煤对燃烧及设备的影响

煤对燃烧及设备的影响火电厂煤质检测主讲：李春艳2/6/20231吉林省电力科学研究院一、火力发电厂生产过程2/6/20232吉林省电力科学研究院1、火力发电厂的生产过程2/6/20233吉林省电力科学研究院2、火力发电厂生产流程2/6/20234吉林省电力科学研究院二、锅炉的工作过程2/6/20235吉林省电力科学研究院1、锅炉2/6/20236吉林省电力科学研究院2、锅炉的组成2/6/20237吉林省电力科学研究院3、锅炉的工作系统3、锅炉的工作系统2/6/20238吉林省电力科学研究院4、锅炉的工作过程

锅炉是重要的热能供应设备，也是一种能量转换设备。在锅炉中燃料的化学能通过燃烧转化为热能，又通过传热过程将热能传递给中间载热体（水和蒸汽），依靠过热蒸汽将热能输送出去。2/6/20239吉林省电力科学研究院三、燃料的燃烧

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燃料中的可燃物质是由多种碳、氢、氧化合物和氮、硫化合物组成的具有胶态特性的有机复合体。工业分析组成：挥发分和固定碳元素分析组成：碳、氢、氧、氮、硫燃料的燃烧过程是燃料中的可燃物质同空气中的氧燃烧发生化学反应放出热量的过程。研究燃烧的目的就是尽可能地使燃料在锅炉的炉膛内迅速而又良好地燃烧，将化学能最迅速而又最大限度地转化为热能。燃烧必备三个条件：可燃物质、氧化剂、热源燃烧过程：煤炭在炉内燃烧一般要经过四个阶段：（1）干燥阶段。煤从炉膛内吸收热量，温度升高，水分被蒸发。2/6/202311吉林省电力科学研究院

（2）挥发分析出及其燃烧阶段。煤中水分蒸发完后，煤继续升温，挥发分随之不断析出，当温度达到着火温度时，逸出的挥发分在煤颗粒表面开始燃烧。（3）焦炭燃烧阶段。煤中挥发分析出后形成焦炭，焦炭表面温度进一步上升，便开始燃烧并放出大量热量。（4）燃尽阶段。当焦炭燃烧到一定时间后，大部分含碳物质已燃烧完，只有少量焦炭继续燃烧直到燃尽。2/6/202312吉林省电力科学研究院

煤的燃烧过程：

（1）干燥阶段

（2）挥发分析出及其燃烧阶段（3）焦炭燃烧阶段（4）燃尽阶段

碳CO2COO2空气冲刷灰壳2/6/202313吉林省电力科学研究院四、煤对燃烧及设备的影响

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综上所述，煤是锅炉燃烧的必要条件，没有煤中的可燃物质无从谈及燃烧，电力用煤的诸多特性对燃烧及设备产生不同程度的影响，在电力锅炉设计时，要求提供以下煤质特性指标：(1)煤的工业分析即水分、灰分、挥发分、固定碳；(2)煤的元素分析即碳、氢、氧、氮、硫；(3)煤的发热量；(4)煤的哈氏可磨性指数；(5)煤灰熔融性；(6)煤灰成分，包括二氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁、三氧化硫、氧化钠、氧化钾、二氧化钛等。除上述各特性指标值外，有时还需要提供煤的磨损指数、灰的比电阻、游离二氧化硅等。煤在锅炉中燃烧的特性可以根据其元素分析、工业分析结果及其他有关数据来判断，如水份、挥发份、灰份、硫和氮的含量、煤灰熔融性、煤的焦结性等，现将这些因素对煤燃烧特性及设备的影响分述于下：1.水分水是煤中的不可燃成分，煤中水分有内在与外在之分。在一定条件2/6/202315吉林省电力科学研究院

下，煤样与周围空气湿度达到平衡的所失去的水分，称为外在水分。煤的外在与内在水分的总和，则称为全水分。煤的内在水分随煤的变质程度加深而减少，褐煤内在水分最大，无烟煤最小，煤的外在水分随煤的开采、加工及环境条件不同而变化，例如洗选煤、置于多雨水的环境条件下，煤的外在水分就大。煤中水分越大，也就意味着将更多的不可燃成分运进电厂，从而增大运输量及经济负担。水份较多的煤因水份占去了原来的可燃质可以占据的份额的一部分，发热量会相应地低些，在燃烧中水份多时，经过较长的时间才能蒸发完，因此着火慢，比较难于燃烧。此外，以发一定的热量来说，水份多时，烟气体积较大，因此烧这种煤的锅炉的烟道尺寸须设计得较大。此外，烟气体积大也增大了2/6/202316吉林省电力科学研究院

通风设备的规模及能耗。煤中含水多，则锅炉烟气量大，由烟气带走的热量也越多，从而加大了排烟热损失。在燃用水份过高的煤时，有时在锅炉中很难燃烧，必须在燃烧前预先如以干燥才行。电厂通常燃用原煤、洗混煤等，它们要经过输煤、给煤、碎煤、制粉一系列工艺流程将煤加工成粉供锅炉燃用。如煤中外在水分过大，则极易造成电厂输煤、给煤系统的运行障碍。另一方面，煤中水分含量过低也有不足，一是锅炉火焰中含有水汽对煤粉的悬浮燃烧能起催化作用；二是煤中含有适量的水，有助于降低煤尘的污染。水分还是露天存煤引起氧化的主要原因，特别是对于黄铁矿含量高的煤，加剧了其氧化自燃的倾向。2/6/202317吉林省电力科学研究院

总之，电力用煤的全水分宜控制在5%～8%，当煤的外在水分达到10%左右时，则对电厂煤系统的正常运行产生不利影响。2.灰分与发热量灰分也是煤中的不可燃成分，电力用煤的灰分常常达20%～30%。煤的灰份多，表示它的可燃质少，发热量低。产生同样多的热量，运输、煤粉制备系统、除灰渣的系统的任务都比较重。这样的煤的惰性物质多，不宜远运。燃烧后烟气中灰粒也自然较多，使受热面容易磨损。一座1000MW的电厂，日燃用天然煤按10000t计，设灰分为25%，则就意味着该电厂平均每天要运进2500t灰，而煤燃烧后，这些灰要从炉内带走大量热量，而排至炉外的灰还得通过各类除尘设备将其中约99%的灰收集下来(电除尘器的除尘率约为99%)，然后借助水力将灰及渣通过排灰管送至贮灰场，电厂将投入大量的人力、物力、资金用于灰的收集、输送与贮存，故电厂不宜使用高灰分煤。否则，它将会对电力生产的各个环节产生2/6/202318吉林省电力科学研究院

严重影响。除上述影响外，煤中灰分含量增高，还增加磨煤机能耗，引发或加剧锅炉结渣等。一方面，电厂不宜燃用高灰煤；另一方面，电厂也不宜燃用低灰的精煤。精煤的发热量一般比原煤高30%左右，而价格则比原煤要高50%～60%，甚至更高，故电厂设计时就不选用精煤，故低灰精煤一般也不符合锅炉设计煤质，而且一旦燃用高热低灰煤时，造成炉温增高，很易引起或加剧锅炉的结渣。综上所述，电厂宜用中灰、中热量的煤。现在电厂的燃煤干基灰分Ad多在20%～30%，干基高位发热量Qgr,d多在23～27MJ/kg。由于烟煤通常占电力用煤的90%左右，上述指标值主要是针对烟煤而言。而褐煤设计就确定燃用褐煤或无烟煤，则另作别论。3.硫及氮2/6/202319吉林省电力科学研究院

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。硫的危害正在日益为人们所认识，控制进厂煤的含硫量，加强煤中含硫量的检测是极其重要的。煤中硫分可燃硫与不可燃硫，一般说来，煤中可燃硫所占比重很大，常常达90%左右。在高温下，煤中可燃硫燃烧产生二氧化硫，并伴有少量三所化硫(约相当于二氧化硫量的1%～2%)产生。二氧化硫是对大气污染的主要污染物，是形成酸雨的主要来源，而大范围的酸雨将对生态环境有着极大的破坏作用。空气中含有较高浓度的二氧化硫，将对人的呼吸系统产生严重影响。电厂锅炉如燃用高硫煤，一方面，电厂烟气中二氧化硫含量过高而污染环境；另一方面，由于硫的氧化作用，锅炉尾部受热面易产生腐蚀与堵灰，缩短低温段空气预热器寿命。同时煤中硫的增高2/6/202320吉林省电力科学研究院

易加剧锅炉结渣及原煤与煤粉的自燃倾向。煤中不可燃硫则转入灰渣中。含硫量高的煤还会增加制粉系统的磨损。煤中硫含量高，表明煤中黄铁矿硫较多，煤中黄铁矿、石英等硬度很高，它们是产生金属磨损的主要原因(黄铁矿的莫氏硬度为6～6.5，石英为7)。磨损指数AI与煤中可燃硫，灰中氧化铁含量成为相关性。AI＝10.15S,cad＋31.5(r＝0.50)AI＝3.71Fe2O3＋41.0(r＝0.47)因此煤中硫的存在对金属材料的磨损起到相当大的作用，含硫量越高，测得金属材料磨损指数AI就越大，煤中黄铁矿及石英含量增加，煤的磨损性就增加，煤的灰分增多，磨损性也增加。

虽说可以采取烟气脱硫装置降低二氧化硫的排放量，但由于烟气脱硫装置投资及运行费用很高，技术上也存在相当难度，故电厂在短期内还是寄希望选用低硫煤。2/6/202321吉林省电力科学研究院

为了控制环境污染，我国环境保护有关法令、标准严制限制电力用煤中的含硫量。各个电厂燃煤中的含硫量随电厂所处地理位置不同而不同，大城市、旅游区附近的电厂必须燃用低硫煤。对电厂来说，煤中含硫量越低越好。就全国范围来说，电煤中全硫含量应低于2%，而城市电厂燃煤全硫含量应控制在1%以下，通常为0.8左右。在燃烧时，煤中所含的氮会氧化为氧化氮(NOX)。它也是污染环境的有害气体。含氮高的煤排烟中NOX含量也会高些，有时需采用脱硝装置。除燃料中氮生成NOX外，在燃烧温度高、过量氧多时，也会生成NOX。在现代燃烧设备中如何避免过高的NOX生成也是考虑的主要问题之一。2/6/202322吉林省电力科学研究院

4.挥发分干燥无灰基挥发份含量(Ｖdaf)是煤是否易于燃烧的重要指标。它的含量高表示煤容易着火，燃烧既容易稳定，也容易完全。Ｖdaf小于8%的煤(无烟煤)是难燃烧的煤，必须把燃烧室中温度维持很较高，才能使燃烧稳定。Ｖdaf＝8～20%的煤(贫煤)也是较难燃烧的煤种，但较无烟煤容易燃烧些。干燥无灰基挥发份大于20%的烟煤、褐煤，都比较容易燃烧，是容易着火、燃尽的煤种。在煤粉炉中燃烧时，这种煤磨得粗些即可比较完全地燃烧。不论燃用什么煤种、什么质量的煤，首先都应该与锅炉设计煤质相适宜。燃用较低挥发分贫煤的锅炉就不能燃用较高挥发分的气肥煤；反之，亦然。2/6/202323吉林省电力科学研究院

煤的挥发分过高，如制粉系统中存在积粉，则易导致温度的升高而发生自燃。煤粉燃烧，可能导致制粉系统的破坏，而煤粉与空气的混合物则易引起尘粉爆炸。同时，高挥发分的煤在贮存过程中，也容易自燃。煤的挥发分过低，虽然不会出现上述现象，但锅炉不易着火，着火后又很容易灭火，难以保证锅炉的稳定燃烧，故燃用烟煤的电厂均不希望掺烧无烟煤，如锅炉设计煤源就是无烟煤，那就需要对锅炉系统予以特殊设计，其费用将较燃用烟煤的锅炉大大增加。电力用煤期望挥发分不要过高，也不要太低，故挥发分中等的烟煤如贫煤、瘦煤、贫瘦煤、不粘煤、弱粘煤、肥煤等均宜作为电力用煤。电厂选用什么煤，往往受煤炭资源及运输条件的限制，一些特性指标欠佳的煤也只好用作电力燃料而没有太多的选择余地，2/6/202324吉林省电力科学研究院

这就要求电力系统各部门，特别是电厂要深入掌握各种煤质特性，提高运行、管理水平，以确保锅炉机组的安全经济运行。有关煤的燃烧特性，近年来还可以用示差热天平、沉降炉等测试设备来研究煤是否容易燃烧。示差热天平可以用一定的速度加热煤样并随时给出水份、挥发份析出的量及温度变化曲线，从而判断它的燃烧特性。在沉降炉中，可保持炉中温度一定，将煤样从上方给入，在煤粉沉降过程中取样，研究它的燃烧特性。5.可磨性指数可磨性指数，是指煤在规定的条件下，磨制成粉的难易程度。由于电厂中绝大部分安装的是煤粉锅炉，故衡量煤磨制成粉难易程度的可磨性，就成为一项对电力生产有着重要影响的煤质特性指标。可磨性以哈氏可磨性指数HGI的值来表达。HGI是一个无量纲物理2/6/202325吉林省电力科学研究院

量，其大小表示硬煤磨制成粉的难易程度。应该指出：褐煤的可磨性不能套用硬煤可磨性的测定方法，即不能套用哈氏法测定。哈氏可磨性指数，是指在规定条件下，应用哈氏可磨性测定仪(俗称哈氏磨)测得的可磨性指数。煤越软，哈氏可磨性指数越大，这意味着相同量规定粒度的煤样磨制成相同细度时所消耗的能量越少。换言之，在消耗一定能量的条件下，相同量规定粒度的煤磨制成粉的细度越细，则可磨性指数越大；反之，则越小。提供可靠的可磨性指数，对电厂设计时选择磨煤机的类型及容量，预测磨煤机所需动力及了解磨煤机运行工况等方面，都是不可缺少的参数。哈氏可磨性指数越大，在消耗一定能量的条件下，磨煤机出力越大。哈氏可磨性相差10个指数，在磨制相同细度的条件下，磨煤机约相差25%的出力。2/6/202326吉林省电力科学研究院

为减少能耗，电力用煤的哈氏可磨性指数宜选择较大一些的煤源。哈氏可磨性指数为70，属于可磨性中等程度煤；其值如能达到80～90，是较为易磨；而值为50～60，则算作难磨煤。6.灰熔融性灰熔融性是影响锅炉安全经济运行的重要特性指标，这也是电力生产对电煤的一项特殊要求。煤炭不是单一的化合物，它没有固定的熔点，而是在一定温度范围内熔融，其熔融温度主要取决于煤灰的组成，同时还与煤灰熔融性测定时的气氛条件有关。煤灰熔融性测定，也就是测定煤灰在熔融过程中四个特征点的温度；变形温度DT、软化温度ST、半球温度HT、流动温度FT。在此四个特征温度中，尤其以软化温度ST最为重要。煤灰熔融性温度(俗称灰熔点)低，则锅炉容易结渣，这对电厂2/6/202327吉林省电力科学研究院

安全经济运行关系很大。某些锅炉结渣事故，导致人员伤亡及造成严重经济损失，故电厂普遍重视电力用煤的灰熔融性这一指标。为了避免锅炉严重结渣，对煤质与灰渣特性的要求是：煤中灰分及硫量不宜过大，煤粉也不宜太粗；要选用灰熔融温度高的煤，一般ST要高于1350℃，越高越好；要避免选用灰熔融温度较低的短渣煤。所谓短渣煤，是指灰渣粘度受温度影响大的煤，因为燃用这种煤，最易导致严重情况的发生；宜选用煤灰熔融性不受或少受气氛条件影响的煤。由于这种煤的灰渣特性受锅炉运行工况波动的影响较小，从而有助于锅炉的稳定燃烧。灰熔点低的煤是难烧的煤，在煤粉炉中燃烧后形成的飞灰，处于熔化状态，容易粘在受热面上及炉墙上使炉中发生结渣现象。水冷壁上结渣，其吸热量减少，炉温因而会升高，使结渣更加严重，2/6/202328吉林省电力科学研究院

导致锅炉不能正常运行。层燃低灰熔点煤时，灰渣也会在炉排及炉墙、炉拱上结渣，使锅炉不能正常运行。为了烧低在溶点的煤，有所谓液态排渣煤粉炉。炉膛一部分水冷壁上涂敷耐火塑料，减少其吸热量，因而燃烧温度特别高，保持灰份在液化状态，落在炉墙上的灰顺墙下流，由下部出口排到下面的除渣设备中。这种煤粉炉燃烧效率高，但燃烧温度高，达1700℃左右；烟气中氧化氮含量比较高，污染环境，因而近年来较少采用。采用液态排渣煤粉炉时，只知道灰熔点还不够，还需了解