混煤掺烧对锅炉性能影响

林涛

摘要：近年来，随着我国动力煤市场的变化，越来越多的发电企业无法保证锅炉设计用煤的供应。同一煤种，随着产地、采矿点、地质条件以及开采、运输、储存等条件的不同，煤质特性也会有很大的差别。很多发电企业从经济效益的角度出发，主动让锅炉掺烧一些低价煤、劣质煤，增大了锅炉实际用煤的变化幅度，煤质特性参数远远偏离设计值。燃料特性发生变化后，锅炉是否可以安全、经济、稳定的运行？燃料发生变化后，锅炉燃烧系统以及辅机系统会相应地发生何种变化？

Abstract： In recent years， with the changes in China's thermal coal market， more and more power generation companies cannot guarantee the supply of coal for boiler design. The same coal type， with the different origins， mining points， geological conditions and mining， transportation， storage and other conditions， coal quality characteristics will also be very different. From the perspective of economic efficiency， many power generation enterprises actively let the boiler blend some low-cost coal and inferior coal， which increases the variation range of the actual coal used in the boiler and the coal quality parameters deviate far from the design value. After the fuel characteristics change， can the boiler operate safely， economically and stably？ After the fuel changes， what changes will occur in the boiler combustion system and the auxiliary system？

关键词：混煤;锅炉;性能

Key words： mixed coal;boiler;performance

中图分类号：TK229.6                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）36-0217-03

0  引言

我们知道电站锅炉在设计阶段都会选取不同煤种进行校核计算，锅炉对煤种的变化是有一定的适应性的。因此，在不对锅炉炉膛结构、燃烧器参数等进行结构性改变的条件下，锅炉实际燃用的煤在一定的范围之内变化是允许的。下面对煤种改变对锅炉性能的影响进行分析。

1  单一燃料特性参数对锅炉燃烧性能的影响

1.1 发热量对燃烧特性的影响

锅炉燃用比原设计发热量低的煤种，锅炉效率下降，不完全燃烧损失增加。锅炉燃用发热量过高的煤种，在燃料量相同的情况下，锅炉会过度燃烧，产生过量烟气，增加大气污染，还可能损坏燃烧设备。虽然发热量是煤重要的经济指标，但并非发热量越大越好。

1.2 挥发分对燃烧性能的影响

挥发分主要由可燃气体：氢气、一氧化碳、甲烷、硫化氢及其他碳氢化合物组成。不同种类的煤，挥发分含量和开始析出温度不相同。一般碳化程度浅的煤挥发分含量多，开始析出的温度较低。褐煤130～170℃开始析出，烟煤190℃析出，无烟煤析出温度高达380～400℃。挥发分多的煤易着火，燃烧快，火焰长。燃煤挥发分降低，煤着火温度变高，即不易着火，使煤粉气流着火推迟，燃烧不易稳定，容易发生灭火。炉膛结构和锅炉运行时的调整与挥发分含量密切相关。

1.3 煤中含硫量对燃烧特性的影响

1kg硫完全燃烧生成二氧化硫时能放出9050kJ的热量，部分二氧化硫进一步氧化成三氧化硫，二氧化硫和三氧化硫与烟气中的水蒸气结合在一起生成亚硫酸和硫酸蒸气。硫酸蒸汽的酸露点远远大于同样分压力下水蒸气露点。硫酸蒸汽一旦凝结在受热面上，便有强烈的腐蚀性。酸露点的高低主要取决于燃料中硫的含量。硫的氧化物随烟气排入大气，会造成严重的环境污染。硫是煤中的有害元素，我们希望硫含量越低越好。

1.4 煤中灰分含量對燃烧特性的影响

灰的成分比较复杂，一般包含氧化硅、氧化铝、氧化铁、钙镁氧化物、及碱金属氧化物等成分。一般而言灰分含量高的煤种煤质较差，反之属于优质煤。灰分存在会使煤中可燃元素的含量相对减少，发热量降低。灰分会阻碍可燃物质与氧接触，影响煤颗粒燃烧与燃尽。灰分会使受热面积灰、结渣，影响传热。烟气中的飞灰还会引起设备的磨损、腐蚀，降低锅炉使用寿命。炉膛排除灰渣会带走一部分热量，造成热损失。随烟气排出的飞灰会污染环境。灰分的变化在运行中必须高度重视。

1.5 灰的熔融性对燃烧特性的影响

由于灰是各组成成分的复合化合物或混合物，所以它没有固定的熔点。当它受热时，就由固态逐渐向液态转化，这种转化特性就称为灰的熔融性。在锅炉中多用软化温度ST作为灰熔点。各种煤的ST-般为1100～1600℃。灰的熔融性对锅炉运行的经济性和安全性有很大影响。对于固态排渣煤粉炉，当燃用灰熔点低的煤，容易引起受热面结渣。对于液态排渣煤粉炉，当燃用灰熔点高的煤，容易造成炉底排渣口流渣困难。

当灰粒温度低于软化温度时，在受热面上只能形成疏松的弱黏性聚形灰渣，容易脱落。当灰粒温度高于软化温度时，固态的颗粒将变成熔融状态，具有较强的黏性，与受热面接触时会黏附在受热面上形成结渣，导致传热恶化。

1.6 煤中水分含量对燃烧特性的影响

水分增加会使煤中可燃元素的含量相对减少，水分蒸发要吸收汽化潜热，使煤的实际发热量降低。水分多对煤的着火、燃烧十分不利，会增加不完全燃烧热损失。煤中水分增加将使燃烧生成的烟气容积增大，造成排烟热损失及引风机耗电量增加。水分多还会引起低温受热面的堵灰与腐蚀。

2  混煤特性参数对锅炉燃烧性能的影响

一般认为混煤是煤的机械混合，其燃烧特性应是两种煤质特性的加权平均值，实际并非如此。虽然混煤的元素成分和发热量与原煤的加权平均值相符，但是燃用混煤的炉内过程，如着火燃烧稳定性、燃尽性和结渣特性等，则与加权平均结果有较大的差距。

煤粉气流着火指数的测定条件与电站锅炉煤粉着火工况最接近，可以把它作为比较煤粉着火难易的主要指标。煤粉气流着火指数受煤粉浓度和混煤比例的直接影响，煤粉浓度升高着火指数降低。无烟煤掺烧烟煤的比例越大着火指数越低，通常煤粉炉的一次风煤粉浓度为0.4～0.6，提高煤粉浓度有利于着火，采用浓淡分离技术或高浓度一次风燃烧，可明显提高煤粉浓度，有利于着火和提高燃烧稳定性。但是，过高的煤粉浓度在输粉方面要采取有效措施防止煤粉爆炸。

难燃煤掺烧易燃煤时着火特性明显改善，1：1混煤的着火指数大多不是两个原始煤种着火指数的平均值，而是向易燃煤着火指数靠拢。这说明易燃煤种先着火并起到一个稳定火源的作用。由此可见，难燃煤种燃烧时，掺烧少量的易燃煤种对稳定燃烧和降低不投油负荷有利。易燃煤种被迫掺烧难燃煤种时，其着火指数要升高，但掺烧比例不是太大时着火稳定性可在允许范围内。分析混煤的着火特性，可得出如下规律：

①挥发分是判别着火难易的概略指标。一般来说，挥发分越高，着火越容易;但是挥发分相近的不同煤种（包括混煤），其着火难易程度可能有很大的差别。

②难着火的煤与易着火的煤混烧，总的着火难易程度趋近易着火煤的着火特性，难燃煤掺烧易燃煤来改善着火特性，其作用会较显著。

③混煤的着火及燃烧稳定性靠近易燃煤的特性，难燃煤中掺烧部分易燃煤种会显著提高燃烧稳定性。

④混煤的燃烧，各掺烧煤种在燃烧过程中均保持原有的燃烧特性。

⑤混煤的燃尽性趋近难燃煤种，难燃煤中掺烧易燃煤种，不会使燃尽特性显著改善。

从分析研究所选用煤种来看，两原始煤种的结渣性能对混煤结渣性有同等程度的影响，结渣煤种糁烧不结渣煤种会使结渣程度减轻。相反，不结渣煤种掺烧结渣煤会使燃烧产生结渣。结渣倾向受掺烧比例的影响，掺烧越多，结渣倾向越重。一般来说，两不结渣煤掺烧后仍不结渣。

3  设计燃用烟煤锅炉掺烧褐煤问题探讨

很多发电企业，为了降低运行成本，将原设计燃用烟煤的锅炉大量掺烧高水分褐煤。在不改变锅膛结构及其附属系统的条件下，能够掺烧多少高水分褐煤呢？

根据锅炉厂提供的设计资料、《大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范》以及其他规程规范可知：在锅炉燃用燃料一定的条件下，首先要进行炉膛截面热负荷以及容积热负荷的确定，进而确定炉膛结构等参数。而炉膛截面热负荷及容积热负荷的选择与燃料的特性有很大的关系。表1为300MW锅炉热力特性。

与烟煤相比，由于褐煤挥发分高，容易结渣。因此在选择炉膛热力特性参数时数值相对烟煤低。所以原设计燃用烟煤的锅炉，掺烧一定比例的褐煤，从燃烧稳定性的角度出发，锅炉没有问题;相对于烟煤，褐煤较软，原设计燃用烟煤的锅炉大多配置中速磨煤机，因此从碾磨出力的角度出发，中速磨煤机磨制褐煤是没有问题的。但是由于褐煤水分大、挥发分较高，原设计燃用烟煤的锅炉制粉系统，大多选择“热风十冷风”作为干燥剂，那么这种磨煤机在碾磨褐煤过程中能否出现其他问题？锅炉能够掺烧多大比例的褐煤呢？

对于火力发电厂而言，燃煤掺烧比例是企业需要确定的关键参数之一，掺烧比例的选择主要受到以下几个方面的影响：

①锅炉结渣是影响锅炉安全运行的重要因素，因此掺烧比例的确定应结合锅炉结渣特性而最终确定。

②褐煤的水分高。炉内掺混或炉外掺混都会影响制粉系统的干燥出力，磨煤机的出口温度降低，直接影响到锅炉燃烧的稳定性和经济性。

③褐煤挥发分含量高，在实际掺烧过程中应防止制粉系统发生爆炸。同时也要关注燃烧器喷口以及水冷壁等受热面的结焦现象。

④正是由于褐煤具有高水分、高挥发分、低热值的特点，设计燃用烟煤的锅炉在掺烧一定比例的褐煤时，锅炉一次风率的增大会给锅炉的性能带来许多变化。

原设计燃用烟煤的锅炉、在不对其进行任何改动的时提下，锅炉最大能够掺烧多少褐煤呢？下面以某台330MW锅炉为例，进行分析说明。该炉的最大连续蒸发量为1080t/h，锅炉的额定蒸发量为1045.6t/h。锅炉设计煤种为徐州烟煤，掺烧煤种为印尼褐煤。

以褐煤：烟煤=1：9、2：8、3：7的掺烧比例进行校核计算。计算时假设掺烧褐煤后，磨煤机出口温度75℃不变。计算结果表明，按1：9比例掺烧，制粉系统的冷、热一次风比例为21：79。掺烧比例为2：8的校核计算中冷、热一次风比例为6：94干燥出力基本达到极限。掺烧比例为3：7时制粉系统干燥剂全部采用热风也无法满足制粉系统正常运行。

这表明制粉系统的设计干燥出力已经不能满足锅炉制粉需要。即在锅炉现有系统条件下，锅炉最大的掺烧褐煤比例为2：8。当然，如果适当降低磨煤机出口风温，则掺烧比例可以提高。

目前很多发电厂锅炉掺烧较为便宜的褐煤，褐煤具有高水分、高挥发分、灰熔点较低的特性。在运行中有以下问题需要重视：

①由于总的燃煤量及烟气量的增加，锅炉对流受热面磨损增加。

②制粉系统干燥出力裕度不足甚至没有。特别是在冬季运行期间，該问题将特别突出。

③由于干燥出力的不足，必须增加一次风量。导致燃烧推迟，对流受热面容易超温，减温水量增大。

④褐煤的挥发分高，容易着火。运行人员应及时调整配风，防止由于褐煤着火提前而导致的“抢风”现象的发生。

电站锅炉可以掺烧一定比例的劣质煤，通过一些小的技术改造可在保证锅炉及其制粉系统安全运行的前提下实现较大比例的掺烧。

参考文献：

[1]许晋源.燃烧学[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]芩可法.高等燃烧学[M].浙江：浙江大学出版社，2002.

[3]周菊华.锅炉设备[M].2版.北京：中国电力出版社，2006.