提高锅炉煤炭燃烧效率的节能技术研究与应用

摘 要：本文探讨了提高煤炭燃烧效率的工艺优化过程，特别关注了先进的燃料预处理方法，即热风干燥。本文通过物性分析和模拟研究建立了综合仿真模拟环境，为不同工艺条件下优化煤炭燃烧效率提供理论支持。研究发现，在热风干燥过程中，气流速度增加与提高了煤的热敏感性相关联，有助于优化整个燃料的燃尽过程。该项研究为清洁、高效利用煤提供了理论支持和实际指导。通过优化工艺条件并控制关键参数，如气流速度和水蒸气含量，可提高煤的能源利用效率，并降低环境排放。该结果对促进可持续能源发展并减少碳排放具有重要意义。

关键词：锅炉；煤炭燃烧效率；节能技术

中图分类号：TK 229" " " " " " " 文献标志码：A

锅炉燃烧效率的提升在目前工业化和能源需求迅速增长的环境下尤为重要。煤炭燃烧排放的环境问题引起了广泛关注，因此研究和应用提高锅炉煤炭燃烧效率的节能技术具有紧迫性。在该领域的研究中，季燕男等通过试验研究了复合阻化剂对煤燃烧的影响[1]。路广军设计了一种煤与生物质混合燃烧性能试验，发现玉米秆在混合燃烧中改进了无烟煤的燃烧性能，提高了燃烧效率[2]。高鹏永等研究了不同含水率煤的燃烧特性。试验结果显示，水分含量为5.82%～9.82%时可提高煤的燃烧性能[3]。

在煤粉燃烧技术方面，牛芳等研究了多通道逆喷旋流煤粉燃烧特性及NOx排放[4]。王京等研究了骨料烘干煤粉燃烧器火焰的影响规律[5]。金森旺等在超临界600MW循环流化床锅炉上进行了燃用不同煤种的试验[6]。段伦博等在50kW循环流化床O2/CO2气氛下进行了煤燃烧和污染物排放的研究[7]。综上所述，本文将进一步分析和讨论这些节能技术在提高锅炉煤炭燃烧效率方面的应用前景。通过比较不同技术的优劣，深入挖掘其机理和影响因素，旨在为未来锅炉燃煤过程的优化提供理论和实践支持。

1 工艺概述

作为常见的能源转换设备，锅炉在燃烧过程中会产生大量热能，并随着能量损失。通过优化燃料的使用并提高其完全利用率，可有效减少能源浪费，从而达到节能减排的目的。在这一优化过程中，采用先进技术，如热风干燥技术可以发挥重要作用。

具体来说，热风干燥是一种常见的燃料预处理方法，通过引入高温预热空气对待处理的原料进行干燥处理可有效降低原料中水分含量，提高其挥发性物质的释放速度，并提高煤炭的热值，降低燃烧时的烟气排放，增加煤炭可燃性。其首要步骤是准备充分的煤粉，将其作为原料。煤粉的选择需要综合考虑多个因素，包括煤种、粒度和含水率等，以确保在热风干燥过程中能够达到预期效果。这个过程的关键在于对煤粉进行有效的预处理，以提高其在燃烧过程中的性能和效率。

考虑煤的温度变化，本文使用热传导方程来描述煤的热传导过程，如公式（1）所示。

（1）

式中：q为单位时间内传导的热量；k为煤的导热系数；dx、dT均为温度梯度。

考虑水分蒸发的热量变化，使用焓变化方程，如公式（2）所示。

∆H=m·λ （2）

式中：ΔH是焓变；m是蒸发的水分质量；λ是水的汽化潜热。

煤中的结晶水和化合水以分子或离子形式构成煤中矿物质的晶格结构，内在水分则被吸附或凝聚在煤颗粒内部的小毛细孔中，约在105℃～110℃条件下逐渐蒸发。在该过程中，煤中的水蒸气压力和空气相对湿度会逐渐平衡。热风干燥加热煤粉的工艺也通过类似的原理来改进煤的结构，提高燃烧特性，调控煤中的水分含量，使其保持在6%～8%的合理范围内。

水蒸气的参与使烟气中的成分更复杂，其中的湿烟气和其他挥发性物质在燃烧过程中会发生化学反应，形成多种化合物。同时，水蒸气的存在也会影响燃烧的稳定性，特别是在不同的过量空气系数下，水蒸气的量对燃烧反应的速率和程度均有所不同。

在烟气的主要成分中，硫分是一个重要因素。煤中的硫分在燃烧过程中释放为SO2气体，其浓度可由相关煤燃烧公式计算得出。例如，通过公式（3）～公式（10）计算出干烟气中的SO2浓度。

（3）

式中：CSO2为干烟气中SO2的浓度（mg/Nm³）；C为试验煤样的收到基碳元素含碳量（%）；S为试验煤样的收到基含硫量（%）；N为试验煤样的收到基氮元素含量（%）；V为试验煤样的收到基挥发分含量（%）；α为过量空气系数；V0为理论空气量（Nm³/kg）；Cs为收到基含硫量（%）。

考虑挥发分和灰分的变化，使用反应速率方程分别如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：和分别是挥发分和灰分的变化率；kv、ka分别是挥发分和灰分的反应速率常数。

煤的挥发分含量较高时，煤粉更容易在炉膛内燃烧，并且燃烧过程更稳定。这是因为高挥发分煤在高温下易于分解，释放出易燃气体，使煤粉更早开始燃烧，从而提高整体的燃烧稳定性。挥发分含量较高的煤能够更早释放燃烧发热量，有助于提高燃烧的效率。相反，挥发分含量较低的煤需要更高的温度才能开始释放发热量，使着火变得更困难。

为了全面考虑煤炭燃烧效率的影响因素，仿真模拟还需要充分考虑煤成分变化引起的密度和质量变化，从而计算真密度。在这一过程中，设矿物质含量为m，灰分比例为A，全硫比例为St，单位均为%，则平均密度的计算方法如公式（6）所示。

（6）

此外，根据煤的具体碳氢比，其密度计算过程如公式（7）所示。

D=70.2669x2-16.1897x+1.267 （7）

式中：x为有机质中的氢与碳比值；D为有机质真密度（浸液法）。

整合这些模型，本文建立了一个综合仿真模拟环境，可用于深入研究不同工艺条件下煤炭燃烧效率的优化。

2 仿真模拟

仿真模拟中，本文关注了一系列关键参数，包括热扩散系数、体积变化和密度，这些参数在流动速度变化情况下呈现出的趋势对煤炭燃烧的理解至关重要。其中，T25、T40、T55、T70和T100分别代表煤炭在不同阶段的温度（℃），展现了热风干燥过程中的温度变化。随气流速度变化，热扩散系数的变化如图1所示。

随着热风的气流速度变化，本文对热扩散系数在煤炭热风干燥过程中的变化进行了深入分析。在不同温度阶段（T25～T100），热扩散系数呈现出一致的趋势，与前期流动速度增加呈正相关。流动速度进一步增加后，热扩散系数逐渐下降，特别是在高温条件下，热扩散系数较高的热风干燥气流速度稍高，热扩散系数开始下降且下降速度较快。

在T25阶段中的1.109cm²/h～1.2625cm²/h、T40阶段中的1.42cm²/h～1.716cm²/h中，热扩散系数的变化较温和。然而在T55、T70和T100阶段，热扩散系数的变化趋势更显著。在这些高温阶段，随着气流速度增加，热扩散系数逐渐增加，分别从1.65cm²/h

增至1.81cm²/h（T55），从1.7768cm²/h增至1.916cm²/h（T70），并从1.98512cm²/h增至2.092768cm²/h（T100）。直至热风流速进一步上升，该热扩散系数才转而下降。

随着气流变化，干燥中的煤炭整体体积在基准水平下的变化趋势如图2所示。

随着热风气流流速不断变化，煤炭在热风干燥过程中的整体体积呈现出一系列变化趋势。体积变化率在低风速条件下表现为低于基准水平，煤炭体积随流速变化而上升。随着温度升高，该体积增长放缓，这可能与高温引起的一些物理变化有关，气流对煤炭整体体积的影响减弱。尤其是在T55、T70和T100阶段，煤炭在低风速下的体积比基准条件下更小，但体积仍随流动速度增加而增加，变化幅度则随风速增加而逐渐变小。在高温下，煤炭可能更容易受气流影响，导致体积变化幅度变小。在T70和T100阶段，变化幅度分别为-0.4799%～-0.2799%和-0.4294%～-0.2294%，整体趋势较平缓。随着气流速度增加，煤炭整体体积的变化趋势呈下降趋势。在低温条件下，这一体积变化幅度较大，高温条件下的体积变化幅度相对较小，原因是高温气流对煤炭颗粒具有挤压效应，使升温不能有效反映在体积变化中。但随着温度升高，这种影响逐渐减弱，体积变化的幅度也随之变小。

燃煤的水分对工业链条炉燃烧具有双重影响。一方面，燃煤的水分和灰分会导致煤的发热量下降。在燃烧过程中，增加燃煤水分含量会延长煤的干燥时间，增加加热水分及其汽化、过热的热量消耗，降低炉膛燃烧温度，进而影响燃烧的稳定性。同时，燃煤水分增加会使烟气量增加，增加了排烟的热损失。另一方面，在链条炉排上，适度的外在水分有助于煤层疏松，通风均匀，强化燃烧。燃煤中挥发出的水蒸气还可以提高火焰温度，增加幅射强度，从而提高锅炉的经济性。从燃烧动力学的角度来看，含有适量外在水分的燃煤，煤的堆积密度可达最小，有利于燃烧。因此，对于过热蒸汽干燥煤工艺的优化，需要考虑控制煤中水分的含量，以满足煤炭燃烧过程中平衡发热和稳定燃烧的需求。密度变化表现如图3所示。

随着热风气流流速改变，煤炭在干燥过程中的密度也呈现出一系列变化。在T25阶段，随着流动速度增加，煤炭密度逐渐上升，从631.40kg/m³升至698.66kg/m³，表明在低温下，气流速度增加可能导致煤炭颗粒排列更紧密，使密度增加。进入T40阶段，密度变化趋势仍为正向，从652.15kg/m³升至714.07kg/m³。与T25阶段相比，密度增加幅度相对变小，原因是高温下煤炭颗粒的物理状态发生了一些改变，使气流对密度的影响减弱。在T55、T70和T100阶段，密度变化趋势继续为正向，分别从672.91kg/m³升至725kg/m³（T55）、从688.28kg/m³升至751.34kg/m³（T70），从698.66kg/m³升至786.16kg/m³（T100）。随着温度升高，密度增加幅度逐渐变小，说明在高温下，气流对煤炭密度的影响逐渐减弱。综合上文对煤炭整体体积变化的分析可以发现，煤炭的密度和体积变化呈现出一致的趋势。在低温下，随着气流速度增加，煤炭颗粒易受挤压，整体密度增大，体积变小。随着温度升高，这种影响逐渐减弱，使密度和体积变化的幅度变小。

3 结语

通过对工艺优化和仿真模拟进行深入研究，本文全面探讨了提高煤炭燃烧效率的多种方法。作为一种高效的燃料预处理技术，热风干燥在提高锅炉系统整体能源利用效率、降低环境污染方面具有不可或缺的作用。本文通过深入分析热风干燥过程中关键参数（如温度、湿度和气流速度）的变化情况，为煤的利用的优化与清洁高效能源转换技术提供了实质性参考。

合理调整这些工艺参数不仅有助于提高原料的可点火性和挥发性，还可以更有效地实现锅炉系统对资源的利用。通过优化这些关键参数，可进一步降低锅炉系统运行过程中的能量损失，最大限度地提升其能源转换效率。这种持续改进将为清洁、高效能源生产方式的推广奠定坚实基础，并为未来可持续发展注入新动力。

参考文献

[1]季燕男，张雷林，陈朝卫.复合阻化剂抑制煤燃烧特性试验研究[J].矿业安全与环保，2023，50（4）：25-29.

[2]路广军.煤与生物质混合燃烧特性试验设计[J].试验技术与管理，2021，38（10）：61-64，86.

[3]高鹏永，石必明，张雷林，等.不同含水率煤的燃烧特性试验[J].工矿自动化，2021，47（7）：120-124.

[4]牛芳，刘鹏中，王鹏涛，等.多通道逆喷旋流煤粉燃烧特性及NO_x排放试验研究[J].煤炭科学技术，2021，49（4）：142-148.

[5]王京，程海鹰，胡志勇，等.骨料烘干煤粉燃烧器火焰的影响规律[J].煤炭学报，2019，44（增刊2）：673-682.

[6]金森旺，高洪培，孙献斌，等.超临界600MW循环流化床锅炉燃用不同煤种燃烧特性及排放特性试验[J].热力发电，2017，46（4）：46-51.

[7]段伦博，周骛，屈成锐，等.50kW循环流化床O2/CO2气氛下煤燃烧及污染物排放特性[J].中国电机工程学报，2011，31（5）：7-12.