煤质和煤种变化对锅炉运行的影响

燃料的种类和性质对锅炉燃烧设备的结构选型，受热面布置，以及运行的经济性和可靠性都有很大的影响。依照目前对燃料的常规分析项目来看，因为煤的燃烧，除部分固定炭和游离氢外，煤中各元素成分大都不是以单质状态燃烧，而是以复杂的有机化合物参与燃烧，其燃烧过程与工业分析中成分析出过程大致相同。因此，直接影响锅炉燃烧和运行稳定性和经济性的因素，主要是煤的工业分析成分，即挥发分，水分和灰分的影响。此外，灰的熔化性质及煤灰的组成成分对炉膛结渣和受热面沾染关系密切，煤中含硫会引起低温受热面的积灰和腐蚀，以下就这些方面分别予以分析说明。

一.挥发分的影响

失去水分的煤样，在隔绝空气下和900±10℃温度下加7分钟热时使煤中有机物分解而析出的气体产物，就是挥发分。挥发分是由各种碳氢化合物，一氧化物，硫化氢等可燃气体所组成，还有少量的氧，二氧化碳和氢等不可燃气体。

固体燃料的挥发分含量与燃料的地质年代有密切关系。地质年代越短，即燃料的碳化程度越浅，挥发分含量便越高，这是因为煤中所含各种气体本身就有挥发分，埋藏时间越短，它受大自然干馏挥发得少，所以含量便大。而且不同地质年代燃料析出挥发分的温度是不同的。地质年代较短的燃料，不但挥发分含量多，而且在较低温度（200℃）下就迅速析出。地质年代长，挥发分含量少的无烟煤则要到400℃左右才开始析出挥发分。

挥发分燃烧时放出的热量取决于挥发分的组成成分。不同燃料的挥发分的热量差别很大，低的只有17000kJ/kg（4000kal/kg），高的可达71000 kJ/kg（17000kal/kg），它与挥发分中氧的含量有关，因而也与煤的地质年代有关。含氧量少的无烟煤的挥发分，其发热量很高.而含氧量多的褐煤，其挥发分的发热量则较低。

煤的挥发分含量是评定其燃烧性能的首要指标。不同煤种挥发分含量也不同。从下表中可以看出不同煤种的挥发分特性。

不同煤种的挥发分特性

煤种

挥发分开始逸出温度（℃）

挥发分发热量（MJ/kg）

无烟煤

～400

贫煤

320～390

54.43~56.52

烟煤

210～260

39.36~48.15

长焰煤

～170

～35.59

褐煤

130～170

～25.75

挥发分含量高的煤，很容易着火燃烧。挥发分着火后对燃烧的未挥发部分进行强烈加热，可使它迅速着火燃烧。挥发分析出后，燃料会变得比较松散，孔隙较多，增加了燃料的燃烧面积，加速了燃烧过程。挥发分低的燃料不易着火燃烧，其燃烧速度较慢。

随着挥发分含量的减少，煤粉的着火温度显著增加。有的资料认为：高挥发分煤粉的着火温度约在800℃左右，低挥发分煤粉的着火温度可达1100℃。挥发分含量对着火过程的影响是：挥发分含量增加，着火速度加快。所以煤的着火特性主要取决于挥发分的含量。

挥发分含量对煤粉的燃尽度也有直接的影响。挥发分含量愈高，一般灰渣未完全燃烧热损失就愈小，从一些中容量固态排渣煤粉炉调查研究的结果来看，飞灰可燃物的含量是随燃煤的挥发分含量增加而减少。

燃料的挥发分也是对燃烧器选型、布置，炉膛形状，制粉系统型式及防爆措施的设计依据。

二.水分的影响

煤的水分是评价煤炭经济价值的基本指标，它既是数量指标又是质量指标。

燃煤中的水分是惰性物质，它的存在会使煤的低位发热量下降，因为计算低位发热量时要扣除水分的蒸发潜热（即扣除汽化潜热）。

燃煤所含的水分，通常按其存在的状态和分析方法分为两部分。按收到基成分来讲，一部分称为内在水分或固有水分，即在大气状态下风干后的煤所保持的吸附水分，即燃煤分子中以化学力吸附在煤内部小毛细管中的水分。另一部分称为外在水分，即燃煤表面及颗粒之间所保持的水分，它随外界环境而有较大的变动。这两部分水气之和称为煤的全水分。收到基内在水分按其直接测定方法也常用空气干燥基水分表示。

燃煤的水分增加，会使燃烧温度下降。原因是在燃烧过程中，煤中的水分吸热而汽化并过热.试验表明，水分对燃烧温度的影响比灰分还大。炉膛温度的降低，不但会使燃烧不稳定，而且还影响煤的燃尽程度，从而影响锅炉的安全性和经济性。

燃煤的水分增加，还会使锅炉的烟气量增加，这样不但增加了排烟的热损失，而且还增加了引风机的耗电量。

燃煤的水分增加，其流动性逐渐恶化，会使煤仓、输煤管道及给煤机粘结、堵塞。

但是，从燃烧动力来讲，燃烧含有适量的水分对燃烧过程有以下有利的作用：

火焰中含有水蒸汽对煤粉炉的悬浮燃烧是一种有效的催化剂；

水蒸汽分子可以加速煤粉焦炭残骸的气化和燃烧；

水蒸汽还可以提高火焰黑度，增加辐射放热强度。

对于烟煤，外在水分超过8～10％，就会造成输煤、给煤系统运行中带来麻烦；如水分越过12～15％，就可能严重影响运行的可靠性。

三.灰分的影响

灰分对燃烧的影响表现在对着火的影响，灰分含量高会使火焰传播速度减慢，着火时间推迟，燃烧温度下降，燃烧稳定性差。

燃煤灰分增加，其可燃质含量减少。因此，发热量、燃烧所需要的空气量和燃烧后生成的烟气量等比设计值低。

如果燃料消耗量保持不变，则由于燃料发热量降低，使炉内总放热量降低，因而锅炉蒸发量降低，同时炉膛出口烟温也会降低，对流受热面的传热温差减少，使对流受热面吸热量显著降低。

如果保持蒸发量不变，则必须增加燃料消耗量，这样总灰分就增大了，会使火焰温度下降，因灰分在燃烧过程中要吸收热量，高灰分的煤由于着火时间推迟，燃烧温度下降，因而燃烧的稳定性会变差。

灰分增加，会使煤的燃尽度变差，不完全燃烧的热损失增加。

灰分增加，灰渣的物理热损失也成正比地增加。

灰分增加，对锅炉的受热面玷污和磨损愈严重。炉膛受热面玷污会引起炉膛结焦，受热面结焦和玷污会影响传热，使排烟温度升高，从而降低锅炉的经济性。受热面磨损，会降低其使用寿命，威胁锅炉的安全运行。

灰分的熔融性对锅炉运行影响也很大。灰分的温度ST小于1350℃时，就有可能造成炉膛结焦，妨碍锅炉连续安全运行。如果燃用灰分熔点低的煤，就必须控制炉膛热强度，以防止灰分结焦。

四.硫分的影响

燃煤中所含的硫分以有机硫和黄铁矿（FeS2）硫为主，所谓有机硫是指存在于可燃质高分子有机化合物中的硫分。另外灰中也常含有少量的硫酸盐类，其硫分称为硫酸盐硫。有机硫和黄铁矿都参与燃烧，生成SO2和SO3,故称为合成可燃硫。硫酸盐在1100℃以上也有一部分热解生成SO3。可燃硫与可热解的硫酸盐硫之和称为挥发硫。这些硫分在各种煤中的含量没有什么规律。我国电厂用煤的全硫分多在1％～1.5％以下，但也有达到3％～5％的。黄铁矿硫在煤中常以个体形态出现，可通过洗煤和吸附将它从煤中分离出来，而且因其比重较大，也可在磨粉过程中分离出一部分。

煤中含硫虽然对着火和燃烧过程没有明显的影响，但随着煤中含硫量增加，煤粉的自燃倾向加大，常会引起煤粉仓内煤粉温度自行升高，而且当进入空气时，甚至会自燃，因此，在燃用高硫煤时，仓内煤粉不宜久存。

燃煤含硫对锅炉的最大影响，是灰分产生烟气对低温受热面的酸腐蚀和伴随而来的烟道积灰和堵塞问题。而且，过热器和炉膛受热面的高温腐蚀和沾污，也与含硫有直接关系。

燃煤中的可燃硫在燃烧过程中被氧化，生成SO2及微量的SO3，硫酸盐也会受热分解出SO3。SO3含量是很少的。此外，在实际上不可能做到全部含硫都产生上诉反应，而是随燃烧方式而异。

烟气中SO2对受热面的腐蚀和沾污没有明显的影响。与此相反，SO3含量虽然很少，但由于它与烟气中的水蒸汽化合形成硫酸蒸汽，会明显地提高烟气的酸露点温度，从而会在低温受热面凝聚，造成酸腐蚀和沾污。硫酸蒸汽开始凝结的温度称为酸露点。

SO3的形成机理，除硫酸盐矿物质的高温分解外，主要是在高温燃烧区域内存在的自由氧分裂成高反应能力的氧原子，将SO2进一步氧化成SO3。因此，减少火焰区自由氧，即减少炉膛过量空气系数，常会显著降低SO3的转化率。例如在煤粉炉上的试验结果表示。如果过量空气系数由1.35降到1.05，导致SO3含量降低40％，露点下降5℃。SO3形成的另一个途径，是烟气接触到某些具有催化性质的物质如Fe2O3、耐火材料及燃油时可出现的V2O6等，促使微量SO2催化氧化成SO3，催化作用的主要温度范围在425－625℃。

烟气中水蒸气含量对SO3形成的影响无一定规律。水蒸汽分压力增加，会促使氧原子与SO2的化合，但对SO2的催化作用则恰恰相反。实际上烟气中水蒸气含量增加，会导致露点温度略有增加。

燃烧温度对SO3生成及露点温度的影响，一般认为火焰温度越高，则SO3转化率越高，露点温度也相应增高些。

烟气中呈分散状态的飞灰微粒，对SO有较强的吸附作用。

由于烟气露点温度的升高，在锅炉尾部受热面——主要是低温段空气预热器，会因管壁温度低于露点温度而凝结成酸液并沾附灰垢，从而堵塞烟气通道，腐蚀受热面金属，露点温度愈高和烟气含酸量越大，这种低温腐蚀及烟道堵塞现象越严重。

根据电厂的运行经验，对于煤粉锅炉，当煤的含硫量小于1.5％时，尾部受热面不会产生明显的低温酸腐蚀和堵灰，即使排烟温度和空气预热器进风温度较低，也无明显腐蚀。

另外，硫分升高还会增加大气污染。煤中硫燃烧后绝大多数形成SO2随烟气逸出烟囱，增加了周围环境的污染，煤中硫每增加1％，则燃用1t煤就多排放约20kg的SO2气体。

来源：公众号“锅炉专业”