华煤）

D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标煤的着火I区：IT>800℃,Vdaf<15%:较难着火煤类II区：IT=800~700℃,Vdaf=10~25%:中等着火煤类III区：IT<700℃,Vdaf>20%:较易着火煤类D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标严重结渣三角区判据（ST-DT）<（618-0.47ST）可判别为严重结渣D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标

5.主要煤种燃烧结渣特征无烟煤燃烧结渣特征无烟煤是埋藏年代最久，碳化程度最高的煤种，可燃质中碳含量约93-98%，一般以挥发分Vdaf≤10%作为无烟煤的标志；Vdaf在6%以上的大部分无烟煤燃烧性能较好；Vdaf在2~5%的无烟煤——湖南煤燃烧性相对较好，而河北峰峰、福建等煤燃烧性较差；HGI一般在60以上，但阳城等部分煤仅30~45；贵州、云南、四川等地高硫煤（St,ar>2%)具有低熔点(ST<1250℃)、高含Fe2O3灰、易结渣性能。其他大部分无烟煤ST大于1400℃。D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标

贫煤燃烧结渣特征贫煤:其碳化程度略低于无烟煤的煤种，挥发分Vdaf＞10~20%。动力用煤中，贫煤尚包括Vdaf为14~20%、胶质层厚度比贫煤略大的瘦煤，其牌号为P和S。贫煤是主要的动力煤种；国内贫煤燃烧性能均较好；HGI一般在80以上；陕西、河南等地高硫煤（St,ar>2%)具有中等熔点(ST>1350℃)、中等结渣性能。其他大部分贫煤ST大于1400℃。D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标

烟煤燃烧结渣特征它是碳化程度中等的煤，包括挥发分14-30%的焦煤（牌号为J）直到挥发分>37%的长焰煤（牌号为C）之间的所有煤种；易~极易燃烧性能，有易自燃、爆炸倾向；HGI一般在50以上；侏罗纪煤Ad一般<15%，但易结渣，其中神华煤灰具高CaO特性，而大同煤灰具高Fe2O3性，其熔点ST<1250℃;石炭纪煤(府谷、保德、大同等）均为低结渣性能，Ad一般>20%。D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标

褐煤燃烧结渣特征其是碳化程度较低的煤种。挥发分Vdaf为40-50%甚至更高。极易燃烧性能，有极易自燃、爆炸倾向；HGI一般在50以上；内蒙、云南等大部分褐煤Mt可达30%以上，Ad一般<20%，极易结渣，其熔点ST<1200℃;东北Ad>30%的老年褐煤，Mt<25%，具高结渣性，ST最高可>1400℃。E.我国大容量电站锅炉燃用主要煤种存在的问题烟煤炉膛、过热器结渣，再热器超温,灰水管结垢：神华等煤；无烟煤炉膛结渣、燃烧经济性差：阳泉、贵州无烟等煤无烟煤锅炉出力不足：阳城等煤（HGI）褐煤锅炉出力不足：新疆哈密、内蒙等地煤（Mt）F.混煤燃烧结渣性能评价混煤特性参数变化：混煤基本参数可与单样参数加权平均接近——如M、A、Q、V、S、HGI等；着火稳定性——通常混煤介于各单一煤种之间；燃尽性能——各单一煤种性能差别过大时，由于易燃煤种“抢风”，使难燃煤种燃尽更加困难，导致混煤燃尽性能急剧下降；结渣性能——由于各煤灰成分不同，一但形成共熔体，混煤的结渣性可能高于所有单一煤种。灰组份的熔点温度及化学特性

元素氧化物熔点(℃)化学特性化合物熔点(℃)SiSiO21715酸性Na2SiO3877AlAl2O32043酸性K2SiO3977TiTiO21838酸性Al2O3-Na2O-6SiO21099FeFe2O31566碱性Al2O3-K2O-6SiO21149CaCaO2521碱性FeSiO31143MgMgO2799碱性CaO-Fe2O31249NaNa2O1277℃升华碱性CaO-MgO-2SiO21390kK2O349℃分解碱性CaSiO31540F.混煤燃烧结渣性能评价F.混煤燃烧结渣性能评价F.混煤燃烧结渣性能评价混煤燃烧结渣性能评价方法采用以燃烧试验为基础的评价方法，主要试验：一维火焰炉或1MW半工业性试验炉以煤灰导电性为结渣辅助判别试验以数据库形式，不断进行数据积累，并完善各类指标。F.混煤燃烧结渣性能评价示例F.混煤燃烧结渣性能评价示例F.混煤燃烧结渣性能评价示例1MW试验炉得出过热器积灰情况F.混煤燃烧结渣性能评价示例1MW试验炉得出的炉内结渣情况G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩

1.几种掺烧原因煤源：燃烧特性相差较大煤种的掺烧采用掺烧方案降低炉内结渣趋势采用掺烧方案提高火焰稳定性采用掺烧方案降低硫排放及其他G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩2.三种主要混煤方案是：采用不同制粉系统，不同燃烧器分别燃用煤种，使煤种在炉内燃烧过程中混合(可随时根据负荷等调节比例）用于燃烧特性相差较大的、直吹式制粉系统G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩上层燃烧器燃烧其他煤，下部燃烧器燃烧易结渣煤（如神华煤）。上海地区电厂多采用该类方案，其基本思想是：下部燃烧温度偏低，有利于防止结渣。由于下部煤种总是要经过高温区，所以该方案对部分电厂并不理想。下层燃烧器距冷灰斗折点较小的锅炉禁用该方案；上部燃烧器燃用易结渣煤（如神华煤），下部燃用其他煤种。应用电厂不多，但效果较好。如南通电厂、利港电厂（试烧时）；G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩预先进行煤种混合:在煤矿或煤炭中转过程中混合：目前神华侏罗纪煤与神华石炭煤即以该方案掺烧，其掺配地点在秦皇岛和黄骅港煤码头，沿海较大量电厂均燃用该类煤。在配煤比例适合的情况下，可有效缓解结渣问题；

电厂煤堆上混合，国外较多电厂采用;在上煤过程中掺配：用于煤种差异较大、中储式系统，或无法实现炉内混合及煤矿预混时采用。如华能南通（贫+无烟煤）、丹东（烟+无烟煤）G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩间断性掺烧：间断燃烧易结渣煤（如神华煤）与其他不易结渣煤种，有珠江电厂和汕头电厂等，运行中问题不大。4.注意为解决结渣问题，不论采用何种掺烧方式，备用系统（及对应制粉系统）选择中部燃烧器对缓解结渣有较大好处。另外，在掺烧初期应注意煤种转换引起的结渣区域变化，从而使短时间内渣量过大等问题。G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩5.掺烧可行性研究应明确如下问题：掺烧要解决的问题，或优点；掺烧可能给锅炉运行（包括燃料制备、燃烧过程的炉内情况、汽水系统