浅析煤质变化对锅炉燃烧的影响

浅析煤质变化对锅炉燃烧的影响

——廊坊市华源盛世热力有限公司说起燃烧，是我们日常生活中再普遍不过的现象，也是工业生产中一种最基本的能量转换方式。随着现代工业的发展，人们越来越倚重于能源，而对能源的利用多是通过燃烧方式来实现的，经过燃烧反应，燃烧的化学能以热能的形式释放出来，并为人所用。但是，到目前为止，由于人们对燃烧的认识仍然不够深入、燃烧技术相对落后，因此造成煤炭、石油、天然气等能源的燃烧效率不高、燃烧污染物排放严重等问题，并直接导致了当前的能源危机与环境危机。

在不同的领域中，对燃烧技术有着不同的要求，对于锅炉来说，燃料的燃烧主要为取得热能，并以火焰为媒介将热能传递给被加热的介质。合理组织炉内的燃烧，一直都是提高燃料利用率和改进锅炉工作的重要措施。

一、燃烧

燃烧是指燃料与氧化剂之间发生的强烈的化学反应，同时伴随着发光、发热的现象。但是燃烧并不单纯是一个化学过程，期间还涉及流动、传质、传热等过程的综合作用，因此燃烧是一个极其复杂的物理化学过程。那么影响这个过程的因素有很多，（1）燃烧所需的空气量（2）空气与燃料充分接触（3）燃烧的时间（4）燃烧所需的空间，具体到锅炉燃烧上，还包括锅炉的负荷，煤质的变化，炉膛温度。本文将就煤质变化对锅炉燃烧的影响进行分析。

首先要了解煤燃烧是个怎样的过程，煤的燃烧是固体与气体之间进行多相扩散燃烧过程，这是一个极其复杂的反应过程。煤燃烧的实质，就是在空气中氧气参与下，进行复杂的物理化学过程。在燃烧过程中，煤的可燃物在受热下，形成与原始结构不同的可燃组成物，将煤中的化学能转化为热能，形成燃烧产物—烟气；煤中所含的矿物质最后形成灰渣。

而煤的燃烧过程在不同的空间内又呈现出不同的状态，本厂的燃烧设备是链带式链条炉排，此种炉排的燃烧特点是着火条件差，煤的着火主要靠炉膛火

焰和拱的辐射热，因而上面的煤先着火，然后逐步向下燃烧。这样的燃烧在炉排上就出现了明显的区域分层。煤的燃烧在链条炉排上大致经过四个阶段，（1）煤进入炉膛后，随炉排逐渐由前向后缓慢移动，在炉排的前部，是煤的燃烧准备区，主要进行煤的预热和干燥；煤在105℃以上经过一定的时间就能将自身的水分全部蒸发，即全水分（内在水分和外水分之和）。

（2）紧接着是挥发分析出着火并开始进入燃烧区；随着温度的继续升高，煤中有机质开始热分解，热分解成两种产物，一种是从煤大分子上断裂下来的侧链和官能团所形成的挥发分，在挥发分气体中主要有CO、CO2、H2、H2O、CH4以及各种烃类化合物、含硫、含氮化合物等，另一种是稠环芳香核缩聚为焦炭（固定碳）。

当达到煤的燃点后，一般烟煤在200—460℃，挥发分开始燃烧，一方面把热量传给焦炭，一方面消耗少量的氧气，挥发分的燃烧是个极其短暂的过程，煤的大部分挥发分都在炉排前部燃烧完了，但是挥发分和焦炭的燃烧又是交叉平行进行的，所以仍有少量的挥发分在以后的燃烧过程中不断的析出，甚至延续到燃尽阶段。这一阶段的反应主要如下：

CO+1/2O

2→CO

2

+283kJ/mol

H 2+1/2O

2

→H

2

O+242kJ/mol(g)或286kJ/mol(l)

S+1/2O

2→SO

2

+296kJ/mol

（3）在炉排的中部，是焦炭燃烧区，该区温度很高，同时进行着氧化和还原反应过程，放出大量热量；焦炭的燃烧占整个燃烧过程的90%左右，因为煤的主要可燃成分就是固定碳，所以有人也称煤的燃烧实质上就是碳的燃烧，这一过程中主要是碳和氧气的化学反应过程。主要反应如下：

完全燃烧：C+O2→CO2+409kJ/mol

不完全燃烧：C+1/2O2→CO+123kJ/mol

焦炭在燃烧过程中还容易发生气化反应，使固态煤焦转化成气态，从而加速了燃烧过程。这些反应有：

C+CO2→2CO-162kJ/mol

C+H2O→CO+H2-199kJ/mol

C+2H2O→CO2+2H2-75kJ/mol

CO+H2O→CO2+H2-42kJ/mol

CO+3H2→CH4+H2O+206kJ/mol

（4）在炉排的后部，是灰渣燃尽区，对灰渣剩余的焦炭继续燃烧，但是由于燃料煤的不完全燃烧导致灰渣中的可燃成分碳的增多，既浪费了燃料，降低的锅炉的热效率，也给环境带来了不良影响。化学运行人员每天都对大灰含碳量进行检测，这在一定程度上反映了煤的燃烧状况。链条锅炉燃煤状况还与煤的品种、质量有关。若煤的灰分高、挥发分低、热值不高，起火困难，燃烧速度趋缓，难于燃尽，灰渣的含碳量就会高。

以上各阶段可能是串联发生的，但在锅炉燃烧室中，实际上各阶段是相互交叉，或某些阶段是同步进行的，如挥发分和焦炭的燃烧。在燃烧准备区和燃尽区都不需要很多空气，而在焦炭燃烧区则必须保证有足够的空气，如果不采取分段送风，会出现空气在炉膛前后两端过剩，在中部不足的弊病。

二、煤质对燃烧的影响

说完燃烧，接下来我们就要切入主题，分析煤质的变化如何影响燃烧。

众所周知，煤是由古代的植物经过漫长年代的演变而形成，煤的主要成分是碳，但在形成的过程中，由于受到压缩而坚固，其中所含水分挥发物不断减少，因此碳的含量不断增加，而H、N、O的含量则不断减少，这一过程称为煤的煤化过程。根据煤的煤化程度可以把煤炭分为四大类型：泥煤，褐煤，烟煤和无烟煤。本厂所使用的煤种为二类烟煤AⅡ，烟煤的主要特点是挥发分产率范围大，燃烧时有烟，火焰较长，易于着火燃烧，具有焦结性。

同一类煤种要想区分它的优劣，主要从煤的四个成分分析基准来评价和比较。应用基、分析基、干燥基和可燃基，在这里我首先阐述一下煤的工业分析，因为工业分析的内容与这四种分析基准有着密切的联系，煤的工业分析有水分、灰分、挥发分和固定碳，比如说，水分这个指标，通常指的是全水分，煤的工业分析测量的就是全水分，我们分为外在水分和内在水分，外在水分很容易在常温下的干燥空气中蒸发，而内在水分是吸附在煤颗粒内部毛细孔中的水分，必须在105℃以上经过一定时间才能蒸发，我们通常所说的全水分也称为应用基水分。

1、应用基，以收到状态的煤为基准，即进厂原煤或炉前煤，应用基将包括全部水分和灰分的燃料及各种成分之和当作100%。在煤的工业分析中全水分的测量是在此种基准下测得的。

煤的水分直接影响煤的使用、运输和储存。煤的水分增加，煤中有用成分相对减少，且水分在燃烧时变成蒸汽要吸热，因而降低了煤的发热量。煤的水分增加，还增加了无效运输，并给卸车带来了困难。煤的水分也容易引起煤炭粘仓而减小煤仓容量。同时煤水分增加使燃煤入炉后干燥时间加长，水分的蒸发需要吸收热量，这对煤的着火不利。具体有以下几点弊端：

（1）减少了燃料的可燃质含量，发热量降低（2）在燃烧时吸热，使其蒸发和将蒸发的水蒸气加热，延长了煤的点燃时间，降低炉温而恶化燃烧（3）燃烧时，烟气体积增大，锅炉排烟热损失增加，热效率降低，同时还会加剧尾部受热面的低温腐蚀和堵灰

但是煤中少量的水分对着火有利，从燃烧动力学角度看，在高温火焰中，水蒸汽对燃烧具有催化作用，可以加强焦炭的燃烧，可以提高火焰温度，加强燃烧室水冷壁的辐射换热。另外，水蒸汽分解时产生的氢分子和氢氧根，可以提高火焰的传导率，所以煤在进入炉膛之前司炉工都在输煤皮带上给煤打水，再由化验人员每天监测炉前煤水分。煤水分控制在8—12%为宜。

2、分析基，又名为空气干燥基，以与空气湿度达到平衡状态的煤为基准，即以实验室条件（温度20℃，相对湿度为60%）下进行自然干燥（除去外在水分）后的煤取样。

3、干燥基，以假想无水状态的煤为基准，即除去全部水分的煤，煤的工业分析中发热量和灰分都是以干燥基的基准来测得的。

煤的发热量是反映煤质好坏的一个重要指标，也是计算燃料消耗量、热效率等时的不可缺少的依据，燃料的发热量是指单位质量或单位体积的燃料在完全能燃烧时所放出的热量。本厂所用燃煤的发热量要求在5000大卡以上。煤的化学成分中C、H均为主要的可燃物质，它们在与氧气的反应中都释放出大量的热量，如果这些可燃物质少那么发热量自然会低，而低发热量的煤，不仅会影响燃烧不稳定、不完全，而且会导致锅炉灭火，使锅炉出口温度很难达标，影响正常运行。

煤的灰分在燃烧过程中，不但不发出热量，而且还要吸收热量。灰分含量越大，发热量越低，容易导致着火困难和着火延迟，同时炉膛温度降低，燃烧不完全，造成飞灰可燃物升高。灰分含碳量增大，碳粒可能被灰包裹着，碳粒表面燃烧速度降低，火焰传播速度减小，造成燃烧不良。另外烟气中的灰粒含量多，使锅炉受热面的磨损加剧、除尘量增加、锅炉飞灰使受热面积灰多，受热面传热能力下降，降低了锅炉效率。

4、可燃基，以假想无水、无灰状态的煤为分析基准。

煤的工业分析中挥发分的测定就是在无水无灰的状态下测得。在煤的各项特性中，挥发分的性质含量占有特殊的低位，它决定着火的难易程度和整个焦炭燃烧过程。

挥发份在较低的温度下能够析出和燃烧，随着燃烧放热，焦炭粒的温度迅速提高，为其着火和燃烧提供了极其有利的条件。另外，挥发份的析出，又增加了焦炭内部空隙和外部反应面积，有利于提高焦炭的燃烧速度。因此，挥发份含量越大，锅炉难燃的固定碳成分越少，煤越容易燃尽、挥发份析出的孔隙多、增加反应表面积，使燃烧反应加快。挥发份含量低时，煤着火温度显著升高，着火热随之增大，着火困难达到燃烧所需的时间延长，燃烧稳定性差，火焰中心上移，炉膛辐射受热面吸收的热量减少，对流受热面吸收的热量增加，尾部排烟温度升高，排烟损失增大。

应用基，分析基，干燥基和可燃基这四种基准可以通过换算系数来互相转换。

另外煤的黏结性和结焦性，化学反应性，热稳定性等都会影响锅炉的燃烧，只是分量轻些。

三、煤的颗粒大小对燃烧的影响

煤的粒度对锅炉的燃烧也有很大影响。煤粒过大时，煤粒在锅炉内燃烧时停留的时间过短，煤炭中的焦炭，没有完全燃尽，炉渣中的含碳量增大，增加了锅炉炉渣中的物理损失；颗粒度过小，细颗粒的煤被风带走，碳与氧不能很好的接触发生化学反应，易形成黑带，同时细颗粒的煤，也容易被风吹起，很快随着烟气被带走，增加了锅炉烟气中的飞灰损失，因此要根据煤炭粒度，合理调整风量。

四、建议采取的应对措施：

有了以上的理论知识，方便我们在实践中更好的调整燃烧，使燃烧达到最佳状态，提高锅炉热效率。本厂的煤种变化大，因为一两个月就要进一批新煤，由于种种原因，煤炭的各项成分指标都有不同程度的改变，这就需要锅炉运行人员根据不同煤质的分析来调整燃烧，如煤层厚度，配风时间及多少等。针对煤质变化引起的锅炉运行困难，我们应该面对现实，因为有些客观原因是无法避免的，在实际运行过程中，就应积极试验和摸索，制定相应的可操作性强的应对措施，努力调整好锅炉的燃烧稳定工作，保证锅炉出口温度达标和减少辅助设备的运行故障，保证整个工作安全、稳定、经济运行。措施如下：（1）加强锅炉运行人员的技术操作水平，使锅炉运行人员及时掌握新进煤的分析情况，特别是煤的发热量、挥发份、灰分及炉前煤水分多少等，以便针对不同的煤质进行相应的燃烧调整。输煤时，输煤工要与当班司炉及时沟通，对含水量较低或粒度较小、较大时可采用适当的方法调整等。

（2）加强各煤种的燃烧配风技术，通过不断进行燃烧调整、试验，探索出不同煤种燃烧时的配风等运行参数，以提高各煤种、特别是劣质煤的利用率，降低锅炉运行成本。

（3）加强对锅炉运行的燃烧调节工作，保证煤与空气量要相配合适，并且要充分混合接触，炉膛要尽量保持高温，以利于燃烧；调整锅炉负荷，监视炉膛负压、排烟温度等，使锅炉运行参数，保持最佳数值。对于煤颗粒不均匀等原因引起的燃烧不完全、燃烧不均匀，应对燃煤的颗粒大小合理分配进行调整。

（4）加强对锅炉送风机和炉膛温度的控制，保持较高的炉膛温度，有利于煤的着火和燃尽，炉膛温度越低越不利于燃烧。

（5）加强煤质化验管理，采取有效的措施，及时准确的化验结果，及时提供给相关部门车间，以便于管理人员选择合理的运行调节方法，最大程度的降低煤质变化，对锅炉运行燃烧带来的不利影响，实现锅炉优化运行，不仅可以提高整体的经济效益，最重要的是可以保证整个系统运行正常、安全、稳定、经济。