動力煤中水分和灰分對鍋爐運行經濟性影響比較

金志民，宋玉彩

（浙能富興燃料有限公司，杭州 310052）

隨著發電廠鍋爐的大型化，我國動力煤資源供應的現狀已很難保障鍋爐燃用單一礦區或單一煤種燃煤，因此，鍋爐燃用非設計煤種的情況普遍存在，這既給鍋爐運行帶來安全隱患，也影響了鍋爐運行的經濟性。在煤炭的工業分析指標中，對電站鍋爐運行經濟性影響最大的主要是水分、灰分及揮發分。根據對浙江省動力煤采購的煤種與煤質特點的比較，發現低位發熱量相同的不同煤種存在灰分和水分差異較大的情況，因此，研究和比較灰分、水分對鍋爐運行經濟性的影響具有現實意義。

1 典型動力煤煤質指標及其關系

表1列出了近年來浙江省采購量較大的15個典型動力煤煤樣的主要基本煤質指標統計數據。圖1和圖2分析了不同礦區不同煤種和同一礦區不同煤種的發熱量與全水分和灰分含量的關系。結果表明，對于不同礦區的不同煤種，不同煤質的煤樣呈現出如下規律：

（1）全水分增加1%對低位發熱量的影響要比灰分增加1%對發熱量的影響大。

（2）不同類型煤種發熱量下降的影響因素不同，對于高水分、低灰分的煤種來說，大量水分的存在是引起發熱量降低的主要因素，而對于高灰分煤種來說，大量的灰分則是發熱量下降的主要因素。圖2顯示，對于同一礦區煤種，發熱量與全水分和灰分的比例呈直線關系。

2 煤中水分和灰分對鍋爐運行經濟性的影響

2.1 煤中水分的影響

煤中水分的存在形式分為游離態和化合態兩種，游離水是煤表面附著的水和內部毛細管吸附的水；化合游離水是以化合方式同煤中礦物質結合的水，又稱結晶水。根據水分在煤中的不同存在形態，游離水分為外在水分和內在水分，而外在水分和內在水分之和稱為全水分。

表1 典型動力煤煤樣的主要基本煤質指標統計數據

水分是煤中不可燃成分，在燃燒過程中，水分被蒸發汽化，需要消耗熱能。一般狀態下，每蒸發1 kg水分，大約需要吸收0.251 9 MJ的熱量，水分含量越大，燃燒過程中產生的煙氣體積越大，由煙氣帶走的熱量也就越大，排煙損失和引風機電能消耗也相應加大，使鍋爐運行的經濟性下降。但煤種含有適量的水分，對燃燒能起催化作用。

2.2 煤中灰分的影響

在一定溫度下，煤中的可燃物完全燃盡，同時煤中的礦物質發生分解、化合等反應后的殘留物稱為灰分產率，簡稱灰分。在生產過程中，混入煤中的礦物質所形成的灰分，叫外在灰分；成煤原始植物中的礦物質和在成煤過程中進入煤內部的礦物質所形成的灰分，叫內在灰分。

灰分和水分一樣，都是煤中不可燃成分，煤的灰分越高，則發熱量越低，也即煤中可燃成分越少。當煤中灰分增加時，用于加熱灰分的能量消耗隨之增加，并使燃燒溫度下降，燃燒的穩定性變差。每增加1%的灰分，理論上燃燒溫度平均下降5℃，因而使煤粉著火困難，引起燃燒不良，飛灰含碳量大大提高，乃至熄火。另外，灰分含量越高，灰渣帶走的物理熱損失也越大，燃燒后灰分還將在鍋爐受熱面上堆積，引起結渣及過熱器超溫而威脅鍋爐安全運行。鍋爐尾部受熱面的積灰又會導致排煙溫度升高，從而進一步降低鍋爐運行的經濟性。

3 水分和灰分對鍋爐效率的影響比較

水分增加對鍋爐運行經濟性的影響主要是排煙損失，灰分增加對鍋爐運行經濟性的影響主要是飛灰含碳量增加導致的不完全燃燒損失的增加。為比較兩者對鍋爐效率的影響，理論計算了1臺660 t/h鍋爐機組燃用不同煤種及煤質變化時對鍋爐效率的影響，結果如表2所示。

如表2中理論熱力計算結果所示，即使假設鍋爐飛灰含碳量均為2%，燃用同等發熱量褐煤的鍋爐效率仍比燃用大混煤的高0.287%，但在實際鍋爐運行中，由于褐煤的燃燒和燃燼特性明顯好于高灰分的大混煤，其飛灰含碳量會更低，因此，燃用高灰分的大混煤的鍋爐效率會更低。究其原因，主要是全水分增加引起的排煙損失小于由于灰分和飛灰含碳量增加引起的機械未完全燃燒損失。燃用高全水分的褐煤時，排煙損失增加了0.864%，而燃用高灰分的大混煤時，由于其灰分高達31.51%，如再假設飛灰含碳量增加1%，則其鍋爐效率下降達1.751%，從而使得燃用褐煤的鍋爐效率比燃用高灰分大混煤的鍋爐效率高0.787%。顯然，由于煤種和煤質的變化對排煙損失的影響幅度要小于對機械未完全燃燒損失影響的幅度，因而，燃用低灰分煤種的鍋爐運行經濟效益更好。

上述理論計算結果表明：燃用水分相對高、灰分相對較低煤種的鍋爐，其運行經濟性要好于燃用灰分高、水分小煤種的鍋爐。為驗證這一結論，在某電廠1臺600 MW超臨界鍋爐上進行了煤種摻燒試驗。該鍋爐設計煤種為淮南煤（22 MJ/kg），校核煤種為煙混煤（24.5 MJ/kg）。 表 3列出了煤種摻燒試驗的主要結果。

表3中，工況1和工況2是高發熱量優混煤與蒙混煤分別按3：2和2：3的比例進行分磨摻燒。由試驗結果可見，在滿負荷情況下，用1倉發熱量更低的高水分蒙混煤替代1倉優混煤時，在入爐平均熱值更低的情況下，由于蒙混煤的灰分比優混煤低，其燃燼特性比優混煤更好，用蒙混煤替代優混煤時，飛灰含碳量更低，鍋爐效率也更高。

試驗結果表明，在鍋爐實際運行過程中，同樣熱值情況下，燃用高水分、低灰分煤種的鍋爐效率更高，經濟性更好。

4 結論

（1）根據對國內典型動力煤煤種的統計分析，同一礦區不同煤質的煤樣，其低位發熱量與全水分和灰分比例呈線性的關系；對于不同礦區不同煤種來說，煤炭低位發熱量與煤炭的全水分和灰分含量負相關。

表3 1臺600 MW超臨界鍋爐煤種摻燒試驗主要結果

（2）煤種全水分增加1%對低位發熱量的影響比灰分增加1%對低位發熱量的影響大。

（3）理論熱力計算結果表明，灰分增加對鍋爐效率的影響比水分增加更大。對于高水分、低灰分的褐煤來說，全水分增加1%時鍋爐效率下降0.093%；灰分增加1%時鍋爐效率下降0.097%。

（4）鍋爐煤種實際摻燒試驗結果表明，在相同發熱量情況下，摻燒蒙混煤可有效降低飛灰含碳量，減少可達1.25%，從而有效降低了機械未完全燃燒損失，而排煙損失未明顯增加，總體上提高了鍋爐效率。

基于理論研究和實爐燃燒結果認為：對于電站鍋爐而言，在保證鍋爐運行安全的前提下，采購部分高水分、低灰分煤種替代高灰分煤種可以提高鍋爐運行經濟性，達到節能減排的目的。

[1]岑可法，樊建人.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M].北京：科學出版社，1994.

[2]美國EPRI，火電廠降低熱耗導則[G].華北電力科學研究院譯，1998.