动力煤中水分和灰分对锅炉运行经济性影响比较

金志民，宋玉彩

（浙能富兴燃料有限公司，杭州 310052）

随着发电厂锅炉的大型化，我国动力煤资源供应的现状已很难保障锅炉燃用单一矿区或单一煤种燃煤，因此，锅炉燃用非设计煤种的情况普遍存在，这既给锅炉运行带来安全隐患，也影响了锅炉运行的经济性。在煤炭的工业分析指标中，对电站锅炉运行经济性影响最大的主要是水分、灰分及挥发分。根据对浙江省动力煤采购的煤种与煤质特点的比较，发现低位发热量相同的不同煤种存在灰分和水分差异较大的情况，因此，研究和比较灰分、水分对锅炉运行经济性的影响具有现实意义。

1 典型动力煤煤质指标及其关系

表1列出了近年来浙江省采购量较大的15个典型动力煤煤样的主要基本煤质指标统计数据。图1和图2分析了不同矿区不同煤种和同一矿区不同煤种的发热量与全水分和灰分含量的关系。结果表明，对于不同矿区的不同煤种，不同煤质的煤样呈现出如下规律：

（1）全水分增加1%对低位发热量的影响要比灰分增加1%对发热量的影响大。

（2）不同类型煤种发热量下降的影响因素不同，对于高水分、低灰分的煤种来说，大量水分的存在是引起发热量降低的主要因素，而对于高灰分煤种来说，大量的灰分则是发热量下降的主要因素。图2显示，对于同一矿区煤种，发热量与全水分和灰分的比例呈直线关系。

2 煤中水分和灰分对锅炉运行经济性的影响

2.1 煤中水分的影响

煤中水分的存在形式分为游离态和化合态两种，游离水是煤表面附着的水和内部毛细管吸附的水；化合游离水是以化合方式同煤中矿物质结合的水，又称结晶水。根据水分在煤中的不同存在形态，游离水分为外在水分和内在水分，而外在水分和内在水分之和称为全水分。

表1 典型动力煤煤样的主要基本煤质指标统计数据

水分是煤中不可燃成分，在燃烧过程中，水分被蒸发汽化，需要消耗热能。一般状态下，每蒸发1 kg水分，大约需要吸收0.251 9 MJ的热量，水分含量越大，燃烧过程中产生的烟气体积越大，由烟气带走的热量也就越大，排烟损失和引风机电能消耗也相应加大，使锅炉运行的经济性下降。但煤种含有适量的水分，对燃烧能起催化作用。

2.2 煤中灰分的影响

在一定温度下，煤中的可燃物完全燃尽，同时煤中的矿物质发生分解、化合等反应后的残留物称为灰分产率，简称灰分。在生产过程中，混入煤中的矿物质所形成的灰分，叫外在灰分；成煤原始植物中的矿物质和在成煤过程中进入煤内部的矿物质所形成的灰分，叫内在灰分。

灰分和水分一样，都是煤中不可燃成分，煤的灰分越高，则发热量越低，也即煤中可燃成分越少。当煤中灰分增加时，用于加热灰分的能量消耗随之增加，并使燃烧温度下降，燃烧的稳定性变差。每增加1%的灰分，理论上燃烧温度平均下降5℃，因而使煤粉着火困难，引起燃烧不良，飞灰含碳量大大提高，乃至熄火。另外，灰分含量越高，灰渣带走的物理热损失也越大，燃烧后灰分还将在锅炉受热面上堆积，引起结渣及过热器超温而威胁锅炉安全运行。锅炉尾部受热面的积灰又会导致排烟温度升高，从而进一步降低锅炉运行的经济性。

3 水分和灰分对锅炉效率的影响比较

水分增加对锅炉运行经济性的影响主要是排烟损失，灰分增加对锅炉运行经济性的影响主要是飞灰含碳量增加导致的不完全燃烧损失的增加。为比较两者对锅炉效率的影响，理论计算了1台660 t/h锅炉机组燃用不同煤种及煤质变化时对锅炉效率的影响，结果如表2所示。

如表2中理论热力计算结果所示，即使假设锅炉飞灰含碳量均为2%，燃用同等发热量褐煤的锅炉效率仍比燃用大混煤的高0.287%，但在实际锅炉运行中，由于褐煤的燃烧和燃烬特性明显好于高灰分的大混煤，其飞灰含碳量会更低，因此，燃用高灰分的大混煤的锅炉效率会更低。究其原因，主要是全水分增加引起的排烟损失小于由于灰分和飞灰含碳量增加引起的机械未完全燃烧损失。燃用高全水分的褐煤时，排烟损失增加了0.864%，而燃用高灰分的大混煤时，由于其灰分高达31.51%，如再假设飞灰含碳量增加1%，则其锅炉效率下降达1.751%，从而使得燃用褐煤的锅炉效率比燃用高灰分大混煤的锅炉效率高0.787%。显然，由于煤种和煤质的变化对排烟损失的影响幅度要小于对机械未完全燃烧损失影响的幅度，因而，燃用低灰分煤种的锅炉运行经济效益更好。

上述理论计算结果表明：燃用水分相对高、灰分相对较低煤种的锅炉，其运行经济性要好于燃用灰分高、水分小煤种的锅炉。为验证这一结论，在某电厂1台600 MW超临界锅炉上进行了煤种掺烧试验。该锅炉设计煤种为淮南煤（22 MJ/kg），校核煤种为烟混煤（24.5 MJ/kg）。 表 3列出了煤种掺烧试验的主要结果。

表3中，工况1和工况2是高发热量优混煤与蒙混煤分别按3：2和2：3的比例进行分磨掺烧。由试验结果可见，在满负荷情况下，用1仓发热量更低的高水分蒙混煤替代1仓优混煤时，在入炉平均热值更低的情况下，由于蒙混煤的灰分比优混煤低，其燃烬特性比优混煤更好，用蒙混煤替代优混煤时，飞灰含碳量更低，锅炉效率也更高。

试验结果表明，在锅炉实际运行过程中，同样热值情况下，燃用高水分、低灰分煤种的锅炉效率更高，经济性更好。

4 结论

（1）根据对国内典型动力煤煤种的统计分析，同一矿区不同煤质的煤样，其低位发热量与全水分和灰分比例呈线性的关系；对于不同矿区不同煤种来说，煤炭低位发热量与煤炭的全水分和灰分含量负相关。

表3 1台600 MW超临界锅炉煤种掺烧试验主要结果

（2）煤种全水分增加1%对低位发热量的影响比灰分增加1%对低位发热量的影响大。

（3）理论热力计算结果表明，灰分增加对锅炉效率的影响比水分增加更大。对于高水分、低灰分的褐煤来说，全水分增加1%时锅炉效率下降0.093%；灰分增加1%时锅炉效率下降0.097%。

（4）锅炉煤种实际掺烧试验结果表明，在相同发热量情况下，掺烧蒙混煤可有效降低飞灰含碳量，减少可达1.25%，从而有效降低了机械未完全燃烧损失，而排烟损失未明显增加，总体上提高了锅炉效率。

基于理论研究和实炉燃烧结果认为：对于电站锅炉而言，在保证锅炉运行安全的前提下，采购部分高水分、低灰分煤种替代高灰分煤种可以提高锅炉运行经济性，达到节能减排的目的。

[1]岑可法，樊建人.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[M].北京：科学出版社，1994.

[2]美国EPRI，火电厂降低热耗导则[G].华北电力科学研究院译，1998.