第一章__电力用煤

第一章电力用煤 内容提要 介绍动力煤的形成 结构以及动力煤的特性与电力生产的关系 了解煤的工业分析和发热量的测定 目录 第一节火力发电厂的生产过程第二节动力燃料 第一节火力发电厂的生产过程 火力发电厂的基本任务是实现能量的转化 即把燃料的化学能转变为热能 机械能最后变为电能 电厂按其燃用的燃料不同 可分为燃煤 燃油和燃气电厂 按提供能量不同 可分为凝汽式电厂和热电厂 火电厂生产过程见 1 图1 4 2 CAI课件 3 火电厂生产过程Flash 电厂应用化学 PowerPlant flash PowerPlant flash 0 kraftwerksuebersicht swf4 火电厂生产过程录像5 火电厂简介 图1 4凝汽式燃煤电厂生产过程示意图 第四节动力燃料 火电厂是利用动力燃料燃烧所产生的热能来获取电能的 煤 石油 天然气等均可作为动力燃料 其中最重要的是动力煤 煤的成因 组成及分类 动力煤的特性与电力生产的关系 动力煤的采样与制样 煤的工业分析 煤发热量的测定 输煤系统 制粉系统 煤的成因 组成及分类 煤的成因煤是古代植物的残体经地壳变动被埋入地下 经过长期的细菌生物化学作用以及地热和压力下 经成岩 变质作用 使植物中的纤维素 木质素发生脱水 脱二氧化碳 脱甲烷等反应 而形成含碳成分逐渐增高的可燃性岩石 就是煤 该过程称为煤化作用 或成煤作用 煤的组成通过X射线 红外光谱和化学法对煤的结构研究表明 煤是一个以碳为骨架组成的多芳香环系统的高分子有机物 多芳香环是煤的基本结构单元 它有侧链 结构单元在空间是一个平面层 平面与平面之间有 O 键 CH2 键桥接成网状结构 结构单元芳香环的数目约为3 11个 随变质程度的加深而增加 煤中也含少量无机物 常以硫酸盐 碳酸盐 黄铁矿 硅酸盐等矿物质形式存在 煤的分类根据煤化程度的深浅 即含碳量的多少 成煤地质年代长短 可将煤大致分为泥炭 褐煤 烟煤和无烟煤四大类 我国电站煤粉锅炉煤质标准见表1 1 表1 1电站煤粉锅炉煤制标准 动力煤的特性与电力生产的关系 动力煤是指用于直接燃烧生产动力和热能的燃料煤 如发电 机车 锅炉等用煤 火电厂生产的电能直接来源于动力煤燃烧时所释放出的热能 动力煤的各种特性对电厂锅炉运行有着不同的影响 现将其与电力生产关系较为密切的特性指标作以介绍 发热量发热量是指单位质量的煤完全燃烧时所释放出的热量 符号为Q 单位为kJ g或MJ kg 灰分灰分是衡量煤质的重要指标之一 符号为A 煤中灰分含量越高 其可燃成分相对减少 发热量降低 燃烧温度下降 燃烧不稳定 不利于煤粉的着火与燃尽 使锅炉燃烧效率下降 当煤中折算灰分 15 时 就会影响锅炉运行的安全 灰分高而产生的大量烟尘和灰渣 将造成更大的环境污染 水分煤中全水分 Mt 可分为外在水分 Mf 和内在水分 Minh 两部分 煤中全水分是煤的重要指标 全水分含量大 将增加运输的能耗和费用 全水分含量是计算煤中有效发热量 收到基低位发热量 的一个重要参数 显然水分增加 将使有效发热量减少 外在水分受外界环境 温度 湿度 风 雨 及人工洗煤的影响 其含量波动性大 没有一个固定值 当炉前煤的外在水分 12 时 将影响电厂运行的可靠性 此外 如煤中含有适量水分对煤燃烧也有好处 可改善燃烧工况 挥发分与着火性挥发分对煤的着火和燃烧都有较大的影响 是电厂用煤的主要指标 一般挥发分高的煤 着火点低 易于着火 燃烧速度快而稳定 但火焰温度较低 相反 挥发分低的煤 不易点燃 燃烧速度慢而不稳定 不完全燃烧热损失增加 严重时甚至引起锅炉熄火 此外 挥发分也是对煤炭分类和加工利用的重要依据 煤粉细度和经济细度煤粉燃烧是火电厂最广泛采用的一种燃烧方式 煤预先在磨煤机中磨成煤粉 用空气把煤粉送进炉膛 在悬浮状态下着火燃烧 煤粉的颗粒大小对燃烧的经济性有着重要的影响 1 煤粉细度煤粉细度是表征煤粉中各种大小粒度煤的质量百分数 通常煤粉颗粒的大小在1 m到300 500 m之间 其中以20 50 m的颗粒最多 煤粉细度是监督制粉系统正常运行的重要指标 它可用筛分法确定 一般用具有标准筛孔尺寸 x m 的筛子来测定 式中a 筛子上剩余的煤粉质量 g b 通过筛子的煤粉质量 g Rx的数值称为该煤粉的细度 在筛子上剩余的煤粉越少 即Rx值越小 煤粉也就越细 衡量发电厂锅炉燃烧的煤粉细度 一般以R90的煤粉细度来表示 2 经济细度煤粉细度直接影响锅炉运行的经济性 例如 煤粉过粗 固体不完全燃烧热损失将增大 煤粉过细 则磨煤的电耗增大 磨粉设备的磨损折旧等运行消耗增多 煤粉的经济细度如图1 5所示 对于不同的煤种 煤粉的经济细度可按表1 2种的R90值推荐 图1 5煤粉的经济细度 表1 2不同煤种煤粉的经济细度 可磨性可磨性用以表征煤磨制成粉的难易程度 不同煤种磨到相同细度所消耗的能量是不一样的 可利用哈氏可磨性指数HGI来表示煤的这种性质 一般来说 煤越软 可磨性指数越大 即在同样条件下磨至一定细度时所消耗的能量越少 哈氏可磨性指数可应用于选择磨煤机的型号 计算运行时磨煤机的出力及电能消耗 煤灰熔融性煤灰是煤中可燃物质燃尽后的残留物 它由煤中多种矿物质转化而成 没有固定的熔点 熔融性就是表征煤灰在受热时转化为塑胶状态时 其粘塑性变化的一种性质 煤灰的熔融性是关系锅炉设计 安全经济运行等问题的重要特性 动力煤的采样与制样 在煤质分析前 正确的采样和制样是获得可靠分析结果的必要前提 采样采样是指在一批煤的不同部位采集若干份一定量的样品 它能代表该批煤的平均质量与特性 1 采样的精密度采样的代表性是以采样的精密度来衡量的 所谓采样的精密度 就是指采样所允许达到的偏差程度 国家标准GB475 83规定了各种煤的采样精密度 按灰分计算 见表1 3 表1 3采样精密度 2 子样数的确定按国家标准规定 以1000t煤作为一个采样化验单位 如一批煤量不足1000t时 应采的子样数可根据实际吨数 按表1 4中规定的数字按比例递减 但不得少于表中所规定子样数的1 3 表1 4子样数与灰分含量的关系 若煤量超过1000t时 则子样数按下式计算 式中 m 实际应采的子样数 n 表1 4中所规定的子样数 M 实际煤量 t 3 子样质量的确定一批煤中 大 小粒度的煤量是不同的 这种粒度组成的不同也会影响煤的不均匀度 表1 5子样质量与煤最大粒度的关系 4 采样点的分布 火车上采样 按国家标准规定 对原煤 筛选煤采样按图1 6 a 所示 对精煤 洗中煤及粒度 100mm的煤块 按图1 6 b 所示采样 图1 6火车上采样点的布置 5342311 a 三点采样 b 五点采样 船舱中采样 若进厂煤由轮船运进时 采样点按煤量多少均匀分布在船的首 中 尾各舱中 其采样原则与火车上采样相同 煤堆中采样 煤堆上的采样点可按规定的子样数 根据煤堆的外形 均匀布置在煤堆的顶 腰 底部 煤流中采样 电厂的炉前煤多在输煤皮带的煤流中采样 采样点多在皮带全长的中部或皮带终端的落煤流处 5 采样方法采样方法包括人工采样和机械采样两种 应指出 人工采样法劳动强度大 人为误差大 甚至使煤样失去代表性 因此 应加强采样人员培训 严格按规定进行采样 机械采样的效率高 采样均匀 精密度高 目前 我国火电厂使用的机械采样装置多用于炉前煤的采样 制样 缩制 制样是指将采集到的原始煤样经破碎 缩分 逐渐减少粒度和数量的过程 且制出的煤样应具有代表性 即制得煤样的质量能代表原始煤样的平均质量 1 制样的基本要求煤是一种矿物质含量较高且均匀性较差的固体燃料 煤的粒度越大 夹杂矿物质的可能性越大 其均匀性和代表性就越差 表1 6煤样粒度与样品最小质量的关系 2 制样的过程缩制煤样的全过程主要包括破碎 过筛 掺合和缩分四个步骤 破碎是减小粒度 改善煤的不均匀度的一项措施 煤样一般采用机械破碎 为使煤破碎到必要的粒度 需用不同筛孔的筛子过筛 为使缩分后的煤样不失去代表性 每次缩分前需将煤样加以掺合 使其粒度大小均匀化 缩分是使煤样量减少而又使其不失代表性的过程 常用的缩分方法有四分法 二分器法和机械法三种 缩分见图1 7 图1 7煤样的缩分 煤的工业分析 煤的工业分析组成包括水分 灰分 挥发分和固定碳四项 工业分析数据是锅炉运行人员调节燃烧工况 计算热效率和保证锅炉安全经济运行的重要依据 煤的基准煤由可燃和不可燃两种成分组成 动力煤通常有以下四种基准 1 收到基准 ar 含全水分的原煤 2 空气干燥基准 ad 除去外在水分的煤 3 干燥基准 d 除去全水分的煤 4 干燥无灰基准 daf 除去水分和灰分的煤 通常基准的 准 字可省略 四种基准工业分析结果的组成百分含量表示如下 收到基 1 25 空气干燥基 1 26 干燥基 1 27 干燥无灰基 1 28 煤的元素分析是指组成煤中有机质的碳 氢 氧 氮 硫五种元素的含量 煤中可燃成分用元素分析表示时 1 29 由式 1 26 和式 1 29 两式相减可得到煤的工业分析与元素分析的关系式为 1 30 式 1 30 表明 工业分析的可燃成分恰好等于元素分析碳 氢 氧 氮 硫五个元素含量的总和 基准的换算由于煤质分析所用的样品为空气干燥后的煤样 所以实验室的分析结果均以空气干燥基来表示 然而在不同方面应用时 常需要换算到另一种基准 不同基准的成分换算系数如表1 7所示 表1 7不同基煤的换算系数 煤的工业分析 1 煤中水分的测定动力煤水分的常规分析有收到基煤样的全水分和空气干燥基的内在水分两项 2 煤中灰分的测定煤中灰分指煤中所有可燃物完全燃烧 煤中矿物质在一定温度下 产生一系列分解 化合等复杂反应后剩下的残渣 煤的灰分来自煤中的矿物质 但它的组成和质量与煤中矿物质不完全相同 它是在一定试验条件下的产物 所以称为 灰分产率 更为贴切 一般简称为灰分 煤的灰分测定是将煤样在高温炉中灼烧 这时煤中矿物质发生了一系列变化 主要有以下几种 粘土 石膏等水合物失去结晶水 氧化亚铁和硫化铁发生氧化反应 碳酸盐受热分解放出二氧化碳气体 氯化物和碱金属氧化物的挥发作用 测定灰分有两种方法 缓慢灰化法和快速灰化法 以上两种方法对于灰分 15 的煤 可不进行检查性灼烧 灰分计算公式如下 式中Aad 空气干燥基煤样的灰分含量 G1 煤样灼烧后残渣的质量 g G 煤样质量 g 3 煤中挥发分的测定煤的挥发分是指煤样在900 10 隔绝空气的条件下 加热7min 煤中有机物热解出来的液体 呈蒸汽状态 和气体产物 挥发分不是煤中的固有物质 而是在特定温度下的热分解产物 所以称 挥发分产率 更为确切 但仍习惯称挥发分 按下式计算空气干燥基挥发分Vad 式中G1 空气干燥基煤样加热后的减量 g G 空气干燥基煤样质量 g Mad 空气干燥基煤样水分 4 煤中固定碳的计算测定挥发分后的残留物称为焦渣 从焦渣中减去灰分的含量即为固定碳的含量 计算公式为 煤发热量的测定 测定发热量的基本原理目前 国内外均采用氧氮式量热计来测定发热量 发热量测定的过程简述如下 将一定量的试样 约1g 置于氧弹内的燃烧皿中 为保证完全燃烧 在氧弹内充入2 6 3 0MPa的氧气 将氧弹浸入盛有一定量纯水的内筒中 见图1 8 内筒放在一个保持一定温度的外筒内 用电流熔断金属点火线将试样点燃 所放出的热量被内筒的水和量热体系中各部件吸收 根据温升值 即可求得发热量 图1 8氧弹式量热计示意图 式中Q 煤的发热量kJ g G 试样的质量 g E 量热计的热容量 俗称水当量 即为整个量热体系升高1 所需的热量 J t0 吸热介质在试样燃烧时的起始温度 tn 吸热介质吸收试样的燃烧热而升高后的最终温度 从上式可知 只要先测出E值 即可计算出煤的发热量 发热量的三种表示法 1 弹筒发热量 Qb 弹筒发热量是实验室内用 氧弹式量热计 测定的实测值 将约1g煤样置于氧弹中 在有充足氧的条件下燃烧 然后使燃烧产物冷却到煤样的原始温度 在此条件下单位质量的煤所放出的热量 即为弹筒发热量 2 高位发热量 Qgr 煤在燃烧炉的常压空气流中燃烧时 煤中硫生成二氧化碳 氮变为游离氮 若使燃烧产物冷却到煤的原始温度20 25 则水呈液态 这时所放出的热量成为高位发热量 3 低位发热量 Qnet 由高位发热量减去水的汽化热 即得到低位发热量 低位发热量是表示燃煤真正可利用的有效发热量 发热量的换算实验室测出为弹筒发热量 而生产实践中常用的是空气干燥基高位发热量和收到基低位发热量 1 由弹筒发热量换算成高位发热量 式中Qgr ad 空气干燥基高位发热量 J g Qb ad 空气干燥基弹筒发热量 J g Sb ad 由弹筒洗液测得的含硫量 硝酸的校正系数 2 由高位发热量换算成低位发热量 式中 Qnet ar 收到基低位发热量 J g Qgr ar 收到基高位发热量 J g Har 收到基含氢量 Mar 收到基含水量 收到基低位发热量与标准煤耗在