（热能工程专业论文）600mw机组锅炉煤种适应性研究.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 目前国内电煤供应还处在相对紧张的状态，煤炭来源多样化，这就造成锅炉煤 种不适应问题。锅炉与煤种的适应性状况主要取决于锅炉炉型结构与煤质的匹配关 系，投运中的锅炉炉型结构已经确定，保证入炉煤质与设计煤质相同或接近，锅炉 与煤种的适应性才会较好。但是，在电厂实际运行中，入炉煤质变化是常见的，当 入炉煤质与设计煤质有较大偏差时，就可能出现锅炉炉型结构与煤质特性不匹配的 问题，这将对电厂的运营造成不利影响。 本论文以广东某电厂燃煤变化产生炉煤不匹配问题为主要研究对象。 首先研究不 同单煤（a 煤、b 煤、c 煤、d 煤）及其之间混煤的燃烧特性、燃尽特性、灰熔融特 性等，试验结果显示各单煤及其混煤燃烧稳定性和燃尽性都较好，a 煤和 c 煤及两 者之间的混煤易结渣，其他煤种不易结渣。然后根据实验室分析结果，对不同煤种 与锅炉的相关性即“煤质锅炉”的耦合性进行计算分析，结果显示各单煤及混煤 与锅炉炉膛结构适应性较好， 说明该电厂 600mw 锅炉燃烧稳定、 燃尽性较好且不易 出现严重结渣问题。最后根据实验室的分析制定现场混煤燃烧方案，进行相关煤种 的掺烧试验，现场掺烧试验情况显示：实验室分析和预测与实际情况相吻合，试验 单煤及各混煤燃烧都较好，部分有结渣，但不影响正常运行。其中以 c 煤和 d 煤为 主掺烧一定比例 a 煤的混煤与锅炉适应性最好，并且能够很好的解决因锅炉燃用非 设计煤种而出现的锅炉安全稳定、高效低污染物排放等问题。同时本论文也对部分 电厂炉煤匹配问题进行了分析比较，希望为锅炉设计人员和电厂管理运行人员解决 类似问题提供一些参考。 关键词关键词: : 超临界锅炉 煤质特性 混煤掺烧 煤种适应性 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract at present, power coal supply is still in a state of relative tension, the sources of coal take on a diversified trend ,this caused the problem that coal type and boiler can not match with each other.the adaptability of coal type and boiler mainly depends on the matching relationship between the structure of bolier and the coal quality.because the structure of the bolier which have been entered the commercial operation is unchanged, the adaptability of coal type and boiler can be improved if the coal which was put into the bolier was similar to the designed coal. however,in the actual operation of power plants, the change of coal is a common thing.when the coal which was put into the bolier have some larger deviations with the designed coal, the problem that the boiler structure cannot match the characteristics of coal may occur. all these will bring about some adverse impact on the operation of the power plant. in this paper,the problem that the matching relationship between the structure of bolier and the coal quality was not good occurred in one power plant in zhuhai. first of all, combustion, burn-off and ash melting characteristics of the different single-coal ( a coal, b coal, c coal and d coal ) and blend coals were analyzed. test results showed that both of stability and burn-off of coal combustion was better , a coal , c coal and the blend coal between these two are easy slagging and other coals are not. and then based on the above results,calculating and analyzing the coupling character between the coal and boiler, the results showed that the adaptabilityof the single and blend coal and boiler structure and is better, in other words, the 600mw power plant boilers combustion stability and burn-off were good and its not easy to appear serious slagging problem. according to the results of laboratory analysis，constitute blending coal project and achieve blending coal burning test.the results of field test shows that: laboratory analysis and forecasting coincide with the actual situation, single-coal and blend coals combustion are well, some coals slagging, but dont affect normal operation. among them, the coal c and d in which add a certain proportion a coal adaptability are good, and also can solve the problems to which attributed burn non-designed coal just like the security and stability of the boiler, efficient low-pollution emissions and so on.at the same time,the match of coal and boiler issue in which occurred in some power plant are analyzed and compared in this paper, provide iii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 some reference to resolve similar problems for the people who design the power plant boiler and do the operation and management work in power plant. key words : supercritical boiler coal properties blending coal coal adaptability 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 : 日期 : 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即 : 学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅 和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名 : 指导教师签名 : 日期 : 年 月 日 日期 : 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题的研究背景课题的研究背景 中国煤炭工业协会和国家能源局等单位1-3的统计数据显示 2006-2008 年，我国 总发电量分别是 28344、32557、34110 亿千瓦时，其中火力发电量分别是：23573、 26980、27793 亿千瓦时，火力发电量占全国发电量的比例依次是 83.17%、82.87%和 81.5%，并且 2000 年以来全国发电量的 81.7%以上都是来自火力发电，火电所占较 高比例的状况短期内不会改变。 同时我国电煤消耗量约占全国煤炭产量的 50%， 2008 年全国煤炭产量 27.16 亿吨，其中电煤消耗 13.4 亿吨，达到了去年煤炭总产量的 49.34%。 近年来，面对电力、冶金、建材等主要能源消耗行业对煤炭需求不断快速增加 的状况，国内煤炭生产总量也迅猛增长，但煤炭产量的增加还不能完全满足需求， 供不应求的市场环境促使煤炭价格不断走高。受此影响，作为全国最大的煤炭消耗 行业，电力行业面对煤炭价格不断上涨和供需紧张的情况，出现了锅炉机组无法正 常运行、发电运营成本增加和效益下降等问题，给企业本身的生产和人民用电生活 带来诸多不利影响4。同时受到很多其他因素的影响，电煤供应也会受到严重影响， 2008 年的冰雪灾害使我国南方大部分地区受到影响，许多交通线路受阻，又时逢春 运高峰，全国尤其南方很多发电企业电煤供应严重不足，部分企业只能降负荷或停 炉，这对企业造成了更严重的影响5。 根据国家中长期发展规划的内容可以知道，在未来十多年内我国的能源结构会 有一定调整，煤炭比重下降，石油、天然气上升，发电比重中，水电、核电和新能 源的比重有所上升，火力发电比重虽有所下降，但是火力发电依然占据着绝对的优 势， 并且总的发电量在不断上升， 煤炭的需求也会不断增加， 中国国家能源局预测6， 到 2020 年全国煤炭产量达到 34 亿吨，而电煤需求量将达到 22 亿吨左右，占全国煤 炭产量的 65%，比 2008 年的 13.4 亿吨增加近 9 亿吨，这就是说要达到到 2020 年的 煤炭需求，电煤的供应量必须至少达到七千万吨/年的增幅，未来的供应依然面临紧 张局面。在这种紧张的供需关系状况下，煤炭来源必定呈多样化趋势，这种趋势也 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 使得企业稳定获得设计煤的可能性变小，改煤是不得不需要面临的问题，由于不同 煤种的煤质特性差异较大，相同产地的同类煤炭，在开采方法、开采环境，运输条 件和存放环境等改变时，都会影响煤质，再加上近期我国的电煤供应还是处于一种 紧张的平衡状态，很多电力企业为了企业本身的正常运营或电力企业集团的整体效 益，自身选择煤种的余地较小，有时电厂管理人员为了降低煤炭消耗成本，在实际 燃煤中会掺入各类劣质燃料（如污泥、垃圾、生物质等） ，这些外加燃料的燃烧特性 和煤炭有很大不同，势必对电厂正常生产来去不利影响，并且污泥量垃圾燃烧的烟 气中有害成分的去除工作也是要提前研究的。 煤炭供需紧张状况和发电企业自身需求改变（由于煤炭价格、环保要求、锅炉 系统自身适应情况等因素迫使发电企业改变煤种） ，这都会促使发电企业去寻求不同 的煤种，进而改换锅炉的供煤情况，由于锅炉的设计制造以及运行参数的选择调整 都是在一定煤质基础上实现的，实际燃煤的改变势必改变入炉煤质特性，发电企业 的正常生产生活也会有变动，随着相关研究内容的不断深入，锅炉设计人员和电厂 运行管理人员对煤质改变而引起的锅炉运行问题非常重视。 1.2 研究研究的来源、目的和意义的来源、目的和意义 锅炉运行的安全性和经济性受到入炉煤质特性的直接影响。确切掌握煤质特性， 并通过燃烧系统的优化调整，最大程度地使锅炉的运行与燃料特性相适应，对于提 高锅炉的燃烧效率和燃煤的高效低污染利用具有十分重要的意义。同时，锅炉对煤 种的适应性研究可以提高试烧煤锅炉与煤种的适应性,拓宽了电厂煤源,为发电行业 的节能降耗做出了较大贡献,保证了火电机组燃用非设计煤种安全发电,缓解我国用 电紧张局面和国内火电煤炭供应的紧张局面。 为了确定投运锅炉与燃用的新煤种的适应特性，必须对煤质特性认真研究，因 为锅炉燃用不同煤种下，着火、结渣、燃烬性都可能发生变化，在对不同煤种一般 分析的基础上，通过对不同煤种进行滴管炉实验（主要进行燃尽性研究） 、热天平实 验（利用 tgdtg 曲线分析煤种的燃烧稳定性、燃烬性特性，并确定煤粉燃烧的 一些参数） 、灰熔点及灰成分测定（判别结渣特点）等，并与锅炉炉膛结构设计关联 （锅炉结构本身的燃烧稳定性指数、燃烬性指数、结渣性指数） ，对锅炉燃用不同煤 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 种下的总体性能进行比较计算，得到锅炉对不同煤种的适应性结果，这样通过对拟 用煤种进行燃烧特性试验,结合锅炉结构特性,预判炉煤关系状况,为判断和选择新 煤种提供经验和技术理论依据，保障发电企业机组锅炉能安全正常运行。 某电厂 600mw 超临界机组燃煤锅炉自投产以来， 长期燃用设计煤掺烧其他煤种 的混煤，由于燃煤与设计煤种有一定差距，实际运行中锅炉出现了炉膛壁面结焦、 灰渣含碳量超标、排烟环保指数不达标等一系列问题，严重影响了发电机组的正常 运行。造成上述问题主要原因是发电企业对锅炉与煤种的适应性认识的还不充分， 造成锅炉运行时煤种使用不慎合理。为了解决运行中存在的问题，同时考虑到市场 煤炭价格、煤质与辅助机组的匹配以及环保的要求，有必要对电厂的实际燃煤及其 混煤的燃烧特性和锅炉结构特性进行系统的分析研究，得出单煤和各比例混煤的燃 烧特性，用科学的方法对锅炉结构燃烧稳定性、燃尽性和结渣性数据进行分析，同 时结合现场实际燃烧情况，确切验证并掌握锅炉与不同煤种的适应特性，从而指导锅 炉优化运行，为电厂锅炉机组高效率、低污染、安全稳定地运行提供保证。 1.3 国内外研究概况国内外研究概况 目前主要通过两种方法研究锅炉与煤种的适应性特点，也可以说是三种方法进 行预测判别:煤质特性判别法和锅炉结构特性判别法，或两者结合的方法进行判断。 煤质特性指数判别，是根据研究确定煤质燃烧特性判别指数，并给出程度判别范围， 定量地归纳出煤质和锅炉结渣特性、燃尽性、着火稳定性能以及环保指数等的相关 性，进而定量判断锅炉机组和不同煤质之间的匹配状况，从而解决因炉煤不匹配而 产生的诸如炉膛严重结渣、锅炉高效低污染燃烧等问题，这样才能保障正常的生产 运营7。 锅炉结构特性判别法，又称型谱法，它是以锅炉结构和锅炉燃煤煤质为基础， 并结合实际运行条件，获得锅炉炉膛结构特性判别指数（锅炉的结构特性包括锅炉 结构着火稳定性、燃尽性、结渣性） ，依据判别指数的判别范围对“煤种炉膛”的 适应性状况进行判别和预测，以判断新设计的锅炉或者实际运行中的锅炉运行情况， 为锅炉设计和运行提供参考和理论支持。根据上述分可以确定：要保证锅炉机组正 常安全高效运行，就必须让炉煤的匹配关系达到良好状态，这样锅炉机组才能以较 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 高的效率和效益运行。 当然，锅炉的正常运行除了与煤质和锅炉本身结构有很大关系外，还和空气动 力场、运行工况以及燃烧系统等有很大关系，为了优化炉煤匹配关系，多数情况下 工况参数的调整也是很有效的，必要时也可对燃烧系统进行调整尤其是燃烧器的调 整和改造，以便最大限度的拓宽锅炉对各不同煤种的匹配范围。 为了从不同角度（实际燃烧特性、燃烧模拟、指数的判定等）判定出煤质对锅 炉燃烧和运行性能的影响，国外很多专家学者在煤质特性及其对锅炉燃烧的影响等 方面进行了大量的试验研究，这些实验大多是在实验室的小型实验炉上完成的，如 滴管路、热天平、一维炉、单角炉等，这些小型实验炉都是对煤在实际锅炉中运行 的一个模拟和考证，实际和模拟两个状态的结果比较吻合，所以，在研究煤质特性 的很多实验中这些试验设备得到广泛使用，研究人员通过上述实验设备进行了大量 的实验研究，取得了很多实验数据和理论分析结果，在这些大量实验研究的基础上 总结出了有关煤粉燃烧特性判断指数和煤质对锅炉燃烧影响的判定指数，实现了对 煤质特性和煤质对锅炉燃烧影响的定量或定量判别，对方便和指导用煤很有帮助。 例如，ruether, john a.等人8结合电厂实际情况，在以燃烧无烟煤和粉煤灰为主的锅 炉上进行选煤和配煤研究，根据试验研究结果可以看出，实际运行中不仅减少了投 油量，降低了飞灰可燃物的含量，还降低了 so2 和氮氧化物的排放，不仅效果是很 好的，而且对其他电厂也有较高的参考价值。jones9等人在实验炉上针对不同煤质 进行了燃尽特点试验研究，并对取得的相关实验数据和结果进行了研究对照，分析 结果反映出了不同煤质燃尽性特点和燃尽性变化趋势，这对指导实际用煤有很高的 参考价值；berman, yuli 等人10研究结果显示：含灰量较高的煤的结渣倾向随着煤颗 粒的变大而增加，研究者也提到，具体的增加规律还要进一步研究才能确定；德国 研究人员 zelknowshi 等人11根据对混煤在不同电厂实际运行情况的研究得出如下结 论：不同比例的煤种掺混燃烧，对混煤着火影响不同；由于褐煤的发热量较低，单 独燃用褐煤的锅炉机组可能无法满负荷运行，掺烧一定比例的高热值烟煤可以解决 由于褐煤热值较低而锅炉无法满负荷运行的问题，同时混煤掺烧后，锅炉燃烧的稳 定性和燃尽性都有提高；goni,ch12等人对以五种煤为主的二元混煤样进行了热力学 模型模拟研究，结果显示模型的预测结果与实际混煤煤灰熔融温度相吻合，说明用 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 合理的模拟方法可以很好的预测锅炉的燃烧特性。bogat 等人13-15的研究结果都表 明：混煤必须作为一种单煤进行单独研究，因为各单煤会合后的混煤煤灰成分已经 不是单煤的平均组合，灰成分发生了改变，进而导致混煤的灰熔融特性改变较大， 若使用组合单煤的灰熔融特性对混煤进行判别，这必定会有很大的误差。 20 世纪 80 年代初，美国政府面对环境的压力，制定了煤清洁燃烧技术（cct） 项目示范和商业化控制技术规划，以达到改善环境、提高发电热经济性的目的。以 美国能源部和电力科学研究院（epri）所支持的横向课题为基础率先进行了以小型 试验台为主的煤质影响模型研究， 之后又在现场 500mw 机组上进行了试验。 经过多 次相关试验和研究成果的试验推广，研究人员逐步提出建立并开发煤质影响模型 cqim15-18，为了能根据这个模型知道电厂实际运行，研究人员又推出了一套“煤质 评估系统”(c-quel)，这个系统是以 cqim 为依据，然后利用计算机软件建立了煤 质测量系统19-20，可以很好的检测入炉煤质变化，这个系统最大的优点是实现了事 后处理到事前处理，它会提起给出炉煤的匹配关系评估内容，这样可以在问题出现 之前采取措施，杜绝事故出现，使预烧煤种能与锅炉较好的匹配，达到电厂降低运营 成本和节约燃料的目的。 继美国之后，英国等西方发达国家也开始了自己煤质评估系统和自动配煤系统 的研究与开发。同时期一些亚洲国家，如日本，也开展了相关的煤质评估系统研究 开发工作，并将研究成果推广到电力等企业应用，都收到了不错的效果。 在国外学者研究煤的燃烧特性的同时，国内相关领域的研究人员也对一些工作 进行了研究，研究内容包括煤在燃烧过程中表现出的稳定性、燃尽性以及粘污、结 渣性，并对煤粉在实际锅炉运行可能产生的影响进行了实验室和现场试验研究，获 得了大量有用数据和结论，取得了很多的研究成果21-32，并且一些研究成果在世界 煤燃烧领域都具有较高的权威性，获得了国际相关领域专家学者的认可和好评。同 时各高校和科研院所也逐步开发了自己的煤质锅炉评估系统、自动配煤系统等，这 些系统在实际运行中取得了良好的效果。随着研究理论成果的不断推广和应用，有 关研究锅炉与煤种适应性的文献逐渐增多，同时面对日益紧张的环境压力和煤炭价 格的影响，国内很多电力企业越来越深刻的认识到煤质特性尤其是煤的燃烧特性对 电站锅炉实际运行、电力企业经济和社会效益的重要影响，电力企业管理及运行人 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 员开始不断与各高校和科研院所进行合作研究，为锅炉机组的安全经济稳定运行以 及企业效益的提升提供了可靠的技术保障。 多年来，研究人员在煤的燃烧特性，煤与炉匹配关系、专家系统、配煤系统等 方面的研究33-35方面做了很多工作。最近几年，在煤燃烧特性和锅炉煤质适应性研 究方面，国内学者做了大量工作36-43，研究成果也给企业带来很好的帮助，同时也 丰富了燃烧理论的实践。高校中研究也较多，例如，华中科技大学煤燃烧国家重点 实验室研究人员的研究结论是：混煤的煤质特性与单煤有一定差别，混煤的相关特 性并不是单煤特性的线性和值，而是具有非线性关系；研究实际燃煤的燃烧特性、 锅炉结构特性及其相关性，用锅炉结构常数作为煤种适应性的综合表征值，可以比 较正确的判断燃烧过程中可能产生的问题及原因，可以较好的为锅炉改造提供依据； 浙江大学热能工程研究所和能源清洁利用国家重点实验室的研究结论：通过实践经 验和数值计算结合的方法优化改造燃烧系统尤其是燃烧器,结合工况等参数的调整, 使燃烧系统和整个锅炉系统扩大对煤种的适应范围。需要说明的是，各高校和科研 院所的研究方法和研究结论都是理论分析和实践检验的结果，煤种与锅炉适应性研 究中使用的方法和结论在以后实际应用也是要不断经受实践检验和理论再更新的过 程。 目前有关大型主力机组的研究不断成熟，理论也不断加深，是指导以后更高机 组研究的基础。 现在 600mw 及以上超临界、 超超临界机组的是一个需要重视的方向， 尤其是最近几年，很多超临界、超超临界机组投入商业运行，超（超）临界机组在 节能降耗、经济效益和环境效益方面都具显著的优势，是未来电站锅炉发展的主力 方向，国内相关领域的人员也逐渐对超临界、超超临界锅炉的相关问题进行了更多 和更深入研究，并取得了良好的经济和社会效益。因此，对中国超临界、超超临界 锅炉机组的炉煤关系进行研究，以便指导电力企业选用做好煤种、配煤工作和燃烧 系统及燃烧条件进行调整改造工作，保证机组锅炉机组安全、稳定、经济运行，对 未来保证我国电力供应的重要性是不言而喻的，这是积极响应国家节能能减排计划 和走持续发展的重要举措，更是我国电力行业深刻贯彻落实科学发展观的具体体现， 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.4 研究内容和方法研究内容和方法 炉煤匹配预测和验证是本论文的关键性问题，因此本课题主要是根据不同煤种 的燃烧特性、锅炉的结构特性和现场试验情况进行分析研究。主要进行工作如下： （1）对煤质及燃烧特性进行分析， 煤质特性主要研究不同煤种中水分、 挥发份、 灰分、灰成分分析、发热量以及含硫量和颗粒细度等对煤燃烧稳定性、燃尽性、结 渣特性的影响；同时根据热重实验和沉降炉实验研究各不同煤种的着火温度，分析 其着火特性特性和燃尽特性等。 （2）根据煤质特性和燃烧特性的实验结果，对炉煤耦合关系进行研究，主要是 对锅炉结构燃烧稳定性、燃尽性和结渣性指数进行计算分析；同时结合锅炉特征参 数和对一些同容量级和不同容量级锅炉与煤种的适应性进行比较分析，确定实际锅 炉与不同煤种的匹配情况，为研究问题提供指导，同时也为解决类似的问题提供参 考意见和解决办法。 （3）以理论分析判断和实例经验为依据，进行各煤种的现场燃烧试验，在现场 试烧实验中观察各不同煤种的实际燃烧状况，明确锅炉运行中的合适煤种和较佳工 况以及合理化改造方案，指导电厂实际运行工作，提高电厂锅炉煤种适应范围，确 保电厂生产顺利进行。 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 煤质煤质及燃烧及燃烧特性分析特性分析 某电厂煤质特性分析包括煤的工业分析、元素分析、发热量测定、灰分分析、 灰熔点测定、煤质燃烧特性等。其中煤的工业分析、元素分析和发热量的测定是锅 炉设计和实际运行的基础，因此对这些特性进行重点分析研究对指导锅炉优化设计 和电站安全经济运行都有重要作用。本论文主要以某电厂煤质进行分析，分析结果 见附录 1（表 1-5） 。 2.1 煤质元素及工业分析煤质元素及工业分析 2.1.1 元素分析元素分析 从所分析的 4 个单煤含碳量和发热量数值来看，a、b、c、d 和设计煤含碳量 依次升高，它们的热值也依次升高，c 和 d 煤的含碳量与设计煤接近，热值也比较 接近，a 和 b 煤含碳量与设计煤相差较大，热值较低，单独燃烧 a 和 b 煤机组锅炉 可能无法满负荷运行。 从四个单煤的含氢量来看，都比设计煤种高，由于氢是有利可燃元素，极易着 火燃烧，所以四个单煤着火会比较好。 氧是煤中的不可然元素，也是不利元素，从单煤的分析结果来看 a 和 b 单煤的 含氧量较高，它们的热值依次减小。而 c、d 和设计煤含氧量稍低一些，发热量别 a 和 b 都要高。 氮作为有害元素， 燃烧中会产生 nox 污染环境， 为了保证排烟指标在规定范围， 必须选择与设计煤氮接近的煤种，4 个单煤的含氮量与设计煤均较接近，应该能够满 足烟气排放的要求。 硫在燃烧中会产生有害气体，对锅炉受热面（主要是低温受热面）产生腐蚀， 排放的气体也会污染环境，因此，选择煤种时必须严格控制煤炭含硫量较高煤种的 配比。根据分析结果，四个单煤中，d 煤的含硫量远高于设计煤，因此必须严格控 制 d 煤的掺烧比例，其他三个单煤的含硫量都不高于设计煤，因此都满足锅炉运行 的要求。 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2.1.2 工业分析工业分析 水分的含量对煤粉燃烧影响很大，水分大会对锅炉燃烧效率、炉膛温度水平以 及锅炉辅助系统运行带来不利影响。分析的四个单煤中 a 煤的水分最高，其他三个 单煤与设计煤种较接近， a 煤的发热量最低，这和其水分高有一定关系。 灰分是煤燃烧后剩余的矿物质，空气中灰尘的形成与燃煤后排放灰分有重要关 系，对人体和其他生物有害。a、b、c、d 四个单煤的灰分含量差别较大，a 煤的灰 分含量最低且远低于设计煤种，其他单煤的灰分比设计煤高一些。因此将 a 煤与其他 灰分含量较高的煤种混合燃烧，对降低入炉煤的灰分有利的，同时提高锅炉运行的安 全性和经济性及辅助系统的经济性。 各不同煤种挥发分含量基本规律是：褐煤烟煤贫煤无烟煤，根据对某电厂各 单煤挥发分的分析结果可以明显的看出：a 和 b 煤属于褐煤，c 和 d 煤属于烟煤， 它们的挥发分都高于设计煤种，因此所研究的单煤及混煤应该都能满足锅炉运行对 挥发分的要求，当然各煤种挥发分含量是否超出燃烧系统对挥发分的适应范围还需 要通过现场试验进一步验证。 根据单煤分析结果可以看出 a、b、c 和 d 煤的固定碳含量依次升高，对应的发热 量数值也是依次增大。 同时论文中也对折算灰分和折算硫分进行了计算比较， 计算结果见附录1 （表6） 。 根据煤质工业及元素分析可以获得以下结论; （1）挥发分和发热量数值可以看出：a 煤和 b 属于褐煤范围，c 和 d 煤属于烟 煤区。烟煤和褐煤的挥发分都属于较高范围，因此试验煤种在锅炉中的着火和燃烧 都应该是好的；由于 a 煤和 b 煤的发热量普遍偏低，单独燃烧可能无法满足满负荷 运行，同时 c 和 d 煤中掺混褐煤后，混煤发热量也有一定程度的降低，因此必须严 格控制烟煤中褐煤的掺混比例，避免因发热量过低而产生制粉系统出力不足等问题。 （2）从灰分的分析计算结果看：a 煤的灰分含量最低，其他三个单煤灰分含量 也都略高于设计煤种，但都比校核煤种低很多，因此所研究的煤种都应该能够满足 锅炉机组运行的要求。由于 a 煤中煤灰含量低，在 c 和 d 煤中掺混能降低混煤的含 灰量，这对机组运行是有利的。 （3）从含硫量分析计算结果看：a、b 和 c 煤的硫分含量都较低，因此这三个 单煤及相互之间的混煤都应该能够满足机组对煤种含硫量的要求；d 煤的硫分含量 最高，并且远高于设计煤种和校核煤种，单独燃烧 d 煤，锅炉机组的脱硫系统可能 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 无法正常运行，so2 的排放也可能不达标，d 煤中掺混一定比例含硫量较低的 a 或 b 煤，对降低混煤含硫量和维持脱硫系统正常运行都是有利的。 2.2 煤质燃烧特性实验介绍煤质燃烧特性实验介绍 2.2.1 热重实验热重实验 我国对煤燃烧特性的研究始于上个世纪八十年代，主要根据引进的热重实验台 进行研究，热重实验又称热天平实验，本论文中研究煤燃烧特性的热重实验设备是 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室实验设备德国耐驰科学仪器商贸（上海） 有限公司 netzsch sta409c 型差式热天平。它的实验方法及原理是：首先根据热 重实验要求制定（煤样颗粒90um）一定量的煤粉，并进行烘干处理，然后再按要 求制出一定数量的样品，这些样品的重量一般是毫克级别（本论文中采用 5mg 为一 个试样） ，将煤粉试样放于热天平实验装置的特定坩埚内，在坩埚周围通入空气（多 采用氮气和氧气混合的方式，本实验中空气采用氮气和氧气 1:4 混合，空气流量为 100ml/min） 保持试样周围具有良好而稳定的气氛环境， 上述工作完成后， 开始按 20 /min 升温速率（不同的热重实验装置其升温速度不同）在静态下对煤样进行持续加 热，从室温持续加热至 900，随温度的不断升高，煤样的质量减少速度即煤样失重 速率会随时间发生改变，直至试样燃尽为止，这样就能得到燃烧失重分布曲线，根 据燃烧失重分布曲线和实验参数，可以直接确定煤的着火温度、易燃峰最大失重速 率、最大失重温度等参数，并可以根据上述参数计算着火稳定判别指数 rw 等,实现 对煤粉着火难易和稳定性的定量判别。 2.2.2 沉降炉实验沉降炉实验 沉降炉实验又名滴管炉实验，它可以分析烟气成分、煤质燃烧特性等，本论文 中主要用来分析煤样的燃尽特性，实验设备采用华中科技大学煤燃烧国家重点试验 室沉降炉实验台，设备系统（图 3.1）有：给粉、燃烧、采样统和辅助四大系统组成， 每个系统分别模拟电厂锅炉的相应系统设备，它们组合共同模拟完成整个电厂机组 锅炉系统的运行工作。 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 图 3.1 设备系统简图 实验进行之前，先制备煤样，给粉系统对煤粉的流动性要求较高，为保证给粉 系统的精确、连续给粉，必须将煤样烘干，给粉系统主要由日本产 mfev-10 型微量 给粉器组成， 实验开始前， 先对给粉器的给粉量进行调解设定， 保证给粉量在 1g/min （给粉量偏差在5%以内） 。 燃烧系统是滴管炉实验设备的主要部分，它采用电加热，并分成三个加热段， 每一加热段都安装了热电偶，热电偶测得的温度在控制箱显示屏显示。实验中的加 热温度可以通过控制箱提前设定，达到预定温度就可进行，本论文中实验炉内温度 先加热到 1000，煤粉在炉体内的停留时间大约在 1.82.0s。同时，实验设备中添 加了一、二次风系统，这是为了模拟电厂的实际一二次风系统而添加的，一次风先 与给粉系统出来的煤粉混合，然后进入加热系统，二次风直接进入加热系统助燃， 一般取值定在 1.2。 采样系统由水冷管、滤室等组成。水冷管通过炉体下部进入炉内，接受燃烧后 的灰样，为采集提供通道，由于炉内温度较高，为保护水冷管，对水冷管进行了水 冷处理。虑室内装有滤筒，用来收集灰样，同时烟气经过滤室过滤后进入烟气分析 仪，完成烟气成分分析。 除去上述三个主要工作系统外，还有一个很重要的辅助设备，它由一、二次风 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 系统、水冷系统组成。预热系统主要负责对一、二次风加热，两者出口温度一般规 定达到在 300左右。给风系统是将供气设备连接到控制箱，通过控制箱实现对供气 比例和流量的调节。同时为了保护高温受热部件免于烧坏，实验设备中安装了水冷 系统。 2.3 热重实验结果及着火稳燃特性分析热重实验结果及着火稳燃特性分析 2.3.1 热重实验结果热重实验结果及分析及分析 图 3.2 tg-dtg 热重曲线图 根据热重实验我们可以获得热重分布曲线图（图 3.2） ，主要是 tg 和 dtg 曲线 26，通过对 tg-dtg 曲线可以获得各煤种的着火温度 ti，通过 dtg 曲线可以获得 最大失重速率（dw/dt）max及最大失重速率对应的温度 tmax。下面是通过实验获得的 各单煤及混煤的 tg 和 dtg 曲线（图 3.33.7） ： 0100200300400500600700 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tg/% temperature/ 1 a煤 2 b煤 3 c煤 4 d煤 tg1 tg2 tg3 tg4 0100200300400500600700800 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 dtg/%/min temperature/ 1 a煤 2 b煤 3 c煤 4 d煤 dtg1 dtg2 dtg3 dtg4 图 3.3 4 种单煤热重曲线 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 0100200300400500600700800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tg/% temperature/ 1 a：c=1：4 2 a：c=2：3 3 a：c=1：1 4 a：c=3：2 tg1 tg2 tg3 tg4 0100200300400500600700 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 dtg/%/min temperature/ 1 a：c=1：4 2 a：c=2：3 3 a：c=1：1 4 a：c=3：2 dtg1 dtg2 dtg3 dtg4 图 3.4 a 煤和 c 煤混煤热重曲线 0100200300400500600700800 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tg/% temperature/ 1 a:d1：4 2 a:d2：3 3 a:d1：1 4 a:d3：2 tg1 tg2 tg3 tg4 0100200300400500600700800 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 dtg/%/min temperature/ 1 a:d1：4 2 a:d2：3 3 a:d1：1 4 a:d3：2 dtg1 dtg2 dtg3 dtg4 图 3.5 a 煤和 d 煤混煤热重曲线 100200300400500600700 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tg/% temperature/ 1 b:c1：4 2 b:c2：3 3 b:c1：1 4 b:c3：2 tg1 tg2 tg3 tg4 100200300400500600700 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 dtg/%/min temperature/ 1 b:c1：4 2 b:c2：3 3 b:c1：1 4 b:c3：2 dtg1 dtg2 dtg3 dtg4 图 3.6 b 煤和 c 煤混煤热重曲线 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 100200300400500600700 20 30 40 50 60 70 80 90 100 tg/% temperature/ 1 b:d1：4 2 b:d2：3 3 b:d1：1 4 b:d3：2 tg1 tg2 tg3 tg4 100200300400500600700 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 dtg/%/min temperature/ 1 b:d1：4 2 b:d2：3 3 b:d1：1 4 b:d3：2 dtg1 dtg2 dtg3 dtg4 图 3.7 b 煤和 d 煤混煤热重曲线 从单煤 tg 曲线的分析可以看出，单煤的着火 a 和 b 靠前一些，c 和 d 煤靠后 一些。单煤 dtg 曲线中，a 和 b 煤的最大失重速率在 450附近，而 c 和 d 煤的最 大失重速率在 500附近，单煤的两个曲线分析结果说明 a 和 b 煤着火靠前且燃烧 完全容易，而 c、d 煤着火靠后，比 a、b 煤难燃一些。 混煤中，a 和 c 混煤的 tg 曲线都比较靠近，说明两者都是易燃烧煤，燃烧中 没有出现“抢风”现象。在 c 和 d 煤中掺混 a 或 b 煤，混煤的着火提前，a 和 b 煤的比例越高越明显，说明掺混 a 和 b 煤对混煤的着火有利。从 dtg 曲线可以看 出：两个褐煤在 450、两个烟煤在 500分别附近出现峰值，而混煤的峰值基本都 向 450附近靠拢，但是个别混煤的峰值变化并没有明显左移，说明混煤的燃烧特性 有时候会有自己的变化趋势，而不是单煤特性的加权平均。但总的曲线变化趋势还 是说明了掺混 a 煤和 b 煤混煤燃烧变集中，燃尽温度降低，掺混 a 和 b 煤对混煤的 着火和燃烧是有利的。 2.3.2 着火特性的热重分析着火特性的热重分析 前面根据热重曲线结果进行了简单的分析，下面对燃煤的着火特性进行分析。 着火温度 ti是目前判别煤粉着火特性的主要指标，一般来讲，煤粉的着火温度越低， 煤越容易着火和燃烧，也容易燃烧完全，燃尽性高，实际运行中燃尽率就比较高。 目前确定着火温度的方法并不唯一，但广泛用 tg-dtg 法来确定煤的着火温度 ti，此方法简单易行，并且置信度较高。具体确定方法是：选择前面热重实验获得的 任意一个 tg-dtg 曲线图，首先在 dtg 曲线上过点 a（最大失重速率点）由下向上 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 作一条垂线，交 tg 曲线于 b 点，过 b 点作 tg 曲线的切线，然后过失重开始时的 点画一条水平线，该水平线与过 b 点切线的相交于点 c，再过 c 点向下做垂线交横 坐标与一点，此点对应的温度就是着火温度 ti（如图 3.2 所示） 。 根据上述方法和前面20个煤种的失重曲线图就可以获得四个单煤和16个混煤 （表 3.23.5）的着火温度 ti，表 3.1、图 3.8 是各单煤的着火温度数值和对应图形，同时为 了全面分析各不同单煤掺混对混煤着火及燃烧的影响，绘制出了混煤着火温度随着单 煤配比改变的变化曲线图（图 3.93.12） ： 370 375 380 385 390 395 400 405 410 415 420 着 火 温 度/ a b cd 图 3.8 单煤着火温度对比图 1：42：31：13：2 380 382 384 386 388 390 392 394 396 398 400 着 火 温 度/ a : c 图 3.9 a 和 c 混煤着火温度曲线 表 3.1 单煤着火温度 煤种 着火温度/ a 388 b 397 c 410 d 411 表 3.2 a、c 混煤着火温度 掺混比例 着火温度/ a : c 1:4 396 2:3 391 1:1 389 3:2 388 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1：42：31：13：2 386 388 390 392 394 396 398 400 402 404 406 着 火 温 度/ a : d 图 3.10 a 和 d 混煤着火温度曲线 1：42：31：13：2 394 396 398 400 402 404 406 408 着 火 温 度/ b : c 图 3.11 b 和 c 混煤着火温度曲线 1：42：31：13：2 400 402 404 406 408 410 着 火 温 度/ b : d 图 3.12 b 和 d 混煤着火温度曲线 从着火温度来看，四种单煤中，a 煤着火温度最低，最易