高水分褐煤燃燒對鍋爐的影響研究

趙亞瑩

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

褐煤是煤化程度較低的煤種，主要賦存在內蒙古、云南和黑龍江等省區。褐煤具有高水分、低熱值、高揮發分、較低的熱穩定性、低燃點等特點[1]。目前褐煤主要用來直接燃燒發電，國內的多家電廠主要以褐煤為燃料。由于褐煤中含有20－50%左右的水分，直接參與燃燒時，會降低燃燒溫度，增加排煙熱損失，降低鍋爐效率，增加煤耗量。本文將研究褐煤水分對燃料熱值、煙氣量、爐膛溫度、排煙熱損失、鍋爐效率、耗煤量等的影響規律。為褐煤干燥系統的技術經濟分析提供依據。

1 褐煤水分對其熱值的影響

燃煤鍋爐熱力計算時用到的燃料熱值，是煤的收到基低位熱值。煤的收到基低位熱值是煤質資料中的重要數據，當煤的水分從Mar1變至Mar2，而其他成分不變時，如以Mar1時煤的熱值為基準，則熱值的變化率為:

式中，Mar1、Mar1時為煤的收到基水分，%;Qnet，ar2、Qnet，ar1分別為水分Mar1和Mar2時煤的收到基低位熱值，kJ/kg。

褐煤的收到基成分為[3]:碳34.65%，氫2.34%，氧10.48%，氮0.57%，硫0.31%，水分34.63%，灰分17.02%;收到基低位熱值12288.3 kJ/kg。計算可知，當水分增值55% 時，熱值為8459 kJ/kg;當水分降至15% 時，熱值為15978 kJ/kg，當水分在15% ～55% 之間變化時，熱值變化率見圖1。可見，水分增加時，熱值呈比例降低。

2 褐煤水分對單位重量燃料燃燒煙氣量的影響

煙氣量的計算公式為[2]:

式中，Vy、VRO2、V0分別為煙氣量、CO2/SO2體積、理論氮氣體積、理論水蒸氣體積、理論空氣量，Nm3/kg，按文獻[2]中公式計算;α為過量空氣系數。

當煤的水分變化時，煤中其他成分所占份額也隨之變化，造成V0、VRO2、、Vy等變化。其中，以Mar1時煙氣量為基準的煙氣量變化率為:

對褐煤來說，水分為15～55%時，煙氣量變化率與水分間的關系見圖2。由圖2可見，單位重量燃料燃燒產生的煙氣量(Nm3/kg)隨水分的降低而增加。因為水分降低時，盡管煙氣中H2O減少，但煤中C、H、S、N等成分是增加的，煙氣中RO2、N2增加，另外，V0也增加，造成煙氣量隨水分的降低而增加。

圖1 褐煤的熱值變化率隨水分的變化

圖2 煙氣量變化率與水分的關系

3 褐煤水分對燃料消耗量的影響

煤的水分變化時，由于熱值變化，煤耗量必然變化。降低褐煤水分，增加熱值，減少煤耗量，降低運輸費用，是褐煤干燥的主要目的之一[2，3]。

煤耗量的計算公式為:

式中，B為煤耗量，kg/s;為鍋爐總有效利用熱量，kW。

當煤的水分從Mar1變至Mar2時，以Mar1時煤耗量為基準的煤耗量變化率為:

水分對煤耗量的影響很大，如將煤中的水分從35%降到15%，煤耗量就可減少約23%，這種影響主要是燃料熱值變化引起的。

4 褐煤水分對絕熱燃燒溫度的影響

絕熱燃燒溫度根據爐膛有效放熱量和爐膛出口過量空氣系數確定，爐膛有效放熱量的計算公式為:

式中，Q1為爐膛有效放熱量，kJ/kg為爐膛出口過量空氣系數;Δα1、Δαzf分別為爐膛漏風系數和制粉系統漏風系數為熱空氣焓，kJ/kg。爐膛有效放熱量和絕熱燃燒溫度變化率分別為:

爐膛有效放熱量變化率和絕熱燃燒溫度變化率與水分間的關系見圖、圖4，計算中，取=1.15，Δα1=0.02，Δαzf=0.01，熱空氣溫度為300℃。由圖3可見，爐膛有效放熱量變化率隨水分的降低而大幅度增加，這是因為燃料熱值隨水分的降低而大幅度增加的原因，但絕熱燃燒溫度變化幅度相對較小:水分為15%時，絕熱燃燒溫度為1916℃;水分為55%時，絕熱燃燒溫度為1607℃。絕熱燃燒溫度會影響鍋爐受熱面的布置。

圖3 爐膛有效放熱量變化率與水分間的關系

圖4 絕熱燃燒溫度變化率與水分間的關系

5 褐煤水分對電廠經濟性的影響

褐煤中含有20% ～50%的水分，當用作電廠燃料時，一方面長距離運輸這些高水分和低熱值的褐煤，要花費較高的運費;另一方面由于水分蒸發的過程會帶走大量熱能，使得燃燒排煙熱損失嚴重，鍋爐熱效率降低，也使得下游其他裝置利用效率降低，增加了設備規模，電廠凈效率降低。

干燥前燃煤水分為40%，根據該褐煤干燥的中試結果，干燥后的水分為15%，干燥前后煤的元素分析與工業分析成分如表1所示。

表1 干燥前后煤元素分析與工業分析

煤的燃燒產物計算、鍋爐熱平衡計算與鍋爐校核熱力計算均按現行有關計算規程，空氣預熱器出口過量空氣系數取1.28。計算結果如表2所示。對表2的計算數據進行綜合分析:對同一種煤，當煤干燥前后水分變化時，可得到以下結果:

(1)燃煤干燥后，由于煤中可燃質的比例增加，所以，煤所需的理論空氣量增加了41.7%，產生的煙氣容積增加了32.1%。

(2)褐煤干燥后，由于燃煤發熱量得到大幅提升，爐膛理論燃燒溫度升高217℃，爐膛平均溫度升高，爐膛內的輻射換熱增強，換熱量增加，爐膛出口煙溫比干燥前降低約20℃。

(3)對流受熱面的校核熱力計算表明，燃煤干燥后排煙溫度比干燥前降低約15℃。單位時間的對流換熱量也相應增加，但是，由于干燥前的燃煤量很大，按每kg燃煤計算的對流換熱量較少，使得排煙焓較大，因此，排煙溫度較高。

(4)燃用干燥后的煤其排煙溫度降低，雖然以單位質量燃料計算的排煙熱損失 Q2增大，但是由于收到基低位發熱量增大較多，以輸入熱量%計算的排煙損失q2減小，鍋爐效率提高了1.16%。

(5)在相同的有效利用熱條件下，實際送入爐膛的燃料消耗量減少了34%;若按干燥前的原煤量計算，則減少了6.5%，即由于鍋爐熱效率提高，使得原煤消耗量減少了6.5%。

(6)從表2的計算結果分析得到:燃用干燥后的煤其排煙損失也比直接燒原褐煤低0.84個百分點，鍋爐效率也相應提高了0.84個百分點。

表2 干燥前后燃燒計算與鍋爐熱力計算結果

5 結 論

本文研究了褐煤高水分對燃料熱值、煙氣量、爐膛溫度、排煙熱損失、鍋爐效率、耗煤量等的影響規律，并進行了計算，主要結論為:

(1)水分增加時，熱值呈比例降低。

(2)單位重量燃料燃燒產生的煙氣量隨水分的降低而增加，但總煙氣量隨水分的降低而降低。

(3)水分增加時，排煙熱損失增加，鍋爐效率降低。表現在變化率上:排煙熱損失變化率較大;而鍋爐效率變化率較小。

(4)水分對煤耗量的影響很大，水分增加時，煤耗量增加。

(5)爐膛有效放熱量變化率隨水分的降低而大幅度增加，絕熱燃燒溫度隨水分的降低增加。

(6)褐煤干燥后對鍋爐效率有明顯的提高。

[1]萬永周，肖雷，陶秀祥，劉炯天.褐煤脫水預干燥技術進展[J].煤炭工程，2008(8):91－93.

[2]邵俊杰.褐煤提質技術現狀及我國褐煤提質技術發展趨勢初探[J].神華科技，2009，7(2):17－22.

[3]郭樹才.褐煤新法干餾[J].煤化工，2000(3):6－8.

[4]熊友輝.高水分褐煤燃燒發電的集成干燥技術[J].鍋爐技術，2006(S1):46－49.