（热能工程专业论文）基于烟气成分分析的电站锅炉入炉煤质监测模型的研究.pdf

摘要 煤质对锅炉的安全、稳定、经济的运行起着十分重要的作用。实 时监测入炉煤质，可使运行人员根据煤质的变化及时调整锅炉燃烧。 但是，目前大部分电站锅炉还未解决入炉煤质的实时监测的问题。 本文利用锅炉现场运行参数，基于最基本的物质平衡原理和煤燃 烧化学分析，找出了煤质元素成分和烟气成分之间的对应关系，建立 了入炉煤质元素成分的监测模型：其中，收到基水分的监测模型是通 过对进、出磨煤系统的热量进行分析确定的；收到基灰分采用的是假 设校验法，即先给出一个收到基灰分的初值，通过锅炉的热力计算来 校验。在入炉煤质元素成分已知的条件下，假设挥发分的构成主要包 括一氧化碳、氢气、甲烷、乙烷，通过质量守恒原理，建立了挥发分 的监测模型。计算结果与实验结果比较表明：收到基碳的相对误差在 - 4 3 3 9 ；收到基水分的相对误差在4 1 q 6 ；收到基灰分的相 对误差在- 4 7 3 9 0 6 ；煤的收到基低位热值绝对误差在7 8 7 2 - - 6 5 4 5 k j k g ，相对误差在4 6 3 8 之间，煤质挥发分的相对误差在 5 8 8 3 之间。 其中创新性的工作主要体现在：在建立了入炉煤质元素成分监测 模型的基础上，进一步建立了煤质挥发分成分的监测模型。并用实验 的手段验证了模型的可行性，实现了入炉煤质挥发分成分的预测。 关键词电站锅炉，元素分析，挥发分，软测量技术，监测模型 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fc o a lp l a y sa ni m p o r t a n te f f e c to nt h es a f e t y 、s t a b i l i t y a n de c o n o m yo fb o i l e rr u n n i n g 1 h er e a lt i m ei n s p e c t i o no fc o a lq u a l i t y e n a b l e sw o r k e rt oa d j u s tb o i l e ra c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f c o a lq u a l i t y b a s e do nb a l a n c eo fs u b s t a n c ea n da n a l y s i so fc o a lc o m b u s t i o n c h e m i c a l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o a l e l e m e n t i n g r e d i e n t a n d c o m b u s t i o ng a s e si n g r e d i e n tw a sf o u n do u t , a n di n s p e c t i o nm o d e lo fc o a l q u a l i t ye l e m e n ti n g r e d i e n tw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ob o i l e rr u n n i n g p a r a m e t e r t h ei n s p e c t i o nm o d e lo fw a t e r a s - r e c e i v e db a s i sw a s e s t a b l i s h e db ya n a l y z i n gt h eh e a ti n g o i n ga n do u t g o i n go ft h ec o a l g r i n d i n gs y s t e m ；h y p o t h e s i s - p r o o fm e t h o dw a su s e dt od e t e r m i n ea s h a s r e c e i v e db a s i s n a m e l yg i v e n 姐i n i t i a lv a l u eo ft h ea s ha s - r e c e i v e d b a s i s ，c h e c k i n gb y c a l c u l a t i o no fb o i l e rt h e r m o d y n a m i c s o nt h e c o n d i t i o no fk n o w nc o a le l e m e n ti n g r e d i e n t ，s u p p o s et h ev o l a t i l em a t t e r i sc o m p o s e do fc a r b o nm o n o x i d e 、h y d r o g e n 、f i r e d a m pa n de t h a n e ， i n s p e c t i o nm o d e lo fv o l a t i l ec o n t e n tw a se s t a b l i s h e dv i ac o n s e r v a t i o no f m a s s b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so f c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h er e l a t i v e e r r o ro fc a r b o na s - r e c e i v e db a s i si sw i t h i n - 4 3 3 9 w a t e ra s r e c e i v e d b a s i sw i t h i n 4 1 - 4 6 a s ha s - r e c e i v e db a s i sw i t h i n - 4 7 0 9 a n d v o l a t i l ec o n t e n tw i t h i n 5 8 - - 8 3 t h ea b s o l u t ee r r o ro fc a l o r i f i cv a l u ei s w i m i n - 7 8 7 2 6 5 4 5 k j k g a n dr e l a t i v ee r r o rw i t h i n - 4 6 3 8 s o m eo r i g i n a lw o r ki sa sf o l l o w s ：o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gc o a l e l e m e n ti n g r e d i e n ti n s p e c t i o nm o d e l 。t h ei n s p e c t i o nm o d e lo fv o l a t i l e c o n t e n tw a sf u r t h e r m o r es e tu p 1 1 l ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e lw a s v a l i d a t e db ye x p e r i m e n tm e t h o d ，r e a l i z i n gt h ef o r e c a s to f v o l a t i l ec o n t e n t k e y w o r d s ：u t i l i t yb o i l e r , u l t i m a t ea n a l y s i s ，v o l a t i l ec o n t e n t , s o f t - m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , m o n i t o r i n gm o d e l 符号说明 英文字母符号 a 灰分， c 比热，k j ( k g - ) e 功率，k w h i 空气、烟气焓，k j k g m 燃料工业分析中的水分， p 捧污率， q燃料发热量，k j k g r煤粉细度， t温度， v 挥发分， 希腊字母符号 a 过量空气系数 差值符号 0 排烟温度， 总和符号 脚注符号 a l l 收到基 d a f干燥无灰基 m飞灰 蓼过热蒸汽 g t 固体 函干燥剂 k 空气 1 l 【冷空气 m f 煤粉 0 实际值 p y i d干燥基u c r y烟气 燃料消耗量，t h 流量，t h 损失系数 工质( 水、蒸汽) 焓，k j k g 压力，m p a 热量，l 【j 热量损失百分比， 绝对温度，k 容积，m ? b燃料特性系数 t i效率， p 密度，k g m 3 r 误差修正系数 a r m e k p收到基低位发热量 d z炉底灰渣 然 干空气 擎给水 g y干烟气 j计算值 l f漏风 m 原煤 0理论值 排烟气体 飞灰与炉底渣中未燃尽碳之和 b d k h p q q t v 原创性声明 本人声明，所呈交的学士论文是本人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在此论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关规定送交学位论文。 日期：尘立年垡月生日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 锅炉是国民经济中重要的供应蒸汽的设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、 食品等，以及工业及民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。在这其中，电力工业 是规模巨大、发展迅速的先行行业，电站锅炉一般容量巨大，蒸汽参数高，要求 性能好，是火力发电站中的主要设备之一。我国电力工业近年来发展迅速，截至 2 0 0 6 年底，中国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，居世界第二位【，其中约8 0 为火力发电容量。当然，在火力发电发展的过程中，问题也不断的涌现。 我国火电厂煤粉锅炉燃烧主要存在五方面的问题： ( 1 ) 锅炉燃烧不稳定 主要体现在炉膛灭火及低负荷稳燃的性能上，由于近几年装机容量的大幅度 增加，局部地区已出现电力饱和的现象，电力负荷峰谷问题变得越来越突出， 3 0 0 m w 及以下机组都需承担调峰任务，甚至有些机组实行两班制运行。因此。 锅炉低负荷稳燃技术的研究成为近几年锅炉技术发展的热门话题 2 1 。 ( 2 ) 燃烧效率低 主要反映在飞灰含碳量及排烟温度上，尤其是贫煤、无烟煤锅炉，燃尽性能 有待改善，部分锅炉炉高先天不足，煤粉颗粒在炉内停留的时间不足，锅炉运行 时，配风不佳，炉内燃烧组织不利，是飞灰含碳量居高不下的另一个原因。因空 气预热器漏风过大往往掩盖了排烟温度过高的问题，应引起重视。 ( 3 ) 环境污染 随着人们的环保意识逐渐增强，燃煤锅炉控制污染物排放问题越来越受到重 视。目前，我国的火力发电厂3 0 0 m w 以上机组基本上采用静电除尘器，其除尘 效率可达9 9 5 ，3 0 0 m w 以下机组一般用水膜除尘和机械除尘或布袋除尘；除 引进几台机组配有脱硫装置外，国产机组都没有配脱硫装置，硫氧化物排放问题 依然突出，c 0 2 和有害重金属排放尚无控制 3 1 。 美、欧各国对火电厂排放物质的控制越来越严格，通过法律的手段严格地限 制有害物质排放造成的环境污染，保护生态平衡。我国目前情况下，应对每吨 s 0 2 或n 仉的排放征收罚款至少为1 0 0 0 元人民币，每排放一吨c 0 2 罚款1 0 元左 右人民币，这就要求我国尽快开发自己的火电厂环保技术，赶上发达国家，以达 到可持续发展的目的1 4 j 。 “) 炉膛结渣 由于燃烧问题引起的炉膛结渣问题，在各类型锅炉中均有发生。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 四管泄漏 由于局部热负荷过高引起的水冷壁过热爆管， 起的过热器、再热器超温爆管时有发生。 产生上述问题的原因集中反映在燃烧系统上， 原因外，更多的是与我国国情有关 5 - 8 1 ： 由于炉膛出口烟温偏差过大弓 除设计不合理、运行不规范等 扎我国动力用煤劣质煤多，给燃烧系统设计及高效低污染燃烧器开发带来很 大的难度。必须在考虑燃烧器具有良好的稳燃、不结渣、高效的情况下降低n o x 排放。 b 电站用煤煤源不稳定、煤质多变，绝大多数锅炉实际燃用煤种与设计煤种 不同，且每批次入厂煤煤质变化很大，由于缺乏配煤技术和煤质在线监测技术的 指导，缺少炉前混煤设备，无法做到根据煤质情况调整运行工况，致使产生炉内 结焦、未燃碳升高、污染物排放增加，甚至导致低负荷下不来，高负荷上不去等 影响安全、高效、低排放运行的问题。 由于煤质是设计电厂锅炉、制粉系统、电除尘器等主要设备的基础，电厂使 用的煤质确定之后，其主要设备的结构参数、选型和技术性能指标也就随之而定。 当燃用设计煤质的锅炉机组改燃另一煤质时，其运行状况将发生变化，这些变化 将影响机组运行的经济性和安全性，主要表现在 9 - 1 2 】： ( 1 ) 对制粉系统的影响 煤质( 发热量、可磨性系数、水分和粘度等) 发生变化时，磨煤机出力、煤粉 细度、磨煤机功耗、磨煤机磨损件寿命、石子煤量等也将相应发生变化，当发热 量降低( 可磨性系数不变) 时，为保证锅炉出力不变，磨煤机出力就要增加，此时 磨煤细度就会变粗；当可磨性系数降低时，如要磨煤机及煤粉细度不变，此时磨 煤电耗将增加、磨煤机磨损件寿命将减少。 ( 2 ) 对锅炉出力的影响 煤质变化对锅炉出力的影响主要表现如下：当煤质变化影响到磨煤机出力， 由于燃用煤质的可磨性系数比设计煤质的可磨性系数降低较多，以致磨煤机全部 运行时，仍难以保证锅炉带额定出力；当煤质的灰熔点降低、锅炉出力未达到额 定出力，就发生结渣或受热面粘污。 ( 3 ) 对锅炉效率的影响 锅炉效率与煤质及运行条件有关，但主要取决于煤质。煤质是设计电厂锅炉 的基础，锅炉只有在燃用接近设计煤种时，才能取得较好效益，大范围改变煤种， 其运行特性也将发生较大变化，具体分析见第三章。 ( 4 ) 对空气预热器的影响 假如煤质变化使灰的粘附性增高，就会降低空气预热器的传热效率，使排烟 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 温度升高，导致热损失增加并降低锅炉效率，使用高水分的煤时，为使一次风温 达到正常就会出现问题；又如：煤质变化增加了含硫量，使酸露点温度降低，就 有可能加速空气预热器的低温腐蚀速度。 ( 5 ) 对锅炉受热面粘污的影响 受热面粘污与煤灰的酸碱比、熔渣粘度、含铁百分比、灰熔融温度、煤的烧 结强度和含钠量有关。煤种不同，其上述特征参量也将不同，设计锅炉时，将根 据设计煤质的灰特性采取措施。比如：合理布置吹灰器，制定合理的吹灰时间间 隔，以避免由于受热面粘污而影响锅炉运行的经济性。 对锅炉受热面结渣的影响 结渣除与煤灰的熔点温度、粘污性等有关外，也与炉内空气动力场、温度水 平等有密切关系。所以煤质发生变化时，除了对炉膛进行改造外，改变炉膛内部 温度及空气动力场，也是应对煤质变化的一项主要措施。 ( 7 ) 煤质变化对锅炉受热面磨损的影响 锅炉受热面的磨损与灰的特性、温度、烟气流速以及灰量有关。当以低灰份 且灰中坚硬物含量较少的煤作为锅炉的设计基准时，烟气流速可以选的较高，也 无需采用防磨措施，如将该锅炉改燃用高灰份且灰中坚硬物质含量较多的煤时， 烟气通道中灰量增加，同时对于多灰的煤为了燃烧完全又须增大供风量，使烟速 提高，将使受热面的磨损加快。 ( 8 ) 对其它设备的影响 煤质改变将影响进入除尘器的飞灰量和除尘器运行中的烟气环境，如煤质改 变使锅炉排烟温度升高较多，将改变进入除尘器的烟气流量和灰的比电阻值，也 将影响除尘器的性能和引风机的容量；有些煤质变化对除尘器的影响通过在运行 中改变振打和静电电压，可以基本消除，但也有些电厂因煤质变化而使除尘器效 率降低。 综上所述，煤质对锅炉的经济、安全、高效运行至关重要。实时监测入炉煤 质，可使运行人员根据煤质的变化及时调整锅炉燃烧，有效提高锅炉运行的经济 性。但是按照国家标准方法进行煤的采制样与分析花费时间很长，不能及时提供 煤质监测结果来指导锅炉燃烧。随着锅炉机组的日益大型化，这种由于采制样及 测试手段的限制，使得监测数据的报出时间与生产实际需要的滞后矛盾越来越突 出。因此，如何第一时间掌握煤质的变化并通过在线调节各运行参数，使之更好 的指导锅炉的燃烧，是我们迫切需要解决的问题。 1 2 研究现状 煤质分析包括工业分析和元素分析。工业分析包括水分、灰分、挥发分和固 定碳的分析；元素分析包括碳、氢、氧、氮、硫等元素的分析。根据工业分析指 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 标，可以基本掌握各种煤的性质和特点，并确定其在工业上的实用价值。但是按 照国家标准方法进行煤的采制样与分析花费时间很长，不能及时提供煤质监测结 果来指导锅炉燃烧。随着锅炉机组的日益大型化，这种由于采制样及测试手段的 限制，使得监测数据的报出时间与生产实际需要的滞后矛盾越来越突出【1 2 1 。 对于煤炭的在线监测技术，国外已较为成熟。从2 0 世纪7 0 年代开始，基于 快速y 中子活化分析( p g n a a ) 技术的煤元素全分析监测装置开始起步研究，至 今世界上只有少数几家公司提供工业用的p g n a a 设备，我国只有数台安装在煤 炭、电力企业。由于投资高，基于p g n a a 技术的煤的元素分析仪器还没有得到 普遍应用。而9 0 年代中期，美国工程师弗雷德兰提出了输入，损失技术f 1 3 】，该 项技术通过对燃料及其渗漏的流动、燃料化学性质、燃料热值和热效率的分析， 为全面理解电厂热力过程创造了条件。在这项技术中，对于锅炉煤质的分析，是 通过对烟气成分的检测，利用化学反应过程中煤中元素和烟气各成分的对应关系 得到煤质的元素成分，在通过计算，得到煤的发热量等特性参数。现阶段，国外 对于煤质在线检测技术的研究，还是主要集中在对各种监测仪器的开发。美国、 德国、日本等发达国家，已经开发出相关的煤质在线监测的系统，这主要包括两 种形式【1 4 1 5 】： ( 1 ) 需采制样的煤质在线分析系统 日本关西电力公司研制了一套需要采制样的煤质在线分析系统，该系统完成 了从采样、传送、预处理、煤质分析全过程的全自动煤质在线分析。该系统由3 个部分组成： 乱将试样运往分析装置的传送部分； b 进行试样分析及其辅助作业的分析装置； c 监测各分析装置的动作情况，并管理分析结果的总体监控部分。 该装置对煤样的元素分析基本上采用燃烧吸收红外线方式，工业分析采用热 天平方式和炉内氛围气体控制方式。一次分析时间为l h 左右。 ( 2 ) 不需采制样的煤质在线分析系统 美国、德国等国家已经研究成功不用采制样而直接测定煤中灰分、水分的在 线监测系统，并已投入实际应用。这主要包括： a 放射性测定煤中灰分 在煤的灰分监测仪中，国内外普遍采用了核技术，应用核技术检测煤中灰分 的方法归纳起来有4 种：双能y 射线穿透法、6 0 k e v 的y 射线散射法、电子对法 和中子活化分析法。应用较多的是双能y 射线穿透法、和中子活化分析法。 b 微波法测定煤中水分 水分在线测量的方法有红外线一电导法、电容法和微波法，其中微波法较为 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 常用。其原理是当微波穿过物料时，使自由水分子旋转，这一效应降低了微波的 强度和速度，通过强度和速度降低的幅度测算出水分。 c 近红外线测量技术实现煤质在线分析 利用近红外线技术进行的煤质分析可在非破坏和非接触的条件下进行分析， 可对空气干燥基水分、挥发分、灰分和发热量等参数同时进行分析，并且分析响 应迅速、安全性能好、抗干扰能力强。 反观国内，虽然开发了部分成型产品，但实际应用情况远未达到预期效果； 而直接购买进口仪器设备，价格又比较昂贵。并且这些煤质监测仪器的测试精度 还受电厂用煤特点、仪器安装、测量点的选择等条件的制约，所开发的在线检测 仪器还要精密、耐用，且能够适应电厂恶劣的工作环境。 由于以上原因，电站锅炉入炉煤质是目前火力发电厂少数几个还没有实现实 时监测的参数之一。但是入炉煤质对锅炉运行的安全性有很大的影响，实时监测 入炉煤质，可使运行人员根据煤质的变化及时调整锅炉燃烧，有效提高锅炉运行 的经济性。锅炉运行中，由于不了解入炉煤质的实时变化，无法及时采取应对措 施而导致锅炉灭火的情况时有发生。对此，国内一些研究人员开始着手寻求一种 即投资少、安全可靠，又容易和能损诊断系统相配套的方法，来实现入炉煤质的 在线监测问题。 2 0 世纪9 0 年代以来，软测量技术在理论研究和实际应用方面均取得了迅速 发展，它在成熟的硬件传感基础上，以计算机技术为核心，通过软测量模型，利 用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测量或难测量的变量 【l q 。目前，由于环保的要求，大容量锅炉都配备了较为全面的排烟气体成分监 测仪表。大量现场测试表明，排烟气体成分中蕴涵了大量的燃煤成分的信息。通 过对燃料燃烧的分析，可以建立入炉煤质监测的软测量模型。充分利用现场气体 成分的测量仪表，挖掘烟气成分中蕴涵的信息，就可以实现入炉煤质的在线监测， 和单一成分的监测设备相比，这种方法能够对入炉煤的所有成分进行全面的监测 和综合分析，投资少，并且容易与机组经济性监测系统配套，从而完成对整个机 组经济指标的监测。利用此方法，部分研究人员已经建立了相关软测量模型，实 现了入炉煤质水分等的测量，但是该模型还只能适用在配套齐全的大型电站锅炉 上，并且还是需要和部分煤质分析仪器配合使用。更为重要的是，对于煤质的工 业分析成分，特别是挥发分含量的监测模型，尚未解决。 1 3 研究课题的目的及意义 在锅炉的运行当中，煤炭的质量对锅炉的安全、稳定、经济的运行起着十分 重要的作用。这主要包括煤的发热量、挥发分、灰分、水分等因素。煤的发热量 的高低将直接影响锅炉的热效率和锅炉的运行的符合；挥发分的大小将影响到煤 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 粉锅炉的安全和稳定燃烧。实时监测入炉煤质，可使运行人员根据煤质的变化及 时调整锅炉燃烧，有效提高锅炉运行的经济性。所以对于锅炉入炉煤质的在线监 测系统的开发是十分必要的，但是国内目前虽开发了部分煤质检测的成型产品， 但实际应用情况远未达到预期效果；而直接购买进口仪器设备，价格又比较昂贵。 并且这些煤质监测仪器的测试精度还受电厂用煤特点、仪器安装、测量点的选择 等条件的制约，所开发的在线检测仪器还要精密、耐用，且能够适应电厂恶劣的 工作环境。在这种情况下，寻求一种既投资少、又安全可靠的监测系统是十分必 要的。运用软测量技术，通过对锅炉运行中容易测量的数据分析( 如烟气成分) ， 根据对应关系采用数学的方法建立模型，以实现对入炉煤质的在线监测的方法适 合此要求。本研究正是利用软测量技术，提取排烟气体成分中蕴涵了大量的燃煤 成分的信息。通过对燃料燃烧的分析，建立入炉煤质元素成分及发热量的监测模 型。并在此基础上，进一步研究了煤质挥发分监测模型。 1 4 本文的主要工作 锅炉排烟气体成分中蕴涵了入炉煤元素含量的信息，排烟气体成分和煤元素 含量之间存在一定程度的对应关系，即“一定组成的煤燃烧后就生成一定组成的 烟气”，基于最基本的物质平衡原理和煤燃烧化学分析，将煤燃烧生成的各种气 体表示成千燥无灰基元素含量的方程。通过对方程的求解，得到煤质的收到基碳、 收到基氢、收到基氧、收到基氮、收到基硫、收到基灰分、收到基水分，再通过 公式，求得煤的收到基低位发热量。与此同时，对燃煤挥发分的组分进行简化处 理，通过分析，确定挥发分中个气体所占比例，然后根据已知的条件最后确定煤 质的挥发分成分。最后将计算所得煤质的分析数据与实验所测得的数据进行比 较，确定所建模型的准确性，主要从以下几个方面展开工作： ( 1 ) 煤质变化对锅炉燃烧性能的实验研究 电站用煤煤源不稳定、煤质多变，绝大多数锅炉实际燃用煤种与设计煤种不 同。而煤炭的质量对锅炉的安全、稳定、经济的运行起着十分重要的作用。这主 要包括煤的发热量、挥发分、灰分、水分等因素。煤的发热量的高低将直接影响 锅炉的热效率和锅炉的运行的符合；挥发分的大小将影响到煤粉锅炉的安全和稳 定燃烧。本文对一燃煤锅炉进行跟踪实验，研究锅炉各经济指标与煤质特性、燃 烧工况之间的关系。实验结果证明，煤质特性、燃烧工况等对锅炉各经济指标均 有不同程度的影响，实验获取的相关数据，为建立入炉煤质在线监测模型提供依 据及相关验证数据。 ( 2 ) 入炉煤质元素成分及低位热值监测模型的建立 电站锅炉入炉煤质是目前火力发电厂少数几个还没有实现实时监测的参数 之一但是入炉煤质对锅炉运行的安全性有很大的影响，实时监测入炉煤质，可 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 使运行人员根据煤质的变化及时调整锅炉燃烧，有效提高锅炉运行的经济性。本 文利用软测量技术，提取排烟气体成分中蕴涵了大量的燃煤成分的信息。通过对 燃料燃烧的分析，建立入炉煤质在线监测模型。 ( 3 ) 入炉煤质挥发分监测模型的建立 挥发分是煤的重要成分，为煤分类的主要依据。煤的挥发分对锅炉系统运行、 着火、稳定燃烧起着举足轻重的作用。锅炉在实际运行过程中，煤的挥发分是指 导工人调整燃烧的重要指标。本文在入炉煤质元素成分模型建立的基础上，进一 步推到，在元素成分已知的情况下，假设挥发分的成分，根据守恒关系建立入炉 煤质挥发分的监测模型。对于入炉煤质挥发分监测模型的建立是本论文的创新点 所在。 ( 4 ) 监测模型的求解及校验 在完成了入炉煤质元素成分、低位热值监测模型及挥发分监测模型建立的工 作后，通过实验获取的相关数据，计算得出煤质元素成分及挥发分含量，再与实 验测得的煤质成分的真实数据进行比较，进而对模型的正确性进行评估。 7 中南大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 2 1 引言 煤粉燃烧就是把煤磨成细粉用空气送入炉中在悬浮状态下的燃烧，其过程 是：煤粒由运载它的空气喷入炉膛后受到炉内火焰、高温烟气的加热，温度升高， 开始把水分蒸发掉。一般地，随着温度的进一步上升，煤中的挥发分开始析出， 并在煤粒周围燃烧，使煤粒进一步加热；在析出挥发分后，煤粉颗粒就变成了高 温的焦炭颗粒，会进一步燃烧，直到燃尽。近年来也有大量研究表明【1 7 - 2 0 l ，随着 煤中水分的蒸发，温度的上升，煤中的固定碳成分首先着火燃烧，释放出热量后 挥发分才开始析出；或者挥发分的析出与固定碳的着火燃烧几乎同时进行，随后 煤粒完成其燃尽过程。不管是两者谁先燃烧，最终的燃烧产物是不变的。而锅炉 排烟气体成分中蕴涵了入炉煤元素含量的信息，排烟气体成分和煤元素含量之间 存在一定程度的对应关系，即“一定组成的煤燃烧后就生成一定组成的烟气”， 为了能够更好的建立起煤质与生成物之间内在的联系，必须了解和掌握煤的结 构、燃烧的机理以及燃烧过程中各元素成分和生产物之间的关系。本章就煤的结 构、燃烧机理及挥发分的形成作了介绍，为建立起入炉煤质的挥发分计算模型提 供了理论依据。 2 2 煤燃烧过程的基本描述 煤的燃烧反应实际上就是燃料中的可燃元素与氧发生化合反应并同时发生 光和热的氧化过程。燃烧的发生与持续，必须同时具备可燃物料、氧化剂( 如空 气或氧气) 和将燃料加热到燃烧反应需要的最低着火温度( 表2 1 ) 【m 。燃烧反应得 种类很多，按照燃烧产物是否完全氧化可分为完全燃烧与不完全燃烧；根据燃烧 设备和控制条件可分为固定床燃烧、流化床燃烧和气流床燃烧；根据燃烧时的表 现现象，可分为正常燃烧( 有相对稳定的燃烧过程和燃烧空间) 与非正常燃烧( 如煤 尘爆炸、烟气爆炸等) ，又可分为有焰燃烧与无焰燃烧等等。 表2 - 1 部分固体燃料的着火温度 8 中南大学硕士学位论文第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 2 2 1 煤的燃烧过程 以煤为主体来描述煤的燃烧过程，首先是煤的颗粒被外来能量加热和干燥到 1 0 0 以上，煤中水分逐渐被蒸发，之后随着温度的升高析出挥发分和形成煤焦， 达到着火温度后挥发物和煤焦着火燃烧，最后是煤中的矿物质生成灰渣。这些阶 段在燃烧空间充分的条件下可能顺序发生，在燃烧空间不充分或连续添加煤料时 也可能各阶段相互交叉或者同步进行。挥发分析出的过程可能在水分没有完全蒸 发尽就开始，煤焦也可能在挥发物没有完全析出前就开始着火燃烧等。煤中可燃 物的主体是固定碳，使释放热量的主要来源，燃尽时间也最长。煤焦的燃烧就是 煤燃烧过程中起决定性作用的阶段，它决定着燃烧反应得最主要特征。一般来说 干燥和析出挥发分大约占总燃烧时间的1 0 ，而煤焦的燃烧占9 0 0 卅。 以煤燃烧反应中的气体为主体描述煤的燃烧过程，首先是氧气通过气流边界 层在灰层中扩散和在煤粒内部微孔中扩散，之后在煤表面上发生化学吸附与氧化 反应，解吸后的反应产物通过内部微孔扩散到达煤的外表面，再继续扩散通过灰 层，进而通过气流边界层进入主气流进行扩散。燃烧过程整个时间由化学反应时 间和扩散时间构成。化学反应时间主要取决于煤的本性( 成煤物质和变质程度) 和温度；扩散时间则主要取决于气流速度和灰层厚度。 煤的燃烧反应有两种典型的反应状态。在化学反应速率控制状态时，整个燃 烧的反应速率受煤表面的氧化反应速度控制，反应时间主要由化学反应时间决 定。这种状态通常煤表面温度较低，要增加燃烧反应得速率，提高温度是最有效 的手段。在扩散速率控制状态时，整个燃烧反应速率取决于氧气扩散到煤粒反应 表面上的速率，而与温度无关。要增加燃烧反应的速率，减小煤颗粒粒径以减小 灰层厚度、增大气流速度以减薄气膜厚度，使碳表面反应剂浓度增大是最有效的 手段。需要说明的是，煤的燃烧状态也可能介乎上述二者之间。这时提高温度和 增强气流速度都可以增加煤的燃烧反应速率【1 9 1 。 2 2 2 煤燃烧反应中的化学变化 煤中的燃烧反应主要涉及到的元素是碳和氢，以下是一些主要的反应和标准 状态下的反应热r h m ，o ( j m o l 。1 ) 【1 - q ： 碳的完全燃烧： c - t 0 2 - c 0 2f l k 一3 9 3 5 1 1 d m o l 1 碳的不完全燃烧： c + 1 2 0 2 如o a ，h m - - - 1 1 0 5 2 k j m o l 1 一氧化碳的燃烧： 9 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 中南大学硕士学位论文第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 c 0 + l 2 0 2 _ c 0 2x , h m = - 2 8 2 9 9 l 【j m o l 1 ( 2 - 3 ) 氢的燃烧反应： h 2 + 1 2 0 2 _ h 2 0k r h m = 2 4 1 8 3 k j r r o o f l ( 2 - 4 ) 通过上述煤燃烧基本反应式可以求出燃烧时理论耗氧量、理论烟气组成和理 论烟气量。本文对于入炉煤质的元素成分模型的建立，就是基于对煤燃烧反应的 分析，挖掘烟气成分中蕴涵的煤质元素的信息，建立入炉煤质的监测模型。 2 3 燃煤挥发分的物理化学分析 在挥发分模型建立的研究过程中，对于挥发分的理解和认识占据着十分重要 的地位。对燃煤挥发分进行科学和严谨的物理化学分析，进一步提高对燃煤挥发 分的理解和认识，具有非常重要的意义，并且为建立入炉煤质的挥发分计算模型 的研究工作奠定一个理论基础。 煤化学理论对挥发分是这样定义的刚：煤在规定条件下，隔绝空气加热后， 挥发性有机物质的产率称为挥发分。挥发分与煤中水分产生的水蒸汽以及碳酸盐 物质分解出的c 0 2 等共同构成了该条件下煤热解的挥发物。 根据上述定义，挥发分实质上是煤在温度作用下，煤分子结构发生一系列复 杂的物理变化和化学反应后所生成的进入气相的有机质混合物。在这里有三个关 键点： ( 1 ) 挥发分是煤的分子结构发生物理变化和化学反应后的产物，即挥发分的 生成之源是煤的分子结构； ( 2 ) 挥发分主要在温度的作用下产生的； ( 3 ) 挥发分是进入气相的有机质混合物，即挥发分是进入气相，并且是有机 质的混合物。 这三个关键点在整个认识和理解挥发分过程中的地位和作用是十分重要的。 因此，本文中对挥发分进行的物理化学分析，也是以这三个关键点为基础和切入 点，并由煤分子结构分析、挥发分生成分析和挥发分结构分析三部分组成。挥发 分虽然不是煤中固有的物质，但是，挥发分是煤热解的产物，即它来源于煤体。 因而，挥发分的成份、结构以及物理化学性质等显然均与煤分子结构有着密不可 分得关系【2 1 1 。 2 3 1 煤的形成 经过前人研究发现【2 1 1 ，煤是远古植物在被埋入地层中后，经历了数百万年的 复杂生物地球化学和物理化学变化而形成的。这些远古植物在地下长期处于高温 和高压环境中，原植物中的纤维素、木制素经脱水腐蚀，其含氧量不断下降，而 1 0 中南大学硕士学位论文第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 碳含量不断增加，逐渐形成化学稳定性强、含碳量较高的固体碳氢燃料煤。 煤的形成大致可以分成两个阶段【2 l 】：第一阶段为泥炭化阶段。在这个阶段中， 生活在水流较平静的湖泊、泻湖或浅海环境中的植物死亡后，其遗体随泥沙等一 起沉积到湖底或海底，在缺氧的还原环境中，在微生物作用下，经过一系列复杂 的生物化学作用，不断分解、聚积形成泥炭。这个阶段中，起主要作用的是生物 化学作用；第二个阶段为煤化阶段。在这一阶段中，泥炭随地层下沉，在适宜的 地质环境中，由于沉积岩覆盖引起的高温高压作用影响，原来疏松多水的泥炭受 到紧压、脱水、胶结、聚合并逐渐堆积变厚转变成煤。泥煤在地下温度和压力均 较高的环境中，由于所经受的地质作用的强弱不同，因此就形成了不同的煤种， 通常分为褐煤，烟煤，无烟煤。在这一阶段中，起主导作用的是物理化学作用。 原始的成煤物质是多种多样的，从单细胞的低等植物到高等植物，都可能参 与成煤，根据成煤物质和成煤条件的不同，可以把煤划分成三大类：腐植煤、残 植煤、腐泥煤。由高等植物形成的煤为腐植煤。这种煤在自然界分布最广，蕴藏 量最大，目前人们开采的煤层，大部分都是腐植煤；由高等植物中的惰性组分( 或 稳定组分1 如角质、树皮等形成的煤为残植煤，这种煤在自然界分布很少；由湖 沼、泻湖中的藻类等浮游生物在还原环境中经分解形成的煤称为腐泥煤。因此， 无论从哪一个角度研究煤的结构，腐植煤都是主要的研究对象。 综上所述，煤是来源于植物，煤中的碳及挥发分中的各元素同样来源于植物。 2 3 2 煤的结构 煤的结构从研究的角度，可分为化学结构和物理结构两个方面。煤的主要组 成部分是有机物质，所以煤的分子结构具有明显的有机化合物的特有结构。不同 的煤种、不同地区的同种煤、同一地区的不同煤层，煤的结构都有很大的差别。 对于煤的分子结构，通过分析和测定 z 2 - 2 # 1 ，表明煤的结构的基本单元是以缩合芳 环为主体的周围连接很多烃类的侧链，“- 0 - - ”键和各种官能团的高分子。缩 合芳环类似于石墨的结构，碳原子都处在同一个平面上，形成平面的网状结构。 侧链和“- 0 - - ”键又将碳网在空间以不同的角度互相连接起来，构成煤的复杂 的、不规则的空间结构。缩合芳环主要由碳构成，氧、硫、氮氢等元素主要在侧 链上。随着煤变质程度的加深，煤的基本单元结构六碳环平面网变大，排列 逐步规则化，侧链逐渐减少、变短。 人们对煤化学结构的认识，主要体现在煤化学结构的提出和完善上，从二十 世纪初开始研究煤结构以来，人们提出的煤分子化学结构模型已有十几个。图 2 1 是6 0 年代以前的经典结构模型，图2 - 2 是现代公认的结构模型1 2 l 】。 中南大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 图2 - i 煤的经典结构模型 吼 图2 - 2 煤的现代结构模型 近年来，在计算机技术的推动下，研究者从平面转向立体，通过对结构参数 的测试，模拟出光学同相镜质组的三维立体结构。从而，使人们对煤物理结构的 认识也进了一个崭新的阶段。 黼豳 图2 - 3 煤分子缔合模型示意图 中南大学硕士学位论文第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 卿眵 膏，r 化芳环 ，、 夺分于 图2 - 4 煤分子两相模型示意图 当前比较有代表性的结构主要有，缔合模型( a s s o c i a t e dm o d e l ) ，主客体结构模 型刚删以及两相模型1 2 刀( 埘a c ：啪o l e c u l 舻咖l 鲫l l 砷，如图2 - 3 和2 - 4 所示。 随着煤分子物理结构和化学结构研究的不断发展，使人们对煤分子微观结构的认 识得到了进一步的发展。 2 3 3 挥发分形成之源 挥发分是煤体在加热升温的过程中，煤分子结构发生一系列复杂的物理变化 和化学反应后的产物。无论是在实验室中对煤进行缓慢的程序式的升温，还是在 电站锅炉中煤燃烧时所经历的快速升温，煤体都会接受到环境以热能形式供给的 能量。这部分能量的供给，直接导致煤体中各元素原子的平均动能的增加，宏观 表现为煤体温度的上升。这一物理变化的剧烈程度，与环境供给能量的情况直接 相关。缓慢的程序式升温，导致煤体逐渐的、温和的发生这一物理变化。而在炉 膛中的实际燃烧过程，这一变化则异常剧烈。 外界能量的供给使煤体中原子平均动能增加，煤体中原子由基态跃迁至激发 态。这时，由这些原子构成的基团中，因为原子平均动能的增加，基团中的化学 键变得不稳定。一旦化学键对原子的束缚力被原子所增加的动能所克服，此时的 化学键就有可能断裂。 对于煤体的加热过程，无论是缓慢的程序式升温还是快速升温加热，从量子 化学的角度，热能均是一份一份地传递给煤分子。煤分子中原子的平均动能是一 个逐渐增加的过程。同时，对于煤分子的结构而言，构造成煤分子三维空间高度 交联的网状结构的各种价键( 包括桥键和交联等) ，其键能或键离能也是各不相同 的。于是，逐渐增大的原子平均动能，从键能或键离能最小的价键开始，按由小 到大的顺序去断裂这些煤分子结构中的连接，从而改变煤分子的结构。从宏观上 观察，煤体在受热过程中，由原煤释放出挥发分而形成煤焦。 根据上述对煤分子结构的分析，从总体上看，煤分子结构中的非芳香结构没 有芳香结构稳定。那么，在热能的作用下，非芳香结构将先于芳香结构被打开。 1 3 中南大学硕士学位论文第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 经过分析，非芳香结构主要有侧链和桥键，此外还有环烷烃和杂环类。对于整个 煤体而言，非芳香结构还包括交联键。根据有机化学理论，对煤分子结构中的所 有非芳香结构分析得知，环烷烃和杂环类的化学性质比较稳定，比交联、桥键和 侧链对热更稳定。这三者中，交联键稳定性最弱；桥键由于受到芳环和其他结构 的影响，没有侧链稳定。 于是，在温度或热的作用下，煤分子结构中的芳香结构以及非芳香结构依次 被打开。在这个过程中，煤分子结构也相应发生改变，并生成了挥发分，从而使 煤体从原煤状态向煤焦状转变。 2 3 4 挥发分的生成分析 挥发分是煤体热解的产物，因此，挥发分的生成过程就是煤体的热解过程。 一般来讲，煤的热解( p y r o l y s i s ) 是指煤在隔绝空气或惰性气氛中持续加热升 温且无催化作用的条件下发生的一系列化学和物理变化。在这一过程中，化学键 的断裂是最基本的行为。p y r o l y s i s 一词来源于希腊语的p r e ( 火) 和l y s i s ( 分解) ，指 的是通过热能将样品转变成另一种或几种物质的化学过程，裂解得结果往往是相 对分子量降低，但也可能通过各种分子间的反应而使相对分子量增加。显然，煤 的热解过程是一个十分复杂的过程，它包括了物理变化和化学反应两个过程。对 于挥发分，自然也是经过这两个过程而产生的。 ( 1 ) 煤热解过程的物理变化 以典型烟煤为例，煤的热解大致可分为三个阶段1 2 s - 3 0 1 ： 第一阶段( 室温- 3 0 0 c ) 从室温到3 0 0 为干燥脱气阶段。在这一阶段煤的外形无变化。褐煤在2 0 0 以上发生脱羧基反应，近3 0 0 时开始热解反应；烟煤和无烟煤在这一阶段一 般没有什么变化。脱水主要发生在1 2 0 c 前，而脱气( c h 4 ，c 0 2 和n 2 ) 大致在2 0 0 前后完成。 第二阶段( 3 0 0 - 6 0 0 c ) 这一阶段以解聚和分聚反应为主，煤粘结成半焦，并发生一系列变化。煤在 3 0 0 左右开始软化，并有煤气和焦油析出，在4 5 0 前后焦油量最大，在4 5 0 - 6 0 0 气体析出量最多。煤气成分除热解水、一氧化碳和二氧化碳外，主要是气态烃， 故热值较高。 烟煤( 特别是中等变质程度的烟煤) 在这一阶段从软化开始，经熔融、流动和 膨胀到再固化，发生了一系列特殊现象，并在一定的温度范围内产生了气、液、 固三相共存的胶质体。液相中有液晶或中间相存在。胶质体的数量和质量决定了 煤的粘结性和成焦性的好坏。这一阶段的固体产物是半焦。半焦与原煤相比，有 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧及挥发分的生成原理 一部分物理指标，如芳香层片的平均尺寸和氦气测定的密度等变化不大，说明半 焦生成过程中缩聚反应还不很明显。一般认为这一交化的转折点在7 0 0 左右。 第三阶段( 6 0 0 一- 1 0 0 0 c ) 这是半焦变为焦炭的阶段，以缩聚反应为主。焦油量极少，挥发分主要成分 是煤气，7 0 0 以后煤气成分主要是氢气。焦炭挥发分小于2 ，芳香晶核增大， 排列规则化，结构致密、坚硬并有银灰色光泽。从半焦到焦炭，一方面析出大量 煤气，挥发分降低；另一方面焦炭本身的密度增加，所以体积肯定要收缩，但又 不能整体缩小，故产生许多裂纹，形成碎块。焦炭的块度和强度与收缩情况有直 接关系。 ( 2 ) 煤热解过程的化学反应 在热解过程中，在发生以上所述的一些物理变化的同时，还发生了一系列复 杂的化学反应，从而导致了挥发分的生成。 从煤热解过程中煤分子物理特性、化学特征及元素组成的变化着手，考察煤 热解过程，发现煤热解过程中发生的化学反应，从总体上讲，分为两大类，即裂 解反应和缩聚反应。于是，在煤热解所发生的化