降低220t_h燃煤锅炉飞灰含碳量的研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 降低220t/h燃煤锅炉飞灰含碳量的研究 姓名杨蒴 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师陈刚 20080527 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 由于燃用非设计煤种锅炉适应性较差等因素造成的锅炉飞灰含碳量升高的现 象在我国的火力发电企业中屡见不鲜飞灰含碳量的升高不仅增加了锅炉的不完 全燃烧热损失影响了锅炉机组的经济性同时对机组的安全运行也存在一定的 危害因此通过各种措施降低锅炉的飞灰含碳量使其稳定在合理的范围之内对 发电企业来说具有重要的意义 飞灰含碳量的升高从本质上来讲是煤粉在炉膛中燃尽性的下降而对煤粉燃尽 性构成影响的一方面包括燃煤的碳含量挥发份含量发热量煤粉细度比表面 积和孔隙率等煤质特性的原因另一方面制粉系统的工作状况锅炉的燃烧方式 空气动力场炉膛结构等也影响着煤粉的在炉膛中的燃尽性 本文主要针对广州员村热电有限公司 3炉在燃用贵港煤时飞灰含碳量居高不下 的问题作为研究对象首先对电厂实际燃煤贵港煤进行了煤质分析和热重实验 并对其进行了着火稳定性判别和燃料燃尽性判别同时考虑到今后电厂燃煤的变 化趋势将贵港煤同神华煤按一定比例混合后也进行了上述实验分析并与贵港单 煤的试验结果进行了对比发现贵港煤属于相对较难燃尽的煤种而在掺混神华煤 之后其燃尽性得到改善然后以贵港煤为校核煤种对锅炉进行了热力计算并 将计算结果同设计煤种相比较进行分析在此基础上决定在锅炉下一次风喷口处 加装钝体以改善燃烧并在甲乙角加装浓淡分离滑块使四个角的浓相煤粉均偏 向向火侧进一步促进了煤粉的完全燃烧最后对改造后的 3炉进行了空气动力 场试验和热态试验发现改造之后 3炉的飞灰含碳量较改造前明显下降而且较未 经改造的 12炉相比也较低从而验证了此次改造的效果同时此次 3炉改造 也为电厂设计运行人员提供了理论指导和实践经验 关键词关键词飞灰含碳量 钝体 水平浓淡分离 改造 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract The problem of high carbon content in fly ash can be seen frequently in the Chinese power plant,which due to buring coals of low rank,or the boiler has a low adaptability. High carbon content in fly ash not only lead to great decreas in the economic benefits,but also cause damage to the equipment.So for the power plant ,it makes great sence to find the ways to reduce the amount of combustible matter in fly ash. High carbon content in fly ash means that the coal is not burning well in the boiler.There are many facters which influence the rate of the coal- combustion,such as content of carbon in coal,the caloric power,the specific surface and the interval porosity.The work condition of the coal- feeding system, the aerodynamic field and the structure of the boiler also contribute to the high carbon content in fly ash. This thesis is based on the No.3 boiler of YuanChun power plant of Guangdong province,which was suffering a high carbon content in fly ash.First,we made research on the character of the Guigang coal,which was using as the fuel for a long time. The elemental analysis,technical analysis and the thermo- gravimetric analysis was taken to help us get the datas.At the same time,we made judgements on its ignition and burning- out tendency.As a contradistinction,we also gave researchs on the Shenhua coal and their blends.Though the experiments,we found that the Guigang coal was more difficult in burning- out than the Shenhua coal and their blends.Based on the conclusion,we decided to gave a technological transation to the boiler.We decided to add buff- bodys near all the end of the lowest primary air spouts,which can improve the combustible condition.Then the horizontal fuel rich- lean burnners were used in the A and B cornner,which can stabilize the burning flame.After the technological transation,we gave the furnace an aerodynamic field test to check the well- condition of it.Then after several days operation,the data of the amount of combustible matter in fly ash came out to demonstrate the success of the reconstruction,which also make sence to the design and operation of the power plant. Key words Carbon content in fly ash Buff- body Horizontal fuel rich- lean burner Technological transation 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在 年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 研究的背景与意义研究的背景与意义 电力工业是国民经济中最重要的基础能源产业是各国经济的优先发展重点 电力工业作为一种先进的生产力 技术的先进性 和基础产业 依赖领域的广泛性 对促进国民经济的发和社会进步起到重要作用随着国民经济对电力需求的增长 我国的电力工业规模不断扩大效益有所提高取得了很大成就[1]我国发电能源结 构的形成受到经济发展水平技术水平电力需求资源可用性经济可行性和环 境保护政策等因素的综合影响1985- 2004年的20年间火电所占当年总发电量的平 均比例高达81.4中国电力结构以火电为主的格局短期内不会改变 同时我国是世界上煤炭生产和消费大国据国土资源部相关统计表明截止 2002年年底我国已经查证的煤炭储量达到7241.16亿吨其中生产和在建已占用储 量为1868.22亿吨尚未利用储量达4538.96亿吨2007年我国原煤产量25.23亿吨 同比增长8.2新增煤炭勘察储量新增448亿吨[2]相对来说我国煤炭资源还是比较 丰富的但是自2003年电力体制改革厂网分开后国家逐渐放开了发电用煤价格 2006年 国家又取消了对重点电煤合同的政府指导价 让电煤价格完全由市场调节[3] 由于这几年我国国民经济快速发展全国各地陆续投资新建了一大批重化工业高 耗能企业既扩大了电力的需求又造成全国对煤炭的供不应求因此电煤价格 一路攀升涨幅每年都在10左右据中电联统计全国电煤的平均价格车板价 不含运输费用2002年是167元/吨2003年为253元/吨2005年270元/吨2006年为 281元/吨2007年又上升到304元/吨上涨幅度达到8影响发电企业2007年增加 燃料成本294亿元据五大发电集团公司初步统计2008年电煤重点合同的签订截至 到4月份还不到50已经签订合同的电煤价格在2007年的基础上每吨上涨30- 40 元不等由于2007年电煤价格没有实现联动2008年发电企业均面临较大的成本压 力华能等五大发电集团公司由于电煤涨价2008年燃料成本预计将增加299亿元 会导致一部分发电企业经营发生亏损特别是今年1月12日以来南方大面积雨雪灾 害发生后多年来积累的电煤供应矛盾终于爆发据2008年1月31日快报统计全国 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 因缺煤停机达到2555万千瓦占全国火电装机容量的5其中华中区域电网因缺 煤停机1022万千瓦 占全国因缺煤停机总容量的40 是全国电煤短缺最严重的地区 历史罕见面临电煤价格上涨带来的巨大成本压力发电企业利润严重缩水甚至出 现亏损状况为了摆脱这种困局同时响应国家“节能减排”的号召通过提高火电 机组燃烧效率降低供电煤耗等措施来提高机组经济性减低污染物排放就显得特 别重要 在发电企业中锅炉机组飞灰可燃物含量是反映燃煤锅炉机组燃烧效率的主要 运行经济指标和重要技术指标[4]机组正常运行应当控制飞灰含碳量在合适的范围 内但是由于近些年煤炭市场紧张许多发电企业由于燃煤供应得不到保证不得 不燃用大量与设计煤种参数相差很大的煤种或者掺烧一些低挥发分高灰分的劣 质煤这直接导致了许多机组出现效率降低飞灰含碳量增加等一系列问题飞灰 含碳量过高带来的影响有以下几点 1煤粉在锅炉中燃烧不充分在同等发电量下飞灰含碳量过高则发电煤耗增 大 固体不完全燃烧损失增加 燃烧效率下降 机组经济性下降 下图给出某300MW 锅炉机组飞灰含碳量与锅炉效率之间的关系 图1- 1 某300MW机组飞灰含碳量与锅炉效率的关系 2粉煤灰是水泥制造业的理想添加原料发电企业粉煤灰的综合利用已经成 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 了企业利润的一个增长点由于水泥生产企业对粉煤灰的质量有着严格的要求所 以飞灰中可燃物含量的增高无疑会降低粉煤灰的质量影响到发电企业的经济效益 3飞灰含碳量升高会使位于炉膛出口处的烟气超温和位于该区域的高温过 热器和再热器超温时间久了易造成爆管等突发事故同时飞灰中的未燃尽碳在 尾部烟道沉积易造成尾部烟道再燃烧对设备造成一定危害严重影响运行安全 4飞灰含碳量过高增大了电除尘的电耗同时会降低其效率大量的粉尘 排入大气对环境造成一定的污染 因此对降低飞灰可燃物含量的方法进行研究对于提高燃煤机组效率确保 机组安全运行降低发电企业生产成本实现节能减排有着极为重要的意义 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 燃煤燃尽性的理论研究现状燃煤燃尽性的理论研究现状 锅炉飞灰含碳量的升高从本质上来讲即燃煤燃尽性的下降因此对煤的燃尽 性的理论研究对认识机组飞灰含碳量的控制具有重要的意义在煤的燃烧过程中 从开始干燥 挥发分析出到挥发分大部分烧完,大约只占煤总燃烧时间的 10,而焦炭 的燃烧到燃尽占的时间的 90另一方面,煤中焦炭的含量约占总量的 55- 97焦 炭的发热量约占煤总发热量的 6095因此不论从燃烧时间燃烧数量和放 出热量来看在煤的燃烧过程中焦炭的燃烧都是主要的也就是说煤的燃尽特性在 整个煤粒燃烧过程中占有十分重要的地位 人们直到上个世纪六十年代才开始对煤的燃烧过程进行研究但其发展的速度 极快有关的试验和计算方法已发展的较为完善在这一研究领域,贡献最为突出的 是 Smith.I.W 和 Field.M.AFiela 于 1969 年针对低典型品味粒径为 28105μm 的 煤粉在 12002000K 范围内的燃烧特性进行了大量的实验提出了炭粒燃烧速率的 公式 Smith 等人试验研究了几乎所有系列的典型煤种和油焦燃烧的化学反应动力学 特性,并且进一步完善了粉状炭粒燃烧的化学动力学参数的确定方法Smith 和 Mckenzie 等人还在的基础上对柱塞流中煤粉的分散悬浮燃烧进行了模化提出了 燃尽与燃烧时间的关系Laurendeau 则讨论了多孔性和煤炭的孔径结构对焦炭反应 的影响Young 与 Niksa 对低品位煤的焦炭的燃烧速率进行了研究国内利用热重法 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 研究煤的燃烧特性始于年代末1979 年清华大学林灏教授首先将热重分析方法用于 煤的燃烧特性研究 煤的燃尽特性从上世纪九十年代初以来受到本领域国内外学者的广泛关注随 着热重分析TG差热分析DTA热显微镜X 射线衍射红外光谱和质谱等 技术的普及人们更易了解煤的燃烧行为从而提出了一系列关于煤着火燃烧和 燃尽的评价模型通过研究煤着火燃烧规律建立了煤的着火模型和煤的综合燃烧 模型[5]不仅为评价煤燃烧特性提供数学表达式还可深入研究煤粒燃烧机理得到 燃烧反应基本表达式[6]进而建立煤的燃尽模型得到燃烧指数和燃尽程度指标[7] HurtSun 和 Lunden 提出了焦炭燃尽模型The Carbon Burnout Mordel CBK以描 述己在试验中发现的焦炭的反应活性随燃尽度提高而下降的现象[8]Hurt 等人运用球 形模型 对煤粉燃尽度小于 90时的燃烧速率进行了比较准确的预报[9]徐旭常院士 等在所发表的研究报告[10]中提出这种活性下降的原因可能是未燃尽颗粒在高温条件 下的石墨化引起的 1.2.2 解决飞灰含碳量过高的方法研究现状解决飞灰含碳量过高的方法研究现状 由于煤价高企燃煤供应紧张燃用劣质煤和非设计煤种带来的飞灰含碳量增 高的案例在国内各发电企业中屡见不鲜湘潭发电有限责任公司两台600MW超临界 发电机组由于燃用非设计煤种 机组飞灰含碳量经常在10以上 严重影响机组经济 型[11]华能大连电厂4机组飞灰可燃物含量调整前一直保持在8左右经燃烧调整 后降为4[12]国电电力朝阳发电厂2锅炉机组由于锅炉本体结构不合理制粉系统 存在问题燃用煤种较杂以及运行调整不好等原因锅炉飞灰含碳量一直居高不下 [13] 江西丰城发电厂300MW机组飞灰含碳量某段时间内一直在10左右[14]大唐国 际下花园发电厂1锅炉由于燃煤与设计煤种相比热值偏低而灰分增大导致飞灰 含碳量较之前上升2- 3个百分点造成锅炉效率下降[15]湖北汉新发电有限公司固态 排渣燃煤机组2000年之前飞灰可燃物含量高达12- 16造成每年的经济损失达数百 万元[16] 为了解决飞灰可燃物过高给锅炉机组带来的各种问题各发电企业通过各种办 法来降低锅炉飞灰含碳量提高机组安全性和经济性一般来说有以下一些措施 例如加强锅炉飞灰含碳量的实时监测对锅炉机组及相关设备进行优化调整或者 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 通过对锅炉局部系统进行改造再就是进行混煤燃烧来达到降低锅炉飞灰含碳量的 目的 1对飞灰含碳量的预测及在线监测 由于目前的飞灰含碳量的测量主要停留在取样分析阶段这样这样测量出来的 数据至少比实际数据滞后几个小时而如果可以实现对飞灰含碳量的在线监测或预 测就能通过及时调整运行工况等措施来达到降低飞灰含碳量的目的因此对飞灰 含碳量在线技术的研究有重要的意义目前对飞灰含碳量进行预测和在线监测的相 关研究很多并且已经有相当部分研究成果运用到工业生产中包括人们长期使用 的传统的重量燃烧法在内目前的飞灰含碳量的测量方法视测量原理的不同主要 可以分为以下几类[17] 1流化床CO2测量法 通过向流化床燃烧室供给经调整的一定数量的空气将飞灰中的碳燃烧成CO2 测量CO2含量并据此算出飞灰的含碳量主要产品有英国 BristolBabcockLid 公司的 Clgma飞灰测碳仪样品量大约是2.5g测量时间约为5min测量精度0.5 2光学反射法 将灰样放入辉光放电室内用单色仪和光电探测器分辨辉光放电室内所产生的 发射信号根据单色仪的范围确定飞灰含碳量和灰的其它成分主要产品有丹麦 MW公司的“食蚁兽”样品量大约是3g测量时间为45min测量精度为0.5 3重量燃烧法 采集一定量的飞灰在高温下燃烧按照燃烧前后的重量差求得飞灰的含碳量 该法传统上是用于离线测量用的 但美国RupprechtPalashnick.Co公司开发了一种在 线监测的方法样品量大约是35g测量时间为15min测量精度为大约0.5 4红外线测量法 该法利用红外线对飞灰中碳粒反射率不同的原理进行测量按事先标定的反射 率直接得出测量结果在丹麦荷兰英国有多家公司有此类产品测量时间大约 为3min测量精度为0.5左右 5放射法 该法实际上是把飞灰看成是由 2 类物质组分构成的混合物一类是高原子序数 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 物质SiAlFeCaMg 等另一类是低原子序数物质CHO低能γ 射 线与物质相互作用的主要机理是光电效应和康普顿散射效应当飞灰中含碳量低时 光电效应较强而康普顿散射效应较弱反之则光电效应较弱而康普顿散射效应较 强因此通过核探测器记录的反散射γ射线强度的变化就可以测量出飞灰中的含碳 量黑龙江省科学技术物理研究所进行了相关的技术开发样品的实验测量精度小 于0.5 6微波吸收法 利用飞灰中碳对特定波长微波的吸收和对微波相位的影响来测量飞灰含碳量 应用该法制成的产品数量众多,主要有深圳赛达力电力设备有限公司生产的 MCM- III型飞灰测碳仪 测量精度为0.5左右 澳大利亚CSIRO矿产和工程公司开发 的微波测碳仪测量精度在 0.080.28之间测量时间4.25 极难燃尽区 N0.850.99 易燃尽区 RJ20.99 褐煤区 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.2.4 煤焦比表面积煤焦比表面积 S 法法 S 为管式炉制焦所得的比表面积其与 Vdaf的拟合公式见下式 S0.53e0.0899Vdaf R0.85 S14.8 一般情况下根据 Vdaf所做 S 的等级界限如下 S1.19 极难燃尽区 S﹥1.192.92 难燃尽区 S﹥2.926.00 中等燃尽区 S﹥6.0019.3 易燃尽区 S﹥19.3 褐煤区 2.2.5 压汞法测煤焦比表面积压汞法测煤焦比表面积 Si Si为国内某大学用压汞法所测煤焦比表面积其与 Vdaf的拟合公式见下式 Si1.063e0.0267Vdaf 一般情况下用 Si判别燃尽特性的等级界限如下 Si1.35 极难燃尽区 Si﹥1.351.77 难燃尽区 Si﹥1.772.19 中等燃尽区 Si﹥2.193.09 易燃尽区 Si﹥3.09 褐煤区 2.2.6 热显微镜法热显微镜法 用热显微镜判别煤的燃尽特性可分为膨胀型收缩型釉质型不变型四种 并做如下判断 1膨胀型着火燃尽最好 2收缩型燃尽比较困难 3釉质型易结渣 4不变型着火与燃尽均困难 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.2.7 表面反应速率系数表面反应速率系数 Ks法法 本综合指数是根据管式沉降炉煤焦燃烧试验结果制定的该研究在规定的试验 规范条件下对 20 种煤做了分析 KsAexp﹣E/RT 式中Ks表面反应速率系数 g/cm2sMpa E煤焦活化能 J/mol R通用气体常数 J/molK A频率因子 g/cm2sMpa T反应温度 K 当 T1673K 时Ks与 Vdaf的拟合公式如下 Ks0.368Vdaf19.310- 5 R0.77 上限0.368Vdaf22.310- 5 下限0.368Vdaf16.310- 5 用 Vdaf表示煤的可燃性比单纯用活化能 E 表示更为确切因为 E 与 A 对反应速 率的作用是相反的由 Vdaf得出如下等级界限 Ks22.610- 5 极难燃尽区 Ks﹥22.610- 526.310- 5 难燃尽区 Ks﹥26.310- 529.310- 5 中等燃尽区 Ks﹥29.310- 534.010- 5 易燃尽区 Ks﹥34.010- 5 褐煤区 2.3 煤质特性对煤粉燃尽性的影响煤质特性对煤粉燃尽性的影响 煤质特征总的来讲可以包括化学特性工业分析元素分析灰化学成分 硫的形态等物理特性密度粒度孔结构表面积和反射率力学特性弹 性硬度磨损度可磨性脆性等热特性发热量热容热导率热膨胀 系数热失重等电特性电阻率介电常数磁化率灰特性矿物特性 微量元素灰熔融性和岩石学分析显微组分镜质组反射率等对于动力煤 18 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 最重要的性质主要表现在煤的工业分析元素分析发热量灰熔融性灰成分 可磨性比表面积和孔径分布以及快速加热过程中的失重放热特性[41]本节将从 煤质特性的各个方面详细阐述煤质特性对煤粉燃尽性的影响 2.3.1 碳碳C的影响的影响 碳是煤中主要的可燃元素一般占煤成分的15- 85碳元素包括固定碳和挥 发份中的碳煤的埋藏年代越久碳化程度越深含碳量也越高碳在空气充足条 件下完全燃烧产生34040J热量而在空气不充足条件下燃烧则生产一氧化碳1g 碳仅能生成9910J热量而当一氧化碳进一步燃烧生成二氧化碳时放出热量为 24130J纯碳不易着火燃烧因此含碳量越高的煤其着火和燃尽较困难[42] 2.3.2 氢氢H的影响的影响 氢是组成有机物的重要元素之一是燃料中单位发热量最高的元素每千克氢 的低位发热量为120370KJ约等于纯碳的3.6倍但是它在煤中的含量不多一般为 2- 6一部分氢加热时形成氢原子易与相近的碳原子一起断裂形成低分子烃类 化合物促进了碳元素的着火和燃烧对煤的燃尽性有利 2.3.3 氧氧O和氮和氮N的影响的影响 氧和氮元素是有机物中的不可燃成分氧在各种煤中的含量差别很大煤的地 质年龄越短其氧含量越高无烟煤一般为1- 3而泥煤可达40氧常与煤中的 氢或者碳处于化合状态如CO2H2O等减少了可燃成分因而是一种对燃烧不利 的元素 而煤中的氮含量不多 约为0.5- 2 此外 氮和氧在高温下形成氮氧化物 是一种有害物质 2.3.4 水分的影响水分的影响 煤样的水分一般呈三种形式存在外在水分内在水分和化合水分各种煤样 的水分差别很大最少的仅2左右最多的则可达到50- - 60一般来说随着地 质年代的增加水分逐渐减少 煤中水含量大的话在燃烧过程中因为水蒸汽要吸收一部分热量使煤用于 发电的有效热能即低位发热量降低并且锅炉内温度也会因此降低会使着火困难 19 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 燃烧不完全导致机械不完全燃烧的热损失增加煤的水分增加会使着火热增加 着火困难燃烧稳定性变差但从燃烧动力学的角度看煤粉中含有适量的水分指 入炉煤粉中含有适量水分对燃烧过程有某些有利作用因为在高温火焰中水蒸汽 对燃烧过程是十分有效的催化剂水蒸汽分子可以加速煤粉焦炭残骸的气化和燃烧 增加煤焦的表面积水蒸汽还可以提高火焰的黑度加强到燃烧室炉壁的辐射传热 另外水蒸汽分解时产生的氢分子及其氢氧根又可以提高火焰的热传导率 2.3.5 挥发分的影响挥发分的影响 煤的挥发分是由各种碳氢化合物一氧化碳硫化氢等可燃气体二氧化碳和 氮等不可燃气体以及少量的氧气所组成[43]煤的挥发分含量与煤的地质年代有密切 的关系而且不同地质年代的煤开始析出挥发分的温度也是不同的挥发分燃烧 时放出的热量的多少也取决于挥发分的含量及其组成成分挥发分越多的煤越 容易着火燃烧也易于完全这是因为挥发分是气体可燃物其着火温度较低 着火容易挥发分多相对来说煤中难燃的固定碳含量偏少使煤易于燃烧完全 大量挥发分析出着火燃烧后可以放出大量热量造成炉内高温有助于固定碳的 迅速着火和燃烧因而挥发分多的煤也易于燃烧完全 焦炭是在挥发分燃烧完之后才开始燃烧如果煤种的含碳量很高如无烟煤 贫煤在炉膛内完全燃烧需要更长的时间更多的空气而这往往在室燃锅炉上很 难实现假如煤粉粘结性高一些煤粉着火燃烧后表面被焦粘结则内部的可燃质 很难燃烧而煤粉停留在炉膛内的时间只有12秒不完全燃烧损失就增大 无烟煤的燃尽程度远低于烟煤煤粉挥发分含量对其燃烧时的反应性和燃尽程 度有很大影响烟煤有较高的挥发分产率在热解和燃烧过程中挥发分的大量释 放使煤粒提前着火并形成多孔煤胞煤粒温度上升较快气孔的增多增加了燃烧反 应的比表面积炭粒燃烧剧烈表面和内部容易很快扩大孔洞使炭球表面残缺不 平炭网烧碎消失因此燃烧速度较快在相同的燃烧条件下有较高的燃尽度 低挥发分煤因其煤化程度高挥发分含量低煤发热量中挥发分的发热量比率亦低 等从而使煤的着火变得困难煤化程度加深也使其岩相结构紧密而稳定孔隙率 小使其磨碎性减弱反应性降低燃尽性能变差因此低挥发分煤种的着火与 燃尽都比较困难需要较高的着火和燃尽温度以及较长的燃尽时间 20 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图2- 2表示了锅炉飞灰可燃物与挥发分的关系曲线123分别代表3种不同的 锅炉燃烧时飞灰可燃物随挥发分的增加而减小的趋势 图 2- 2 飞灰含碳量与挥发份的关系 2.3.6 灰分的影响灰分的影响 煤中灰分是有害成分灰分含量增加煤中可燃成分便相对减少降低了发热 量当煤燃烧时煤中矿物质转化成灰分并会熔融它要吸收热量并由排渣带 走大量的物理显热灰分多使理论燃烧温度降低而且煤粒表面往往形成灰分外 壳妨碍煤中可燃质与氧气接触使煤不易燃尽灰分多使得燃烧空间温度下降 造成燃烧的不稳定从而影响煤的燃尽 灰分的存在以及灰中固有矿物质的存在对煤的燃烧具有下列几方面潜在的影响[32] 1热效应大量的灰改变了煤粒热特性当灰被加热到高温时它要消耗能 量并发生相变 2辐射特性灰的辐射特性不同于焦炭或煤的辐射性质灰的存在给碳的耗 尽提供了一个辐射传热的固态介质 3颗粒尺寸接近燃尽时焦炭粒往往破裂成更小的碎片这一破碎过程无 疑与焦炭中矿物质的含量和性质有关 4催化效应焦炭中不同的矿物质已证明能使焦炭的反应性增强尤其是在 低温条件下 5阻碍效应矿物质提供了一个障碍反应物如氧气必须通过这一障碍 才能到达焦炭尤其是接近燃尽时高矿物质含量将阻碍燃烧这是可能的由于 21 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 矿物质的软化和熔化燃烧会恶化 以上这些影响直接涉及矿物质对焦炭的燃烧的影响矿物质在实际燃烧系统的 运行中也起着活跃的作用 2.3.7 发热量的影响发热量的影响 单位质量的煤完全燃烧时所放出的热量称为煤的发热量有高位发热量和低位 发热量之分煤的发热量因煤种的不同而不同煤的发热量同锅炉燃烧的理论空气 量理论干烟气量湿烟气量及可达到的理论燃烧温度有关因此煤的发热量是 设计锅炉时的一个重要参数也是反映煤粉燃烧好坏的一个重要指标煤的发热量 大小是影响燃烧稳定性的重要因素燃煤发热量的降低将导致炉内温度水平降低 这对着火和燃尽都不利当燃料发热量降低到一定程度时会引起燃烧不稳火焰 闪烁灭火放炮以至必须投油助燃据试验数据统计燃煤的低位发热量每下降1 MJ/kg发电煤耗约上升20g/kW.h厂用电率约上升0.5 2.3.8 比表面积和孔隙率的影响比表面积和孔隙率的影响 影响煤粉燃烧特性的因素除煤的成分外还有煤的比表面积和孔隙结构[36]煤 是一种结合比较松散具有丰富微孔结构的多孔性物质密度从低煤化度煤的 1.1g/mm3到高密度热解石墨的2.33g/mm3孔隙率 体积 或自由空间分数 从0.2 到90内表面积从10- 1m2/g到104m2/g[44]煤粒中孔的结构是非常复杂的煤的比表 面积定义为单位质量的表面积而表面积为外表面积和内表面积之和煤颗粒内部 孔隙的表面积即为内表面积它通常比外表面积大几个到几十个数量级所以外 表面积与内表面积相比可以忽略不计孔愈小愈多表面积就愈大此时比表面 积和孔隙率对煤的燃尽特性的影响就更重要了 煤粉燃烧时挥发分是从煤的内部析出的析出后使煤具有孔隙性挥发分愈 多煤的孔隙愈多愈大使煤和空气的接触面增大即增大了反应表面积使反 应速度加快使得煤易于燃烧完全 煤粉燃烧过程中煤粒破碎对燃尽时间飞灰的粒径分布等会产生很大的影响 煤粒破碎的原因有很多主要包括颗粒内部温度梯度导致的热应力脱挥发分引 起的内外压差内在矿物质的聚结熔化等行为引起的结构变化碳元素消耗而引 22 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 起的结构变化等[45,46]破碎过程可以区分为一次破碎二次破碎逾渗破碎和磨损 等过程其中二次破碎与燃烧时焦炭颗粒内部结构中联结部分的燃尽断开有关破 碎过程产生许多碎片使有效反应面积增加颗粒燃尽时间减少转化效率提高 2.3.9 煤粉细度的影响煤粉细度的影响[42] 煤粉细度对其煤粉的燃烧和燃尽性能有较大影响 煤粉细度越大 即煤粉颗粒粒径 越大其燃尽性能较小粒径颗粒越差势必造成煤粉燃尽时间延长不完全燃烧损 失增大飞灰含碳量升高从而降低锅炉效率细煤粉虽然容易着火和燃烧但煤 粉颗粒过细将会增加制粉系统的耗电量和加大磨煤机的磨损量因此在锅炉设备 运行中应综合考虑不完全燃烧损失和制粉能耗的要求使之达到最小即寻找煤 粉经济细度或最佳细度以保证较高的锅炉效率和较低的飞灰含量 煤粉经济细度与燃料性质和煤粉颗粒的均匀程度有关对于高挥发分的煤因 其容易燃烧可允许磨得粗些对于低挥发分和可磨性指数较低的煤因较难燃烧而 应尽量磨得细些如果煤粉颗粒比较均匀造成不完全燃烧损失的大颗粒则相对较 少可允许煤粉粗些这与磨煤机和分离器的形式以及运行工况有关 图 2- 3 某锅炉煤粉细度与飞灰含碳量的关系 锅炉运行中一般煤粉细度为R90 1315对于挥发分为13左右的贫煤煤 粉细度R90维持在11一12有利于煤粉的燃尽图2- 3给出了国产某200MW燃煤锅 炉进行锅炉热态试验所得煤粉细度与飞灰含碳量间的关系,由图可知R90 14时飞 灰含碳量在8左右当R9010时飞灰含碳量一般在4左右由此可见降低煤 23 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 粉细度是控制飞灰含碳量升高的有效措施电厂的运行实践也表明煤粉颗粒比较均 匀时飞灰含碳量也有所下降 2.4 设备及运行方式对煤粉燃尽性的影响设备及运行方式对煤粉燃尽性的影响 在电厂实际生产中煤质特性并不是影响煤粉燃尽性的唯一因素由于煤粉的 燃烧过程是在炉膛中进行而且煤粉在进入炉膛之前还要经过磨煤机粗粉分离 器细粉分离器等进行煤粉的制备和分离之后具有合格煤粉细度的煤粉被一次风 送进炉膛燃烧因此在实际生产过程中磨煤机的出力粗细粉分离器的分 离效果一次风温和风速三次风温过量空气系数炉膛温度水平煤粉在炉膛 中停留时间空气动力场状况等均对煤粉的燃尽产生影响这些因素和煤质特性综 合作用决定了煤粉在炉膛中燃尽性的优劣 2.4.1 磨煤机的影响磨煤机的影响 磨煤机的作用是将原煤磨制成合格细度的煤粉同时对煤粉进行干燥然后将 煤粉送至粗粉分离器进行分离不合格的煤粉被送回磨煤机重新研磨直至合格在 中速磨煤机中煤粉的研磨同分离同时进行理论上讲煤粉在磨煤机中被研磨的 越细其在炉膛中越易于着火和燃尽但是由于制粉电耗的限制煤粉有其经济细 度的存在因此综合制粉系统经济性考虑磨煤机在经济细度下运行是最合理的 磨煤机出力包括磨煤出力和干燥出力磨煤机保持良好的出力是锅炉机组正常运行 的必要保证若磨煤出力降低虽然单位时间内磨制的煤粉量减少这部分煤粉虽 然在炉膛内可以获得相对多的空气量从而燃尽较完全但是由于煤粉量不足导致 炉内燃烧工况恶化温度水平降低有可能造成炉膛熄火等情况的发生若干燥出 力降低煤粉中水分增加这部分煤粉在炉膛中燃烧时由于水分的增加会导致着 火困难燃尽性降低 2.4.2 粗粗细细粉分离器的影响粉分离器的影响 粗粉分离器的作用是分离出合格的煤粉而将不合格的煤粉送回磨煤机重新研 磨细粉分离器的作用是将合格的煤粉从干燥剂热空气中分离出来粗细粉 分离器的分离效果直接影响着进入炉膛的煤粉颗粒的细度从而影响煤粉的燃尽性 24 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 例如细粉分离器工作不良导致粗煤粉颗粒随乏气从三次风喷口进入炉膛上部燃烧 由于炉膛上部温度水平较低且煤粉停留时间缩短造成飞灰含碳量升高 2.4.3 过量空气系数的影响过量空气系数的影响 充足而合适的空气量是煤粉在炉膛中完全燃烧的必要条件[54]过量空气系数过 小即空气供应量不足燃料燃烧得不到足够的氧气会使不完全燃烧热损失q3q4 增大若过量空气系数过大会使得炉内温度水平降低同时会使炉膛出口氧量增 大增大排烟热损失 2.4.4 炉膛内温度水平的