煤质变化对电站锅炉运行的影响及对策

李 涛

（新疆电力科学研究院，乌鲁木齐830011）

火电厂的燃料构成取决于国家的资源情况和能源政策。20世纪80年代以后，我国火电厂锅炉的燃料主要是煤，其中一半以上是烟煤，贫煤次之，无烟煤在10%以下。每一个机组都有针对性设计煤种，并针对煤质特性制定其具体的运行参数，当锅炉的燃煤品质变化时，其相应的运行控制参数也一定要做相应的调整，否则其经济性、排放甚至运行的稳定性和安全性都会受到很大影响，也就是说煤质和锅炉的运行参数之间存在很强的对应性[1]。实际情况是，我国煤种繁杂，特性不一。随着近年来煤质逐年变差，且掺烧中煤做法的普及，其发热量、挥发分、灰分、水分含量等基本特性参数与机组锅炉的设计参数背离，这给电厂用煤的运输、储备、制粉、燃用以及排放等环节造成了不小的挑战[2－3]。

美国的洁净煤计划（Clean Coal Technology，CCT）中就包含了煤质专家（Coal Quality Expert，CQE）部分。其电力试验研究所（Electric Power Research Institute，EPRI）针对煤质变化开发了专用软件来精确的定量计算煤炭品质的变化给各电站带来的影响程度。国内对电站锅炉燃料变化带来影响的研究虽已开展多年，例如煤品质变化对炉膛内传热系数、排放、换热器磨损的影响机理等，但系统的研究煤质变化给电站锅炉带来的影响尚处初级阶段[4]。深入地研究煤质的变化给锅炉运行带来的影响具有重大意义。

1 燃煤品质的变化带来的影响

为取得更好的经济效益，同时减少环境污染，国内很多机组探寻掺烧中等热值煤的途径，然而煤炭品质的下降，使得燃用煤质与设计煤种偏差较大。这就需要分析相应的解决对策，以确保机组稳定高效的运行。但凡事都具有两面性，比如燃煤含水量的加大对燃烧效率而言有其不利的一面，但也有促进燃烧的一面，是利是弊要针对具体情况、视含量范围而定。本文将本着辩证的思维模式和详尽的理化分析，对表征煤质的几个主要特性参数分别探讨其变动对机组锅炉的稳定运行带来的影响。

1.1 燃煤颗粒大小带来的影响

以循环流化床（Cinculating Fluid Bed，CFB）锅炉为例，其最大优点之一是对燃料的适应性较好。各炉型都有其适定的燃煤粒度范围，不同的煤种对颗粒分布的要求也不同。国内CFB机组多用宽筛分料，粒度要求一般为1～10 mm左右。燃煤颗粒大小分布是煤质特性的一个重要参数，合理的燃煤粒度分布对机组正常运行至关重要。一般机组的破碎系统是根据设计煤种而设计运行的，当破碎系统运行不正常时就会导致粒度分布失常，入炉煤粒度的不适应从根本上也是由燃煤品质的变化引起的[5－6]。

对锅炉负荷而言，当燃煤颗粒过大时，所需要的燃尽时间延长，导致飞出床料层的颗粒数量减少，正常的循环灰量被破坏，会造成锅炉负荷下降。对过热蒸汽温而言，若过大颗粒和过小颗粒含量较多并在原供风量下运行时，可能会使粗大颗粒沉降从而引起锅炉的不稳定运行。若要使得大颗粒流化，则需要更大的供风量，但这样会导致颗粒扬折率加大，密相区的燃烧份额降低，稀相区的燃烧份额加大，也会使得通过过热器的烟气加速，甚至一些细小煤粉在过热区燃烧，总的结果就是蒸汽温度上升。同时这种为防止大颗粒煤粉在密相区沉降而采用的大风量运行机制，由于使得飞灰流动速度加大，会加剧锅炉受热面和耐火衬里的磨损。且过大的颗粒（大于30 mm）会在炉床中沉积形成死滞区，破坏正常的沸腾状态。煤粉颗粒的大小与其在炉膛内的停留时间、所需的燃尽时间有着明显的对应关系，尺寸大于1.0 mm的颗粒趋于聚集在密相区并有足够时间燃尽，而分离器不能捕捉到的极细小（小于1.0 mm）的颗粒一般都以飞灰的形式流出，造成不完全燃烧损失从而降低燃烧效率。把筛选范围定在0～8 mm对降低热损失是有利的。

对于燃尽时间这个指标而言，挥发分和粒度都对其有直接影响，不同品质的燃煤对颗粒大小的要求也就不一样。制备燃煤粒度分布的经验公式如下：

式中，Vdaf是指制备煤粉中挥发分含量百分比，A是煤粉中直径小于1.0 mm的份额。最佳粒径分布是两头大中间小，过大和过小的颗粒份额都不宜过量。

1.2 燃煤发热量对锅炉运行的影响

发热量是反映燃煤质量的一个重要指标，当发热量下降到一定程度时，会引起燃烧不稳定、不彻底，不仅影响机组运行的经济性，而且还有可能导致灭火放炮事故的发生。统计结果表明，燃煤的低位发热量每下降1.0 MJ／kg，燃煤消耗就会上升约20 g／kwh，电厂的用电率会上升约0.5%。美国电力公司（American Electric Power，AEP）的研究表明，当发热量从27.328 MJ／kg降低到24.65 MJ／kg时，其可用率下降了13%。但国内不同矿区的煤炭的热值存在较大差异，图1是按统计经验数据绘制的几个主要煤种的极限发热量分布图，横坐标为飞灰含量，纵坐标为发热量。发热量越高，燃烧越容易、稳定。根据热值分布，将其分为高热值的燃烧稳定区和热值较低的灭火区。当燃煤热值处在曲线图右上的稳定区时，锅炉可以稳定高效地燃烧。但当处于灭火区和过渡区时，需要燃油助燃方可。发热量降低时，会导致炉内燃烧温度下降，并使得排烟温度升高，将增加热损失。但同时，若发热量比设计煤种高时，会使得炉膛内温度升高，煤灰软化、熔融并结渣，这对燃烧效率也是不利的[7]。

图1 国内各煤种的发热量分布曲线图

1.3 挥发分对锅炉运行的影响

可以用下述指数来描述燃煤的着火特性[7]

式中，FZ是表征燃煤着火特性的特征量；Vf，Wf，Cf分别是挥发分、水分和固定碳含量式。可见挥发分含量越高，着火特性就越好，所需的着火温度越低，燃烧也越稳定。这是因为挥发分析出时会产生空隙，从而加大的反应面积，有利于燃烧，飞灰中的可燃物降低。随着挥发分含量的加大，燃煤中难燃的固定碳含量降低，从而更利于燃烧的进行。燃烧放出的热量多，更易于维持炉膛内温度。但当挥发分含量降低时，着火温度会随之提高，燃尽时间延长，燃烧变得不稳定，火焰中心上移，吸热面积减少，过热器热负荷加大，同时排烟温度升高，热损失加大。根据统计数据绘制的3种型号的锅炉内飞灰中可燃物含量和所用燃煤挥发分含量的关系，如图2所示。

图2 飞灰中可燃物含量与挥发分含量关系图

图2中横坐标Vf表示挥发分含量，纵坐标Cn为飞灰中可燃物含量。从图2中可以清晰地看出，随着挥发分含量的提高，灰分中可燃物含量迅速下降，这对提高燃烧效率和降低热损失都是有利的。

1.4 灰分含量对锅炉运行的影响

在其他品质不变的前提下，灰分含量越高，发热量越低，所需的着火温度越高，容易着火延迟，炉膛内温度下降，不易燃尽，会造成较大的不完全燃烧损失。过多的灰分会包裹在未燃的煤粉表面，延缓火焰传播速率，燃尽时间变长，降低燃烧效率。此外，飞灰浓度会随之提高，这会加剧炉膛内的磨损，锅炉的事故率和停车率也会上升。灰分中含碱金属时，在高温环境下会加剧对炉膛的腐蚀。据美国某单位统计，某电厂的平均灰分含量从13%上升到18%时，锅炉的被迫停车率从1.3%提高到了7.5%。飞灰量的增加，使得除尘费用上升，飞灰和炉渣带走的热损失加大，对锅炉的经济性和安全性十分不利。

凡事皆有两面性，灰分也是如此。灰分中的镍、铁、锰以及一些碱土金属等氧化产物具有促使碳晶格变形的作用，从而使碳氧络合物从晶格上脱离，利于提高未燃碳的活性，其作用相当于助燃催化剂，利于燃烧的进行。

1.5 水分对锅炉运行的影响

适当的含水量和挥发分一样，是有利于煤粉的燃烧的。从燃烧动力学角度而言，适量的水分在高温火焰中是高效的燃烧催化剂，水蒸气分子可加速焦炭的气化和燃烧，同时可以提高火焰黑度，从而加强辐射传热，提高热量利用率，水蒸气分解时产生的氢分子还可以提高火焰的热传导率，从而提高火焰传播速率。

但含水量过高时，可燃物含量相对降低，发热量降低，着火难度加大，着火所需温度提高，且水的气化潜热较大，其气化吸热量较大。水分含量越高，理论燃烧温度下降幅度越大，燃烧的稳定性和安全性降低，尤其是在灰分含量较大时这一特性尤为明显。同时会增加排烟量，引风机耗电量因此加大，降低整体热效率。经验数据显示，水分含量提高1.0%，过热蒸汽温度会提高1.5℃。

2 适应煤质变化的对策及建议

（1）从源头上改善燃煤品质

从源头上改善燃煤质量，国家倡导动力锅炉多燃用劣质煤，在掺烧中煤时注意控制煤炭来源，对不明特性的新煤种做理化研究，以制定相应的燃用策略。提高燃煤入洗率，动力煤经过清洗工艺后，容易造成燃用后环境污染的不利因素可在很大程度上被去除，同时由于改善了煤粉的表面特性，也有利于提高燃烧效率和锅炉的经济效率。

（2）运行参数的调整

对于挥发分含量较高的煤种，由于炉膛内高温核心上移，需要降低一次风量，同时加大二次风量。对于低挥发分煤种，则需要提高一次风量来增加供氧量，降低二次风量以保证燃烧的稳定性。针对煤粉颗粒大小，当碎煤系统无法更改时，当粒度较大时，应适当增加一次风量、减少二次风量来调整物料循环量，从而保证炉膛内的物料平衡。当燃煤的热值过大时，适当地降低给煤量即可，一、二次风量一般无需调整。当燃煤含水量过大时，应适当提高磨煤机入口温度，保证其出口温度正常，同时适量减小给煤量。当出现燃烧不稳定状况时，应及时投油稳燃。

（3）建立健全煤质评价体系

系统地研究各煤种品质特性，在做掺烧时可方便的根据不同煤种的特性来进行配比。在保证电站运行的安全稳定性的同时，努力提高其经济性。

[1] 沈桂男.煤质变化对锅炉运行经济性的影响[J].华东电力，2005，5（3）：171－175.

[2] 于敦喜，孙学信，李 敏，等.煤质对电站锅炉运行的影响及对策[J].华中电力，2008，1（2）：10－14.

[3] 张小辉，刘柏谦，刘 栋，等.煤种对循环流化床锅炉运行特性影响的研究[J].锅炉技术，2011，10（2）：29－32.

[4] 商顺强，何全茂，王绪科.煤质变化对CFB锅炉运行的影响[J].应用能源技术，2010，9（9）：25－27.

[5] 沈文生，马晓茜，陈烈强.煤质与锅炉的相关性及其对电厂运行的影响[J].电站系统工程，2010，1（16）：42－45.

[6] 张清涛.燃煤粒径对循环流化床锅炉（CFB）运行的影响[J].能源研究与管理，2010，1（1）：32－34.

[7] 刘 三.邹县电厂2020t／h锅炉煤种变化后的燃烧调整[J].华电技术，2010，3（8）：54－57.