動力煤煤質(zhì)對鍋爐內(nèi)換熱量影響的大數(shù)據(jù)分析

姚鋒剛

（西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710089）

由于我國動力煤的分布范圍十分廣泛，存在較大的成本差異，電廠在運進煤的時候，根本無法確保入爐的煤質(zhì)是否良好、穩(wěn)定、一致。而煤質(zhì)的波動會直接導致超臨界鍋爐運行性能有所降低，而鍋爐汽水系統(tǒng)受熱面?zhèn)鳠嵝院统R界鍋爐中間點溫度極易受燃料特性影響。另外，入爐時，一旦煤特性發(fā)生突出性波動，就會直接造成爐膛內(nèi)部過熱器的下部煙氣溫度相應發(fā)生變化，使得輻射傳熱量與對流傳熱量偏離設計值，最終導致汽水系統(tǒng)工質(zhì)溫度發(fā)生顯著波動，處于相同負荷狀態(tài)的時候，水煤比的變化趨勢和范圍逐漸擴大，進而造成自控系統(tǒng)既有參數(shù)難以與機組新型運行特性之間相互適應[1]。因此對動力煤煤質(zhì)在鍋爐內(nèi)換熱量的影響進行大數(shù)據(jù)分析勢在必行。

1 煤炭燃燒過程

在煤進入爐膛直到完成燃燒，主要會經(jīng)歷四大階段，其一，水分蒸發(fā)，在溫度上升到105 ℃的時候，水分會被全部蒸發(fā)掉；其二，揮發(fā)分著火，煤不斷地吸收熱量，溫度則持續(xù)升高，此時揮發(fā)分會隨之析出，在溫度上升到著火點的時候，揮發(fā)分就會開始燃燒，此時揮發(fā)分的燃燒速度加快，一般只會占用煤燃燒整個過程時間的大約十分之一；其三，焦炭燃燒，煤的揮發(fā)分著火并燃燒之后，剩余炭灰構(gòu)成固體物就是所謂的焦炭，焦炭的溫度上升比較快，固體碳劇烈燃燒，釋放大量熱量，煤燃燒的速度與燃盡的程度，在很大程度上受此環(huán)節(jié)影響；其四，燃燼階段，此階段會導致灰渣的焦炭全部燒完，從而促使不完全燃燒的熱損失大大降低，使得效率得到顯著提升。

良好燃燒需要具備三大重要前提，首先，溫度，溫度高，化學反應的速度也就快，燃燒就更加徹底；其次，空氣，空氣對碳的表面快速沖刷，碳與氧之間的接觸就會更好，燃燒速度就會加快；再次，時間，確保煤在爐膛中的燃燒時間充足。

煤炭在燃燒的時候，周圍會裹上灰殼，炭燃燒形成CO 與CO2，其經(jīng)常會穿過灰殼然后想周圍擴散，其中，CO 在與氧氣相遇之后，開始繼續(xù)燃燒，生成CO2。即在炭粒燃燒的時候，灰殼的外部包圍著CO與CO2兩層氣體，空氣中包含的氧需要穿透外殼，才能夠和炭之間相互接觸。所以，適當增加送風量，加快空氣沖刷炭粒的速度，便很容易將外包層中的氣體直接帶走，而且增強機械化波動，便能夠?qū)⒒覛て茐牡簦沟醚鯕夂吞恐g直接相接觸，從而加快燃燒速度[2]。

2 煙氣參數(shù)影響因素

2.1 煤質(zhì)成分對煙氣參數(shù)的影響

就理論角度來說，對爐內(nèi)放熱量造成影響的關(guān)鍵性因素主要有三種，即煤燃燒時絕熱燃燒溫度（ta）、煙氣熱容量（Vc）、爐膛出口煙溫（tout）。因為煤發(fā)熱量和絕熱燃燒溫度之間的關(guān)系是正相關(guān)，而且熱值大的煤炭中所含有碳元素比較多，在1 kg燃料燃燒時，所需空氣氧量會隨之明顯增加，這樣一來，燃料燃燒的放熱量也會隨著明顯增大[3]。

tao（理論絕熱，燃燒溫度）與煤低位發(fā)熱量（Qarnet）的變化關(guān)系如圖1 所示，通過未計入熱空氣焓等熱源帶入爐內(nèi)熱量，詳細分析煤質(zhì)特性對燃燒溫度與煙氣熱容量的影響。在不同的煤質(zhì)狀態(tài)下，水分與氫氣的含量變化都非常大，因此對煙氣體積、熱容量的影響十分突出[4]。其中，φ（H2O）、φ（N2）、φ（RO2）與Qar，net之間的關(guān)系具體如圖2 所示，三者分別表示煙氣中所包含的水蒸氣、氮氣、三原子氣體的體積。

圖1 tao隨Qar.net變化

從圖2 中可以看出，煤的低位發(fā)熱量不同，此時1 kg煤炭燃燒后產(chǎn)生的煙氣中包含的水蒸氣體積差異則會非常顯著，水蒸氣容積也會逐漸增大，但是在溫度相同時，煙氣焓值越大，理論絕熱燃燒溫度則會偏低。一般來說，煤發(fā)熱量越低，那么理論絕熱燃燒溫度也就會越低。

2.2 熱空氣焓對煙氣參數(shù)影響

通過理論分析可以看出，促使空氣焓的提升，可以使得絕熱燃燒溫度上升。在實際狀況下，帶進爐內(nèi)部的空氣溫度tk即使會達到300～400 ℃，溫度水平也會明顯比爐膛內(nèi)部煙氣均溫要低，因此熱空氣進入爐膛吸收高溫煙氣熱量，從而促使爐膛內(nèi)部的煙氣溫度快速降低。其中不同的α值下，ta（煤燃燒時絕熱燃燒溫度）會隨著Qar.net發(fā)生相應的變化，具體如圖3所示。在過量空氣系數(shù)為1.2的時候，和1.1的狀態(tài)相比較，絕熱燃燒溫度ta大約會降低78.6 ℃。由圖3 可知，過量空氣系數(shù)對于絕熱燃燒溫度的影響比較顯著[5]。

圖2 φ（H2O）、φ（N2）、φ（RO2）隨Qar.net變化

圖3 不同α值狀態(tài)下ta隨Qar.net變化

2.3 煤質(zhì)特性對煙氣熱容量影響

由于煤質(zhì)差異，所含元素也大不相同，因此，相同1 kg 煤燃燒所需空氣量也存在較大不同[6]。其中，Vyo代表理論煙氣量，m3/kg；Vko代表理論空氣量，m3/kg；Vyo、Vko與Qar，net的關(guān)系具體如圖4所示。

圖4 Vyo、Vko隨Qar，net變化

從圖4 中可以看出，氧含量與煤燃燒理論空氣量和煙氣量密切相關(guān)。煤氧含量越高，燃燒所需空氣量則越少，生成的煙氣含量也會隨之縮減，煙氣熱容量則會顯著降低。

煙氣的熱容量VC與Qar.net之間的關(guān)系具體如圖5所示。

從圖5 中可以看出，煙氣熱容量與煤的低位發(fā)熱量之間呈現(xiàn)的是線性正相關(guān)關(guān)系。這是由于理論煙氣體積隨著發(fā)熱量變化趨向于線性關(guān)系，而不同的爐膛出口煙氣溫度的平均比熱容之間存在的差異并不明顯，幾乎可以認為只隨著低位發(fā)熱量與過量空氣系數(shù)發(fā)生變化。

圖5 VC隨Qar.net變化

2.4 熱空氣溫度的絕熱燃燒溫度影響

大容量的煤粉鍋爐在運行過程中，熱空氣溫度trk在340～380 ℃。熱空氣溫度不同時，Qar，net會隨之發(fā)生相應變化，具體如圖6所示。

圖6 trk不同時隨Qar，net變化

從圖6可知，過量空氣系數(shù)在既定狀況下，相同條件的煤在360 ℃熱空氣中實現(xiàn)燃燒狀態(tài)，從而達到絕熱燃燒溫度，其熱空氣大約降低13 ℃。所以說，熱空氣溫度對絕熱燃燒溫度的影響并不顯著。

2.5 爐膛出口煙溫

爐膛出口的煙氣溫度在爐內(nèi)煙氣放熱量計算中發(fā)揮著重要作用。為了確保對流受熱面?zhèn)鳠岬臏夭?，超臨界鍋爐在處于BMCR 之下的時候，爐膛出口的煙氣溫度設定為大約1 360 ℃。在鍋爐設計中，爐膛出口煙氣溫度取值主要受煤灰軟件溫度影響，而且水媒體會在煤質(zhì)波動的影響下進行特性調(diào)整。爐膛出口煙氣溫度直接受煤質(zhì)燃燒特性影響，不同類型煤的燃燒火焰和煙氣輻射強度等彼此間也存在顯著性差異，再加上在實際運行時，氧量與火焰中心位置等調(diào)整性措施的落實，都會引發(fā)爐膛出口煙氣溫度變化[7]。

3 煤質(zhì)對鍋爐與輔助設備運行的影響

（1）在煤質(zhì)比較劣質(zhì)的時候，鍋爐點火與運行調(diào)節(jié)的難度都比較大，無法及時燃燒，很容易滅火，從而對鍋爐的出口溫度達到相關(guān)標準造成直接性影響。

（2）爐膛內(nèi)部很容易結(jié)焦，造成流管束、省煤器、空氣預熱器等相關(guān)受熱面位置出現(xiàn)嚴重磨損狀況，而且極易積灰，鍋爐的送風阻力明顯增大，進而直接影響鍋爐的熱效率。

（3）煤塊比較大的時候，很容易卡住分層給煤器與爐排，對煤炭燃燒的穩(wěn)定性與鍋爐運行的穩(wěn)定性安全性造成直接性影響。

（4）煤質(zhì)較差的時候，鍋爐的耗煤量會明顯增加，爐渣的含碳量也會隨之增大，輸煤與除渣系統(tǒng)的運行負荷則會顯著增大，輸煤機、除渣機等相關(guān)設備則會極易出現(xiàn)故障，煤炭的拉運與爐渣拉運的成本就會隨之明顯增加。

（5）灰分比較大的煤燃燒之后，既會對除塵器的除塵效果造成嚴重影響，還會直接增加除灰系統(tǒng)與排灰系統(tǒng)的運行負載，進而導致引發(fā)運行故障，直接威脅工作環(huán)境與外部環(huán)保等等。

（6）煤質(zhì)含硫量過大的時候，極易造成水冷壁的高溫腐蝕，鍋爐的尾部煙道和空氣預熱器等位置很容易引發(fā)低溫腐蝕，導致鍋爐發(fā)生爆管現(xiàn)象，從而阻礙鍋爐運行的安全性與穩(wěn)定性[8]。

4 煤質(zhì)特性對鍋爐內(nèi)部放熱量的影響分析

4.1 Qf隨ta的分布規(guī)律

1 kg 燃料在爐內(nèi)的輻射放熱量按照式（1）進行計算，其中Qf代表輻射放熱量；Q1代表總放熱量；I″e代表占比小的對流換熱量。

放熱量Qf與絕熱燃燒溫度ta呈冪函數(shù)關(guān)系，并且需進行燃燒時絕熱燃燒溫度ta與煙氣容量Ve計算，不利于煙氣參數(shù)分布規(guī)律對煙氣在爐內(nèi)放熱量中的影響進行定量分析，所以應選擇與煤質(zhì)特性相聯(lián)，并且精確度比較高，適用范圍十分廣泛的函數(shù)關(guān)系[9]。

4.2 Qf隨Qar.net的分布規(guī)律

絕熱燃燒溫度和隨著燃料帶進爐內(nèi)的有效熱量Q1之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，具體按照式（2）計算，其中VCa代表煙氣熱容量。

Q1和燃料低位發(fā)熱量Qar.net之間呈正相關(guān)關(guān)系，設定Qk為隨著燃料帶進爐內(nèi)的空氣熱量，按照式（3）計算：

過量的空氣系數(shù)與熱空氣溫度都會影響Qk。在鍋爐運行過程中，過量空氣系數(shù)主要保持在1.1～1.15。熱空氣溫度上升20 ℃，煤質(zhì)的Qk值大約會增加0.077～0.202 MJ/kg，相對于燃料發(fā)熱量的變化量小于1%。

為了便于進一步詳細分析，可以構(gòu)造四維函數(shù)，即令

式中：k為常數(shù)。按照傳統(tǒng)標準方式進行Qk值計算，再通過計算數(shù)據(jù)經(jīng)過擬合所得四維關(guān)系式（5）：

所以

令

通過計算獲得，其中式（8）的b值在0.117～0.169不斷變化，近均值為0.139，那么：

通過式（9）把燃料煙氣在爐內(nèi)的輻射放熱量和煙氣參數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成線性函數(shù)關(guān)系，能夠使得不同煤質(zhì)煙氣放熱量與煤質(zhì)特性之間的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)簡化，且相關(guān)性非常高。燃料發(fā)熱量與爐膛出口溫度、燃料基低位發(fā)熱量之間的關(guān)聯(lián)性，能夠擬合出高精確性的函數(shù)關(guān)系，以便于直接應用到實踐工程中去[10]。

在900～1 400 ℃選擇六個爐膛出口煙溫，對煤質(zhì)進行燃料爐內(nèi)輻射放熱量進行計算，即擬合三維關(guān)系式（10）：

系數(shù)擬合值具體如表1所示，通過計算，擬合函數(shù)的相關(guān)性為99.7%，說明數(shù)據(jù)誤差較小，所以實踐應用的可靠性與準確性非常高。

表1 擬合系數(shù)值

5 結(jié) 論

總之，通過構(gòu)建以煤低位發(fā)熱量與爐膛出口煙溫為基礎進行爐膛內(nèi)煙氣放熱量關(guān)系式，可以發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律的實用性價值比較突出。對輻射放熱量、爐膛出口煙溫、低位發(fā)熱量之間的影響規(guī)律關(guān)系式，此方式可以快速半定量內(nèi)輻射換熱量的變化規(guī)律，而且函數(shù)關(guān)系式非常簡捷，應用簡單，計算的精確度較高，在很大程度上為爐膛設計和運行提供了以熱平衡為出發(fā)點的半定量煤質(zhì)變化影響輻射換熱量的新型方式。此方式是以熱平衡原理與大數(shù)據(jù)分析為重要依據(jù)的，其可靠性相對較高。