发电厂锅炉燃料及特性讲解

锅炉燃料及特性

第一节概述

锅炉是将燃料的化学能转换为蒸汽热能的设备。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界煤产量的25％。我国煤炭资源相对较为丰富，分布也广，而石油和天然气资源相对不足，目前我国火力发电厂的主要燃料是煤，预计到21世纪中叶，我国能源消耗仍是以煤为主。

煤种是锅炉设计的主要依据，煤种的特性会影响炉膛尺寸，燃烧设备和燃料制备系统、受热面大小和布置、烟气处理等等。不同的燃料性能要求配备不同的制粉系统、燃烧器结构和炉膛及锅炉本体型式，随之采取不同的运行参数及操作要求。

燃料特性、锅炉结构和运行方式是影响锅炉性能的三个要素，而后两项的主要依据是燃料特性，只有充分掌握燃料性能，采取相应的设计、运行措施，才能达到锅炉安全经济运行的目的。

第二节煤的主要成分和特性

煤的组成及各种成分，一般按元素分析和工业分析两种方法来进行研究。元素分析只能确定元素含量的质量百分比，它不能表明煤中所含的是何种化合物，因而也不能充分确定煤的性质。但是，元素组成与其他特性相结合可以帮助我们判断煤的化学性质。元素分析比较繁杂，电厂一般只作工业分析，它能了解煤在燃烧时的主要特性。

一、煤的元素分析

煤的元素分析成分，即煤的化学组成成分。

煤的成分包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）五种主要元素以及水分（W）和灰分（A）。

煤的各种成分性质如下：

1.碳

碳是煤中的主要可燃物质。通常各种煤的含碳量约占其可燃烧成分的50~90%。煤中的碳不是以单质状态存在，而是一部分与氢、氧、硫等结合成挥发性的复杂化合物，其余部分为煤受热析出挥发性化合物后余下的那部分，即固定碳。煤中固定碳含量越高，越不容易着火和燃尽。1公斤碳完全燃烧可放出32866KJ的热量。

2．氢

煤中的氢，一部分与氧结合，叫做化合氢，不能燃烧放热；另一部分在煤受热时会挥发成氢气或各种碳氢化合物形成（C m H n）的气体，它们极易着火和燃烧。1公斤氢完全燃烧时约放出119743KJ的热量。

3．氧和氮

氧和氮都是不可燃元素，它们的存在使煤中的可燃元素相对减少，燃烧放出的热量降低。

煤中含氮量一般不多，只有0.5~2%，但燃烧时会形成有害气体氧化氮（NO x），污染大气。

4．硫

煤中硫可分为有机硫和无机硫两大类。有机硫和煤中的C、H、O等结合成复杂的化合物，均匀地分布在煤中。无机硫包括黄铁矿硫（FeS2）和硫酸盐硫（CaSO4、MgSO4、NaSO4）等。有机硫和黄铁矿硫可以燃烧，合称为可燃硫。硫酸盐不能燃烧，故并入灰分。

煤中可燃硫的含量一般不超过1~2%。硫燃烧时的放热量不多，仅及碳的1/3.5左右。但硫燃烧后形成的SO3和SO2，与烟气中的水蒸汽相遇，能形成H2SO4和H2SO3蒸汽，并在锅炉低温受热面等处凝结，从而腐蚀金属。此外，SO2和SO3随烟气排入大气，对人体和动、植物带来危害。硫是煤中的有害元素。

5．水分

煤的水分是由外部水分和内部水分组成。外部水分，即煤由于自然干燥所失去的水分，又叫表面水分。失去表面水分后的煤中水分称为内部水分，也叫固有水分。

水分的存在使煤中的可燃元素相对减少，同时它在煤燃烧时要汽化、吸热，从而使燃烧温度降低，甚至会使煤难于着火。同时由于水分在煤燃烧后形成水蒸汽，使烟气体积增加，即增加引风机电耗，又带走大量热量，降低锅炉热效率。另外，原煤的水分过大，常会造成煤斗或落煤管道粘结，甚至堵塞，并增加碎煤和制粉的困难。

6．灰分

煤中含有不能燃烧的矿物杂质，它们在煤完全燃烧后形成灰分。灰分的存在不仅使煤中的可燃元素相对减少，还会阻碍空气与可燃质接触，增加不完全燃烧损失。灰分在燃烧时会熔化、沾污受热面（结渣或积灰）、降低传热系数。烟气中的飞灰会磨损受热面，因而限制了烟速的提高，也影响传热效果。同时飞灰随烟气排入大气，会造成环境污染。因此，和水分一样，灰分也是燃料中的有害成分。

二、煤的工业成分分析

工业分析主要测定煤中的水分、挥发分、固定碳和灰分含量，用以表明煤的主要燃烧特性。根据工业分析测定的项目，煤的组成可用水分、挥发分、固定碳和灰分来表示。

三、煤的分析基准表示方法

1．煤的分析基准

为了确切地反映煤的特性，不但要知道煤的成分，还应当知道分析煤成分时煤所处的状态。同一种煤当其所处的状态不同时，分析得出的成分含量，百分数是不同的。常用的基准有收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基四种，它们的工业和元素分析结果表达如下：（1）收到基以收到状态的煤为基准来表示煤中各组成成分的百分比。用下标ar表示，它计入了煤的灰分和全水分。其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：M ar+A ar+V ar+FC ar=100%

元素分析：C ar+H ar+N ar+S c.ar+O ar+A ar+M ar=100%

式中：M ar，A ar，V ar，FC ar，C ar，H ar，N ar，S c.ar，O ar为煤中的水分、灰分、挥发分、固定碳、碳、氢、氮、可燃硫、氧成分的收到基含量的百分数。

（2）空气干燥基由于煤的外部水分变动很大，在分析时常把煤进行自然风干，使它失去外部水分，以这种状态为基准进行分析得出的成分称为空气干燥基，以下角码ad表示。其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：M ad+A ad+V ad+FC ad=100%

元素分析：C ad+H ad+N ad+S c.ad+O ad+A ad+M ad=100%

（3）干燥基以无水状态的煤为基准来表达煤中各组成成分，以下角码d表示。其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：A d+V d+FC d=100%

元素分析：C d+H d+N d+S c.d+O d+A d=100%

（4）干燥无灰基除灰分和水分后煤的成分，这是一种假想的无水无灰状态，以此为基准的成分组成，以下角码daf表示。其成分可用下列平衡式表示：

工业分析：V daf+FC daf=100%

元素分析：C daf+H daf+N daf+S c.daf+O daf=100%

煤中本来只有碳、氢和可燃硫三者为可燃成分，但由于氧和氮总是同可燃元素结合在一起，故常把去除水分和灰分后的成分都算作可燃部分，以此为基准进行分析得出煤的干燥无灰基成分。

煤的四种基准各有其用途。当进行锅炉热力计算和热力试验时采用收到基成分：为了避免煤的水分在分析过程中变动，煤样要先进行自然干燥，故在试验室进行煤的分析时采用空气干燥基成分，目前各煤矿提供的分析资料，也多为空气干燥基成分；当确定煤中灰分含量时，需要引用干燥基成分，因为只有在不受水分变化影响的情况下，才能真实的反映灰分的含量；实际上煤中的水分和灰分都容易受外界因素的影响而发生变化，这就势必影响煤中其它成分的含量，因此常用比较稳定的干燥无灰基成分来表明煤的燃烧特性和划分煤的种类。一般同一矿井的煤干燥无灰基成分不会发生很大变化，因此煤矿的煤质资料以干燥无灰基成分为基准比较合理。

2．各种基准的换算

煤的各种基准成分之间，可以互相换算。由一种基质成分换算成另一种基质成分时，只要乘以一个换算系数即可。从表2-2中可以查出煤的各种基质之间的换算系数。

分析结果要从一种基准换算到另一种基准时，可按下式进行

Y=KX0

式中 X0——按原基准计算的某一组成含量百分比；

Y——按新基准计算的同一组成含量百分比；

K——基准换算的比例系数（见表2-2）。

在表示试验项目的分析结果时，须在试验项目的代表符号下端标明基准，才能正确反映燃煤质量。

表2-2 不同基准的换算系数