張曉峰，李彥超，李芳芹

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，我國(guó)的電力事業(yè)得到了迅猛發(fā)展.據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2010年1月我國(guó)電力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量達(dá)到8.74×108kW，其中，火電總裝機(jī)容量達(dá)到6.52×108kW，約占全部裝機(jī)容量的74.6%.按照我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的總目標(biāo):2020年發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.6×109kW，其中火力發(fā)電機(jī)組將占總裝機(jī)容量的60%以上［1］.因此，火力發(fā)電機(jī)組仍是我國(guó)電力行業(yè)的主力機(jī)組.另外，中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，也是唯一以煤炭為主的能源消費(fèi)大國(guó)［2］.原煤消耗占能源消費(fèi)總量的68%，電煤的消耗總量約占原煤消耗總量的50%.但由于我國(guó)煤炭資源的分布不均，導(dǎo)致電站的燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種有較大差異，從而使鍋爐的燃燒效率大幅度下降，燃煤電站的平均煤耗比美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家高出20%～30%.

為了緩解燃料供應(yīng)緊張的局面，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)電成本，各電廠開始燃用兩種或多種按一定比例摻配的混煤.由于東北地區(qū)褐煤資源比較豐富，當(dāng)?shù)馗麟姀S開始摻燒褐煤，而且比例逐年增加.據(jù)統(tǒng)計(jì)，1982年各類牌號(hào)的煤摻燒已高達(dá)44%;1987年，哈爾濱成套設(shè)備研究所曾對(duì)全國(guó)428個(gè)主力火電廠的基本情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大部分電廠很難燃用設(shè)計(jì)煤種，摻燒各種混煤的現(xiàn)象相當(dāng)普遍，并且有些電廠的設(shè)計(jì)煤種即為混煤［3］，但由于我國(guó)的混煤摻燒技術(shù)并不成熟，不可避免地產(chǎn)生了一些諸如揮發(fā)分的不同造成燃料燃燒不充分，以及燃料熔融點(diǎn)的不同造成鍋爐結(jié)渣、污染物排放量增加等問題.

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從事混、配煤技術(shù)研究較早的國(guó)家有美國(guó)、德國(guó)、日本、荷蘭和加拿大等.使用混煤的目的是降低煤粉燃燒的污染物排放量，降低鍋爐的結(jié)渣、沾污和積灰等，充分利用高熱值煤，使煤的發(fā)熱量、灰分及礦物質(zhì)含量保持穩(wěn)定，以滿足不同用戶的需要［4］.在美國(guó)，由于燃用的動(dòng)力煤均為優(yōu)質(zhì)煤，所以配煤的目的主要是控制SOx排放.美國(guó)東部和中部地區(qū)煤的含硫量大，而西部煤含硫量較小，燃用東部和中部煤的電廠若想達(dá)到降低SOx排放量的環(huán)保要求，只有兩種選擇:一是采用昂貴的清洗和脫硫設(shè)備;二是采用摻燒西部低硫煤的方法，使 SOx的排放量符合環(huán)保要求［5］.因此，許多電廠采用了東部或中部煤摻燒西部煤的方法.目前，美國(guó)一些機(jī)構(gòu)也正在研究如何摻燒劣質(zhì)煤，以降低發(fā)電成本.德國(guó)混煤研究起源于20世紀(jì)70年代初，主要側(cè)重于在褐煤中摻燒煙煤，使機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，從而提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性.

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)混煤摻燒進(jìn)行了大量研究.國(guó)內(nèi)配煤技術(shù)最早是在1979年初由上海市燃料總公司提出和應(yīng)用的.目前，全國(guó)燃料系統(tǒng)已經(jīng)先后在北京、天津、上海、沈陽、南京等城市建立了動(dòng)力配煤生產(chǎn)線.到20世紀(jì)90年代全國(guó)已經(jīng)建成該類生產(chǎn)線200余條，年配煤量2.0×107～3.0×107t［6］.在配煤方式方面，國(guó)內(nèi)最常用的是將兩種煤按照發(fā)熱量和揮發(fā)分的要求進(jìn)行一定比例的摻混，并未綜合考慮著火、燃盡、結(jié)渣和污染物排放等因素，因此盡管在煤種適應(yīng)性上有一定效果，但在燃燒效率、結(jié)渣積灰、污染物排放等方面仍存在不少問題.也有極少數(shù)煤場(chǎng)采用集中配煤，但目前這些煤場(chǎng)配煤系統(tǒng)尚不完善，缺乏充分的科學(xué)依據(jù)，只是對(duì)不同煤種作簡(jiǎn)單機(jī)械的摻混，無法顧及上述諸多復(fù)雜因素，因而無法保證配煤質(zhì)量.

配煤技術(shù)的發(fā)展受到混煤燃燒研究發(fā)展的制約.由于混煤燃燒研究相對(duì)落后，增加了配煤的盲目性和隨意性.而且我國(guó)煤炭資源豐富，各類煤礦遍布全國(guó)，即使同一類煤，因產(chǎn)地、開采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等條件的不同，變化范圍很大.另外，實(shí)際用煤時(shí)，有些電廠還摻燒各類洗中煤和煤矸石等劣質(zhì)燃料，更加難以保證配煤質(zhì)量［7］.

2 燃煤摻燒的實(shí)際作用

2.1 保證脫硫效率

國(guó)內(nèi)600 MW及以上的燃煤機(jī)組，其鍋爐設(shè)計(jì)煤種含硫率一般為0.8%.目前，我國(guó)的火電燃煤的采購(gòu)渠道較為復(fù)雜，發(fā)電燃煤來源多種多樣，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)很少燃用設(shè)計(jì)煤種.因此，為最大限度地保證脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使脫硫率達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，配煤摻燒已成為必然的選擇.

2.2 保證著火穩(wěn)燃

當(dāng)部分入場(chǎng)煤的低位發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種有較大差別，特別是遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)煤種時(shí)，會(huì)有燃燒不穩(wěn)定甚至滅火的情況發(fā)生.在眾多的摻燒系統(tǒng)中，一般采用以下3個(gè)指標(biāo)對(duì)摻混煤種的著火穩(wěn)定特性進(jìn)行判別.

2.2.1 干燥無灰基揮發(fā)分

發(fā)電用煤國(guó)家分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)干燥無灰基的等級(jí)判別界限如表1所示［8］.

表1 干燥無灰基揮發(fā)分的判別界限及分類

2.2.2 著火穩(wěn)燃特性指數(shù)

著火穩(wěn)燃特性指數(shù)Rw表示為［9］:

式中:vmax——熱重曲線易燃峰最大反應(yīng)速率;

Ti，Tmax——著火溫度和最大失重速度時(shí)的溫度.

該指數(shù)的判別界限如表2所示.

表2 著火穩(wěn)燃特性指數(shù)的判別界限及分類

2.2.3 穩(wěn)燃判別指數(shù)

穩(wěn)燃判別指數(shù)表示為:

該指數(shù)的判別界限如表3所示.

因此，要保證鍋爐的安全運(yùn)行，摻混煤粉的著火穩(wěn)燃特性指標(biāo)必須在“易穩(wěn)定區(qū)”及以上.

表3 穩(wěn)燃判別指數(shù)的判別界限及分類

2.3 減輕爐膛結(jié)焦

導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣的因素有多種，其中煤質(zhì)特性是主要因素.煤灰熔融性和煤灰成分是反映結(jié)渣性能的主要參數(shù)，因此對(duì)不同煤種灰熔融特性和灰成分進(jìn)行綜合分析，就能定性地判斷各種常用煤種的結(jié)渣傾向，為電廠燃煤的合理摻燒和管理提供依據(jù)［10］.

3 混煤的煤質(zhì)特性

混煤燃燒時(shí)，若煤種適當(dāng)，混合均勻，配比合理，具備良好的燃燒條件，就能發(fā)揮各個(gè)煤種的優(yōu)勢(shì)，從而為鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)性帶來良好的影響［11］.然而混煤的燃燒特性并不是普遍認(rèn)為的各個(gè)煤種的簡(jiǎn)單線性疊加，由于單一煤種的組成和特性不同，混合后不同煤質(zhì)的顆粒在燃燒過程中相互影響和制約，使得混煤的煤質(zhì)特性比單一煤種更為復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面.

(1)混煤的混合比例會(huì)影響揮發(fā)分的析出溫度.混煤中性能較優(yōu)的煤(煙煤)含量越多，其揮發(fā)分的析出溫度越低，越易揮發(fā)，因此混煤中的各煤種揮發(fā)分的析出并不是同步的［12，13］.

(2)若混煤中各組分的燃燒性能差異較大，則在運(yùn)行中無法同時(shí)滿足不同性能的煤對(duì)配風(fēng)(如風(fēng)率、風(fēng)速、風(fēng)量分配等)的不同要求，造成著火困難、燃燒不穩(wěn)定、不完全燃燒熱損失加劇，以及使鍋爐效率大幅度下降和污染物排放量增加等［14］.

(3)當(dāng)摻燒低揮發(fā)分煤過多時(shí)，會(huì)造成機(jī)械熱損失急劇增加;當(dāng)摻燒低熱值或低活性的煤量過多時(shí)，由于熱量達(dá)不到鍋爐規(guī)定的熱值，有可能造成鍋爐頻繁滅火.

(4)當(dāng)摻燒可磨性相差較大的煤時(shí)，在制粉條件相同的情況下，煤粉顆粒細(xì)度將會(huì)有較大差異，這對(duì)磨煤機(jī)的出力有很大的影響，同時(shí)對(duì)煤粉的燃盡過程會(huì)造成很大的影響，使排煙熱損失增加.

4 混煤的燃燒特性及其影響因素

4.1 混煤的燃燒特性

在混煤燃燒過程中，由于不同種類煤的揮發(fā)分的析出時(shí)間和速度不同，因此容易出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象，使得低反應(yīng)活性、低揮發(fā)分的煤在缺氧的氣氛中燃燒而無法燃盡.

4.2 混煤燃燒的影響因素

4.2.1 摻燒煤的煤質(zhì)

混煤的煤質(zhì)差別對(duì)混煤的燃燒性能有很大的影響.混煤中的單一煤種基本保持著各自原有的燃燒特性，由于揮發(fā)分較高的煤種著火特性較好，初始的燃盡特性較高，在爐膛內(nèi)“搶風(fēng)”，使揮發(fā)分較低的煤種開始著火的條件不佳，甚至延遲著火，爐膛出口煙溫增大.當(dāng)混煤的煤質(zhì)差別較大時(shí)這種現(xiàn)象更為明顯.

混煤的可磨性(煤粉的粗細(xì)程度)對(duì)其燃燒過程的影響也是不容忽視的，混煤的可磨性趨向于較難磨的原煤.當(dāng)將兩種可磨性有差異的煤混合磨制時(shí)，難磨煤的顆粒較粗，這使得進(jìn)入爐膛的煤粉中顆粒較粗的占了混煤煤粉的大部分，導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定和燃盡不徹底，甚至造成鍋爐滅火.研究表明:由于混煤原煤之間的相互干擾，混煤的燃盡性能不如其單煤種的平均燃盡性能［15］.

4.2.2 原煤的摻燒比

原煤的摻燒比例對(duì)混煤燃燒和燃盡的影響與原煤之間煤質(zhì)特性的差異程度有關(guān).對(duì)于煤質(zhì)特性差異較大的原煤，合理的摻燒比例將使鍋爐的燃燒效率有所提高;而對(duì)于性質(zhì)相近的原煤摻燒，摻燒比例不會(huì)有太大的影響.研究表明:無煙煤鍋爐摻燒褐煤時(shí)，摻燒比例過低，燃燒效果并不明顯，燃盡率也不高;在無煙煤中摻燒煙煤時(shí)，增加摻入的煙煤比例，燃盡率就會(huì)大幅度提高.混煤的燃盡特性介于組分煤種之間，隨著難燃煤份額的提高，混煤的燃盡性能變差.

4.2.3 摻燒煤粉的均勻性

將兩種燃燒性能相差較大的煤種進(jìn)行混燒時(shí)，若混合不均勻，就容易造成爐內(nèi)燃燒波動(dòng)、不穩(wěn)定，甚至滅火.這是由于混煤混合不均勻，低揮發(fā)分的煤在某一時(shí)刻占進(jìn)入爐膛煤粉的絕大部分，其著火溫度突然提高，使進(jìn)入爐內(nèi)的煤粉著火困難，導(dǎo)致燃燒波動(dòng)、不穩(wěn)定或滅火.因此，在煤場(chǎng)或上煤的過程中，應(yīng)將煤混合均勻.

5 結(jié)論

(1)由于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀以及煤炭資源的分布等問題，使燃煤摻燒成為不可避免的趨勢(shì).

(2)混煤的摻燒技術(shù)在充分利用資源的同時(shí)，也可以控制污染物的排放及減少爐膛結(jié)焦.

(3)在煤的摻燒過程中，應(yīng)考慮摻混比例、煤粉的均勻性等問題.

(4)混煤的熔融點(diǎn)不同，在燃燒時(shí)容易造成爐膛結(jié)焦，因此混煤的摻燒技術(shù)需作進(jìn)一步研究.

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