電廠煤質(zhì)特性及其對(duì)制粉設(shè)備的影響

國(guó)電電力朝陽(yáng)熱電有限公司 黃繼文 李 悅

1 煤的元素組成

煤的成分較為復(fù)雜，是多種有機(jī)物和無機(jī)物的混合物。煤的主要成分由碳、氫、氧、硫、氮以及水分和灰分組成。

碳（C）。碳是煤中主要也是最多的可燃物質(zhì)，約占煤燃燒成分的50%～90%，1kg的碳完全燃燒可以釋放出3.29×104kJ的熱量，煤中的碳并不是單獨(dú)存在，有一部分和氫、氧、硫組成復(fù)雜的有機(jī)化合物，這些有機(jī)化合物在煤受高溫加熱后析出，成為揮發(fā)分，剩下部分碳叫固定碳。因固定碳的燃燒溫度極高，固定碳含量越高的煤越不易燃燒。

氫（H）。氫是煤中的有利元素，1kg氫完全燃燒釋放的熱量是碳的4.2倍，煤中的氫一部分是不能燃燒的氧化氫，可燃的氫是與碳組成的有機(jī)物，含量約為3%～6%。

氧（O）和氮（N）。氧和氮是煤中的不可燃成分，氧在煤中的含量較高，一般成煤時(shí)間越近，氧在煤中的含量越高，但游離氧有助于燃燒。氮的含量一般不高，但其燃燒產(chǎn)物氧化氮（NOx）是一種污染大氣的有害氣體。

硫（S）?？扇紵牧蚍Q為可燃硫，但在煤中的含量較低，約為1%～2%，發(fā)熱量也低，約為碳的3.5/1，不可燃燒的硫并入灰分中。燃燒后的硫形成SO2和SO3，其中SO3與煙氣中的水蒸氣混合成為硫酸蒸汽，腐蝕鍋爐低溫受熱面，而且SO2和SO3也會(huì)污染大氣，如某燃煤電廠煤含硫量0.7%，煤耗量5000t/日，每天約產(chǎn)生70t的SO2，并且煤中硫含量越高，煤的硬度越高，磨煤機(jī)研磨時(shí)會(huì)增加磨煤機(jī)金屬件磨損速度。近年來，隨著國(guó)家節(jié)能減排要求日趨嚴(yán)格，各火力發(fā)電廠均增加了脫硫設(shè)備。

灰分。煤完全燃燒后不可燃雜質(zhì)形成的固態(tài)殘余物，是煤中的有害物質(zhì)?；曳謺?huì)影響可燃物完全燃燒，并使鍋爐受熱面腐蝕、積灰、結(jié)渣和磨損，而且灰分會(huì)污染環(huán)境。

水分。煤中的水分分為內(nèi)部水分和外部水分。外部水分會(huì)在煤存放過程中自然干燥。而煤中的其他水分統(tǒng)稱為內(nèi)部水分，無論內(nèi)部水分和外部水分，在煤燃燒過程中都會(huì)吸收熱量變成水蒸氣，使煤的燃燒溫度降低，影響煤的發(fā)熱量。水分會(huì)造成輸煤管路堵塞，同時(shí)因水分使煤硬度增加，會(huì)增加制粉設(shè)備的磨損。

而且氧、氮、硫、水分和灰分的存在會(huì)使煤中的可燃成分減少，氮、硫、灰分在燃燒后還會(huì)污染環(huán)境，因此氧、氮、硫、水分和灰分都是煤中的不利成分。

2 煤的工業(yè)分析及影響

煤的工業(yè)分析就是為了了解煤的燃燒特性，在特定條件下將煤干燥、加熱、燃燒，來測(cè)定煤中的水分、灰分、固定碳和揮發(fā)分的含量。因?yàn)槊簳?huì)隨著儲(chǔ)存環(huán)境、運(yùn)輸過程及氣候變化而發(fā)生變化。如同一種煤在干燥的環(huán)境中儲(chǔ)存水分相對(duì)較少，在露天儲(chǔ)存且下雨時(shí)水分就會(huì)增加，水分、灰分和其他成分的含量都是變化的，所以要準(zhǔn)確判斷出煤的性質(zhì)，不僅要了解其成分，還要知道分析煤時(shí)煤所處的狀態(tài)。煤的工業(yè)分析常用的基準(zhǔn)有：收到基（ar）、空氣干燥基（ad）、干燥基（d）、干燥無灰基（daf）。

用煤的各個(gè)基準(zhǔn)表達(dá)煤的成分關(guān)系如圖1所示[1]。

圖1 煤的組成及相關(guān)成分關(guān)系

2.1 灰分

根據(jù)煤的工業(yè)分析可以看出，灰分的存在會(huì)使煤中可燃物質(zhì)含量減少，降低發(fā)熱量，灰分是由煤中的礦物雜質(zhì)完全燃燒后形成的，在形成的過程中會(huì)吸收熱量，妨礙可燃物與氧氣的接觸，增加機(jī)械不完全燃燒熱損耗，并增加制粉設(shè)備金屬元件的磨損?；曳侄啵矔?huì)增加制粉設(shè)備的電耗，在金屬元件磨損嚴(yán)重后，制粉設(shè)備和輸煤管路也相應(yīng)磨損變薄，導(dǎo)致系統(tǒng)漏風(fēng)以及煤粉爆燃。同時(shí)，灰分也會(huì)造成環(huán)境污染，并且對(duì)鍋爐其他設(shè)備也有一定程度的影響。

2.2 水分

與灰分相同，水分也會(huì)使煤中可燃物質(zhì)含量減少，降低發(fā)熱量。當(dāng)煤的水分含量越高，越不容易被破碎，在磨煤機(jī)中研磨時(shí)只是改變了煤的形狀，煤并沒有被粉碎，增加磨煤機(jī)的研磨時(shí)間，降低制粉效率，也使磨煤機(jī)出力下降。要保證磨煤機(jī)出力不變，則需要增加磨煤機(jī)的能耗。

磨煤機(jī)和制粉系統(tǒng)的能耗增加，那么金屬元件磨損也相應(yīng)增加。煤中水分過多，煤的流動(dòng)性變差，煤變得更粘，容易吸附粘在落煤管、煤倉(cāng)、給煤機(jī)皮帶及管道中。但煤粉的水分少，長(zhǎng)期堆積的煤粉會(huì)發(fā)生自燃事故，所以煤粉中的水分要根據(jù)實(shí)際情況具體考量。

煤中的水分受儲(chǔ)存、運(yùn)輸時(shí)的環(huán)境影響，在潮濕的雨季會(huì)使煤中的水分含量變大，為制粉設(shè)備安全運(yùn)行埋下隱患。電廠煤炭化驗(yàn)人員必須定期對(duì)入爐煤進(jìn)行采樣化驗(yàn)。同時(shí)，運(yùn)輸人員也要根據(jù)煤中水分含量的變化及時(shí)調(diào)整制粉系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 揮發(fā)分

揮發(fā)分主要是指煤中的氫、氧、氮，揮發(fā)分與電廠制粉系統(tǒng)和鍋爐安全運(yùn)行，以及穩(wěn)定燃燒有著密切關(guān)系。煤的揮發(fā)分與煤中含氧量成正比，與碳?xì)浠衔锖砍煞幢龋該]發(fā)分高的煤，發(fā)熱量和揮發(fā)分的溢出溫度都低。揮發(fā)分影響著煤的儲(chǔ)存和制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行，煤粉的自燃溫度和揮發(fā)分成反比。

揮發(fā)分越高的煤越容易自燃，Vdaf為15%～30%的煤，引燃溫度約在200～270℃，而Vdaf為40%的煙煤，引燃溫度約為210℃。當(dāng)制粉系統(tǒng)中煤粉局部堆積，會(huì)使煤粉溫度持續(xù)上升，甚至自燃。煤粉自燃后會(huì)導(dǎo)致壓力升高，最終損壞制粉系統(tǒng)，甚至煤粉和空氣混合物還會(huì)引起爆炸。并且揮發(fā)分是制粉系統(tǒng)及磨煤機(jī)選型的重要指標(biāo)，如磨制高揮發(fā)分、低水分、磨損性不強(qiáng)的煤，宜選用中速磨煤機(jī)直吹式系統(tǒng)；而磨制高揮發(fā)分、強(qiáng)磨損性的煤時(shí)，宜采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)直吹式系統(tǒng)。

2.4 雜質(zhì)

原煤在開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中，經(jīng)?；烊敫鞣N各樣的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)包括鐵絲、破布、木頭、樹葉、膠皮、鐵塊等，若鐵絲、鐵塊等不易碎的金屬物進(jìn)入制粉系統(tǒng)，會(huì)加快設(shè)備磨損或使其損壞；破布、鐵絲等絲狀物進(jìn)入給煤機(jī)內(nèi)會(huì)纏繞在給煤機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，導(dǎo)致給煤機(jī)跳閘斷煤；木頭、樹干、稻草等不易碎的纖維物進(jìn)入給煤機(jī)后，會(huì)導(dǎo)致輸煤管路、鎖氣器和回粉管堵塞，并且堵塞旋風(fēng)分離器旋風(fēng)筒，會(huì)導(dǎo)致爐壓和主汽溫度快速上升；雜草、樹葉會(huì)在制粉系統(tǒng)自燃，導(dǎo)致制粉系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生爆炸事故。所以，煤在入爐前要將各種雜質(zhì)去除，輸煤皮帶要安裝除鐵器，并防止易燃易爆物品進(jìn)入。

2.5 發(fā)熱量對(duì)制粉設(shè)備的影響

單位質(zhì)量的煤完全燃燒所釋放出的熱量就是煤的發(fā)熱量?；曳?、水分含量越高，煤的發(fā)熱量越低，為了保持鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，當(dāng)煤的發(fā)熱量降低時(shí)，需要燃燒更多的煤，制粉系統(tǒng)負(fù)荷增加，能耗增加，金屬件加劇磨損，制粉系統(tǒng)安全性降低，若煤的發(fā)熱量過低，制粉系統(tǒng)出力嚴(yán)重不足，鍋爐只能甩負(fù)荷，因此必須確保來煤的發(fā)熱量不低于規(guī)定值。

3 煤的主要特性及影響

要了解煤對(duì)制粉系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，僅通過對(duì)煤的元素分析和工業(yè)分析是不夠的，還要了解煤的一些特性，如煤粉的細(xì)度、煤的可磨性、煤的磨損指數(shù)以及煤的自燃性等。

3.1 煤粉的一般性質(zhì)

煤粉細(xì)度是煤的一種重要特性，也就是煤被磨煤機(jī)研磨成的煤粉的大小。煤粉細(xì)度一般是用固定篩孔尺寸的篩子將一定數(shù)量煤篩分、稱重，在篩子上剩下的煤粉量占煤粉總量的百分比稱為煤粉細(xì)度RX，公式為：

公式（1）中：a是剩余在篩子上的煤粉量；b是穿過篩網(wǎng)的煤粉質(zhì)量。

我國(guó)煤粉細(xì)度常用90um的篩子進(jìn)行篩分，即R90表示煤粉細(xì)度。

煤粉磨得細(xì)，燃燒面積大，容易燃燒，但煤粉磨得太細(xì)會(huì)增加磨煤機(jī)損耗，煤粉磨得粗，不易燃燒，增加不完全燃燒的熱損失。所以，煤粉入爐前應(yīng)有一個(gè)合適的粗細(xì)度，合適的粗細(xì)程度成為最佳煤粉細(xì)度。煤粉的最佳細(xì)度要考慮排煙熱損失、機(jī)械不完全燃燒熱損失、制粉系統(tǒng)電耗及制粉系統(tǒng)金屬損耗，當(dāng)這四者之和為最小值時(shí)，就是煤粉最佳細(xì)度，也成為煤粉經(jīng)濟(jì)細(xì)度。根據(jù)不同煤種，R90細(xì)度可按表1推薦選擇[2]。

表1 煤種的煤粉細(xì)度

煤粉顆粒。磨煤機(jī)研磨后的煤粉是由大小不一，形狀各異的顆?；旌隙伞Ｖ睆酱蠖嘣?0～50um，煤粉過細(xì)會(huì)增加制粉系統(tǒng)損耗，而較大煤粉顆粒（直徑大于300um）占入爐煤煤粉總量較高時(shí)，爐膛燃燒容易結(jié)渣，增加完全燃燒熱損失。所以，在電廠實(shí)際應(yīng)用中，通常用煤粉分離器將合格的煤過濾，使顆粒粗細(xì)合適的煤通過，不合適的將送回磨煤機(jī)重新研磨，這樣可以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

煤粉的粒徑分布可用如下公式表示：

公式（2）中：RX是煤粉細(xì)度；b是煤粉顆粒粗細(xì)系數(shù)；n是煤粉顆粒均勻性指數(shù)。

由上述公式可以看出，根據(jù)兩種不同篩子的試驗(yàn)結(jié)果，可求得上式中的b和n，并計(jì)算出任意篩網(wǎng)上的篩除剩余量，得出煤粉顆粒特性曲線。

公式（3）可以看出：n是正值。當(dāng)R90為常數(shù)時(shí)，n越小則R200越大，即過粗的煤粉比較多。同理可以看出，當(dāng)R200為常數(shù)時(shí)，n越小則R90越小，即過細(xì)的煤粉比較少。由此可以得出n代表煤粉顆粒均勻性指數(shù)。

公式（4）可以看出：若n為常數(shù)，b越小，某一篩子上剩余量RX就越大，即煤粉比較粗，反之較細(xì)。所以b反映了煤粉顆粒粗細(xì)系數(shù)。

3.2 煤粉的自燃性和爆炸性

長(zhǎng)期積存的煤粉會(huì)因?yàn)檠趸饔枚尫艧崃?，溫度升高，而溫度升高又?huì)使煤粉繼續(xù)氧化，形成一個(gè)溫升循環(huán)鏈。若通風(fēng)較差，熱量散發(fā)不出去，煤持續(xù)氧化、溫度持續(xù)增高，最終使煤的溫度達(dá)到燃燒點(diǎn)，形成自燃。在制粉系統(tǒng)中，若有煤粉達(dá)到自燃溫度或有外部火源，會(huì)使煤粉與氣體的混合物迅速被點(diǎn)著，擴(kuò)大燃燒范圍，且壓力上升，最終形成煤粉爆炸。

煤粉的爆炸性與很多因素有關(guān)，煤粉的揮發(fā)分越大，煤粉越細(xì)，氣粉混合物的溫度越高，越有爆炸的可能性；煤粉濃度只在適合的范圍（1.2～2.0kg/m3）內(nèi)爆炸可能性較大，空氣中含氧量在21%（體積）是煤粉爆炸的最佳范圍；而煤粉的水分和灰分會(huì)降低煤粉的爆炸可能性。

3.3 煤的可磨性

煤在一定外力作用下容易被粉碎。在自然干燥后，將相同質(zhì)量的試驗(yàn)煤和標(biāo)準(zhǔn)煤，由相同的顆粒磨至相同的煤粉細(xì)度所消耗的能量比，就是煤的可磨性系數(shù)。

煤的可磨性系數(shù)代表了煤是否容易被粉碎，可磨性系數(shù)越大的煤越容易被粉碎。其主要在設(shè)計(jì)制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)時(shí)使用。

3.4 煤的磨損指數(shù)

在一定條件下，磨制1kg的煤對(duì)磨煤機(jī)金屬元件的磨損程度用Ke表示，當(dāng)磨損指數(shù)Ke越大，說明對(duì)磨煤機(jī)的磨損越大，縮短了磨煤機(jī)的檢修周期。在tmin時(shí)間內(nèi)，某種煤對(duì)金屬元件的磨損為a（mg），那么該煤的磨損指數(shù)Ke可以用下列公式表示：

公式（6）中：x為試驗(yàn)煤每分鐘對(duì)磨煤機(jī)金屬元件的磨損量；10是指同等條件下標(biāo)準(zhǔn)煤每分鐘對(duì)磨煤機(jī)金屬元件的磨損量；標(biāo)準(zhǔn)煤是指每分鐘能使金屬元件磨損10mg的煤。

磨損指數(shù)Ke小于2.0是輕微磨損性，Ke在2.0～3.5是較強(qiáng)磨損性，Ke在3.6～5.0是強(qiáng)磨損性，Ke大于5.0是極強(qiáng)磨損性。煤的磨損指數(shù)與磨煤機(jī)碾磨件壽命有直接關(guān)系，兩者呈反比曲線關(guān)系。

綜上，煤的元素分析、煤中的水分、揮發(fā)分、灰分、發(fā)熱量、磨損性以及煤粉的顆粒、自燃性等對(duì)電廠制粉系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行均有較大影響，而且這些影響都是相互關(guān)聯(lián)的，并且煤的這些性質(zhì)是磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)選型的重要指標(biāo)，所以煤質(zhì)的研究對(duì)火力發(fā)電廠來說是非常重要的環(huán)節(jié)。