火力发电厂主要燃煤特性分析

刘安明

摘 要：燃煤是保证电厂安全、经济、稳定运行的关键。在介绍燃煤工业分析组成的基础上，探讨了燃煤工业分析组成与发电的关系。然后，给出了电厂常用的燃煤类型，并对火电厂主要燃煤特性及方法进行了分析。

关键词：火力发电厂；燃煤成分；燃煤特性

火力发电是当前我国电力供电的主要形式。对于火力发电厂而言，为保证机组的安全、可靠、优质、经济运行，除了锅炉、汽机、发电机等相关设备的质量外，燃煤的作用和特性也极为关键。煤是多种有机物和无机物的混合物，不同煤种的组成成分和结构差异都很大。燃煤化程度越高的煤，其物理特性上存在各向异性，化学上更加呈现惰性。因此，研究火力发电厂燃煤特性，有利于提升锅炉的运行性能，保证火电机组的安全稳定运行。

1 燃煤工业分析组成及其与发电的关系

燃煤具有粉碎性、风化性、热分解性、燃烧性、膨胀性、粘结性、自燃性等复杂的物理化学性质[1]，燃煤的结构究竟是怎么样的还是一个颇具争议的话题。对于火力发电厂而言，只能从煤的燃烧角度进行相应分析以探讨其结构表征。从工业上对煤的组分划分来看，主要有工业分析组成和元素分析组成两类。因此，作为工业用发电燃煤，探讨其燃烧特性需要首先了解燃煤的工业组成。

需要指出的是，燃煤的工业分析组成并不是煤的原始化学成分，而是在一定条件下，对煤样加热，燃煤原始化学成分发生物理或化学反应后，利用工业分析方法获取的燃煤组成。总的来说，燃煤的工业分析成分主要包括水分、灰分、挥发分和固定碳[2]。

煤的水分可分为表面水分、固有水分及结晶水分，前二者又被称为总水分，影响煤燃烧特性的就是总水分。总水分越高的燃煤，其燃烧时热量损失越大，温度越难提高。对不同形状的燃煤而言，不同水分所占比例也是不同的，比如，块煤、粉煤、微粉煤的表面水分所占比例分为约为3%、7%和10%；同样的，不同煤质也含有不同的固有水分，如褐煤、烟煤和无烟煤固有水分比例分别为10%、5%和1%。并且，每增加1%的水分，煤的发热量将减少约250-290J/g，越高的水分将降低炉膛燃烧温度，提高燃煤着火点。灰分是煤样在815±10℃下充分燃烧后，剩余的残留物所占的质量百分含量，一般而言，灰分范围介于10-30%之间，灰分越高，燃煤热值越小，火焰传播速度越低，也越容易产生结渣、积灰等现象，甚至导致锅炉停炉，增大设备磨损。灰分每增加1%，锅炉效率将减少0.03%。挥发分是指煤在900±10℃下隔绝空气加热，所分解出的可燃性气体，比例高者可达40%，碳化程度越高挥发分越少，挥发分是燃煤热值的主要来源，直接影响着锅炉燃烧所需空间、空气过剩系数、热风温度、煤粉细度、送份方式和风粉比，比如，无烟煤挥发分开始逸出温度约为400℃，其发热量高达69MJ/kg，对于已投运的锅炉，挥发分只能在允许的范围内。固定碳是煤经热分解扣除挥发后剩余的可燃性固体，它也是燃煤热值的主要提供者，碳化程度越高固定碳越高。

2 电厂主要燃煤类型及其特性分析

燃煤的分类方法有很多种，较为常用的是煤化序列分类法（Classification of coals by Rank），即通过各种燃煤的变质或煤化的程序，分为褐煤到无烟煤等一系列煤种。显然，随着煤化等级的提升，水分及挥发性物质将减少，固定碳将增加。

就常规火力发电厂而言，其燃料来源大致可分为固体燃料、液体燃料与气体燃料三类，对应我国火力发电所采用的燃料将分别是煤、石油和天然气，燃煤、燃油机组使用的是汽轮发电机，燃气使用的是往复循环机组。纵观当前我国电厂燃煤煤种，按照燃煤序列从低到高，主要有泥煤、褐煤、烟煤、亚烟煤和无烟煤等五类，其中，泥煤是由不同的成分，如腐烂的植物及无机矿物质组成，含水量高达90%，实用性差，但储量丰富，我国已不使用；褐煤是使用最低等级的燃煤，具有高挥发性和高含水量（30%左右），呈现棕色和薄板结构，热值介于14650-19300千卡/kg，具有三个等级；烟煤含碳量高达69%-86%，挥发分占20%-40%，热值介于25600-32600千卡/kg之间，可分为低、中、高三类；亚烟煤含有15%-30%的高固有水分，硫含量低，呈现棕黑色或黑色，结构均匀，常用语磨煤锅炉，热值介于19300-26750千卡/kg之间，也可分为三级；无烟煤是含碳量最高的煤，最高碳含量高达98%，挥发分也较低，色泽光亮、密度大、黑色，煤质硬且脆，含热量较烟煤略低，可分为半无烟煤、无烟煤和变性无烟煤三类。

由上所述，描述电厂用煤的特性指标有很多，如发热量、灰熔融性、可磨性、磨损指数、煤粉细度、着火点、密度等，但从煤的燃烧角度看，这些特性可归结为两个方面的内容，即着火特性和燃尽特性，二者分别描述了燃烧初期火焰稳定度和燃烧中的速度及效率。从研究方法来看，Vr法一直是国内长期沿用的评价燃煤着火点、燃尽特性的主流方法，并且，国内很多锅炉的设计和运行经验的获取都是基于Vr法而来的，如式（1）所示。

RJ=KVr （1）

式中，RJ表示燃尽系数，K为与焦渣指数JZ有关的系数，当JZ≤4时，K=1；JZ=5时，K=0.9；JZ≥6时，K=0.8。

然而，Vr法不能反映水分、灰分等对着火的不利影响，因此，实践证明，依赖煤的常规分析以确定燃烧特性是不准确的，有时甚至会出现极大的偏差[3]。因而，有学者采用Vy法来替代Vr法以更好地描述煤的着火特征，比如，美国、日本等发达国家还专门引入常用燃料比以判断煤的着火特性。

另外，一些新近发展起来的特种方法，如热分析法、煤焦比表面积法、热显微镜法、着火指数法、沉降炉法等也逐渐被重视起来，它们能够在某一方面（如煤的有机/无机显微组分）或多个方面（微观视角）更好地揭示燃煤特性。

参考文献

[1]白浚仁，刘凤歧.煤质分析[M].北京：煤炭工业出版社，1982.

[2]刘爱忠.电厂化学[M].北京：中国电力出版社，2002.

[3]喻丹峰.探讨煤质分析中应用经验公式验算的误差[J].江西能源，1999（4）：14-17.