高水分褐煤燃烧对锅炉的影响研究

赵亚莹

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

褐煤是煤化程度较低的煤种，主要赋存在内蒙古、云南和黑龙江等省区。褐煤具有高水分、低热值、高挥发分、较低的热稳定性、低燃点等特点[1]。目前褐煤主要用来直接燃烧发电，国内的多家电厂主要以褐煤为燃料。由于褐煤中含有20－50%左右的水分，直接参与燃烧时，会降低燃烧温度，增加排烟热损失，降低锅炉效率，增加煤耗量。本文将研究褐煤水分对燃料热值、烟气量、炉膛温度、排烟热损失、锅炉效率、耗煤量等的影响规律。为褐煤干燥系统的技术经济分析提供依据。

1 褐煤水分对其热值的影响

燃煤锅炉热力计算时用到的燃料热值，是煤的收到基低位热值。煤的收到基低位热值是煤质资料中的重要数据，当煤的水分从Mar1变至Mar2，而其他成分不变时，如以Mar1时煤的热值为基准，则热值的变化率为:

式中，Mar1、Mar1时为煤的收到基水分，%;Qnet，ar2、Qnet，ar1分别为水分Mar1和Mar2时煤的收到基低位热值，kJ/kg。

褐煤的收到基成分为[3]:碳34.65%，氢2.34%，氧10.48%，氮0.57%，硫0.31%，水分34.63%，灰分17.02%;收到基低位热值12288.3 kJ/kg。计算可知，当水分增值55% 时，热值为8459 kJ/kg;当水分降至15% 时，热值为15978 kJ/kg，当水分在15% ～55% 之间变化时，热值变化率见图1。可见，水分增加时，热值呈比例降低。

2 褐煤水分对单位重量燃料燃烧烟气量的影响

烟气量的计算公式为[2]:

式中，Vy、VRO2、V0分别为烟气量、CO2/SO2体积、理论氮气体积、理论水蒸气体积、理论空气量，Nm3/kg，按文献[2]中公式计算;α为过量空气系数。

当煤的水分变化时，煤中其他成分所占份额也随之变化，造成V0、VRO2、、Vy等变化。其中，以Mar1时烟气量为基准的烟气量变化率为:

对褐煤来说，水分为15～55%时，烟气量变化率与水分间的关系见图2。由图2可见，单位重量燃料燃烧产生的烟气量(Nm3/kg)随水分的降低而增加。因为水分降低时，尽管烟气中H2O减少，但煤中C、H、S、N等成分是增加的，烟气中RO2、N2增加，另外，V0也增加，造成烟气量随水分的降低而增加。

图1 褐煤的热值变化率随水分的变化

图2 烟气量变化率与水分的关系

3 褐煤水分对燃料消耗量的影响

煤的水分变化时，由于热值变化，煤耗量必然变化。降低褐煤水分，增加热值，减少煤耗量，降低运输费用，是褐煤干燥的主要目的之一[2，3]。

煤耗量的计算公式为:

式中，B为煤耗量，kg/s;为锅炉总有效利用热量，kW。

当煤的水分从Mar1变至Mar2时，以Mar1时煤耗量为基准的煤耗量变化率为:

水分对煤耗量的影响很大，如将煤中的水分从35%降到15%，煤耗量就可减少约23%，这种影响主要是燃料热值变化引起的。

4 褐煤水分对绝热燃烧温度的影响

绝热燃烧温度根据炉膛有效放热量和炉膛出口过量空气系数确定，炉膛有效放热量的计算公式为:

式中，Q1为炉膛有效放热量，kJ/kg为炉膛出口过量空气系数;Δα1、Δαzf分别为炉膛漏风系数和制粉系统漏风系数为热空气焓，kJ/kg。炉膛有效放热量和绝热燃烧温度变化率分别为:

炉膛有效放热量变化率和绝热燃烧温度变化率与水分间的关系见图、图4，计算中，取=1.15，Δα1=0.02，Δαzf=0.01，热空气温度为300℃。由图3可见，炉膛有效放热量变化率随水分的降低而大幅度增加，这是因为燃料热值随水分的降低而大幅度增加的原因，但绝热燃烧温度变化幅度相对较小:水分为15%时，绝热燃烧温度为1916℃;水分为55%时，绝热燃烧温度为1607℃。绝热燃烧温度会影响锅炉受热面的布置。

图3 炉膛有效放热量变化率与水分间的关系

图4 绝热燃烧温度变化率与水分间的关系

5 褐煤水分对电厂经济性的影响

褐煤中含有20% ～50%的水分，当用作电厂燃料时，一方面长距离运输这些高水分和低热值的褐煤，要花费较高的运费;另一方面由于水分蒸发的过程会带走大量热能，使得燃烧排烟热损失严重，锅炉热效率降低，也使得下游其他装置利用效率降低，增加了设备规模，电厂净效率降低。

干燥前燃煤水分为40%，根据该褐煤干燥的中试结果，干燥后的水分为15%，干燥前后煤的元素分析与工业分析成分如表1所示。

表1 干燥前后煤元素分析与工业分析

煤的燃烧产物计算、锅炉热平衡计算与锅炉校核热力计算均按现行有关计算规程，空气预热器出口过量空气系数取1.28。计算结果如表2所示。对表2的计算数据进行综合分析:对同一种煤，当煤干燥前后水分变化时，可得到以下结果:

(1)燃煤干燥后，由于煤中可燃质的比例增加，所以，煤所需的理论空气量增加了41.7%，产生的烟气容积增加了32.1%。

(2)褐煤干燥后，由于燃煤发热量得到大幅提升，炉膛理论燃烧温度升高217℃，炉膛平均温度升高，炉膛内的辐射换热增强，换热量增加，炉膛出口烟温比干燥前降低约20℃。

(3)对流受热面的校核热力计算表明，燃煤干燥后排烟温度比干燥前降低约15℃。单位时间的对流换热量也相应增加，但是，由于干燥前的燃煤量很大，按每kg燃煤计算的对流换热量较少，使得排烟焓较大，因此，排烟温度较高。

(4)燃用干燥后的煤其排烟温度降低，虽然以单位质量燃料计算的排烟热损失 Q2增大，但是由于收到基低位发热量增大较多，以输入热量%计算的排烟损失q2减小，锅炉效率提高了1.16%。

(5)在相同的有效利用热条件下，实际送入炉膛的燃料消耗量减少了34%;若按干燥前的原煤量计算，则减少了6.5%，即由于锅炉热效率提高，使得原煤消耗量减少了6.5%。

(6)从表2的计算结果分析得到:燃用干燥后的煤其排烟损失也比直接烧原褐煤低0.84个百分点，锅炉效率也相应提高了0.84个百分点。

表2 干燥前后燃烧计算与锅炉热力计算结果

5 结 论

本文研究了褐煤高水分对燃料热值、烟气量、炉膛温度、排烟热损失、锅炉效率、耗煤量等的影响规律，并进行了计算，主要结论为:

(1)水分增加时，热值呈比例降低。

(2)单位重量燃料燃烧产生的烟气量随水分的降低而增加，但总烟气量随水分的降低而降低。

(3)水分增加时，排烟热损失增加，锅炉效率降低。表现在变化率上:排烟热损失变化率较大;而锅炉效率变化率较小。

(4)水分对煤耗量的影响很大，水分增加时，煤耗量增加。

(5)炉膛有效放热量变化率随水分的降低而大幅度增加，绝热燃烧温度随水分的降低增加。

(6)褐煤干燥后对锅炉效率有明显的提高。

[1]万永周，肖雷，陶秀祥，刘炯天.褐煤脱水预干燥技术进展[J].煤炭工程，2008(8):91－93.

[2]邵俊杰.褐煤提质技术现状及我国褐煤提质技术发展趋势初探[J].神华科技，2009，7(2):17－22.

[3]郭树才.褐煤新法干馏[J].煤化工，2000(3):6－8.

[4]熊友辉.高水分褐煤燃烧发电的集成干燥技术[J].锅炉技术，2006(S1):46－49.