火电厂燃煤特性对锅炉运行和设备的影响讲义

TPRI火电厂燃煤特性对锅炉运行和设备的影响何红光教授级高工燃料与燃烧实验室西安热工研究院有限公司2010年8月（大连）TPRI内容A.中国动力用煤分布及其主要特征B.煤质基本特性及影响C.炉内结渣对锅炉运行的影响D.中国动力用煤燃烧结渣特征及其评价指标E.我国大容量电站锅炉燃用主要煤种存在的问题F.混煤燃烧结渣性能评价G.不同用途的混煤方案、措施及其在电站锅炉中的实绩H.我国大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型原则I.TPRI煤性-炉型耦合体系在工程中的应用（炉膛选型）实效TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征中国煤炭储量、产量和发电用煤量探明保有储量10000亿吨以上，居世界第二，仅次于美国其中动力煤占全国煤炭储量70%以上西北、华北动力煤储量占全国的80%以上。工业发达的华东地区仅占1.73%2009年，中国原煤产量约30.5亿吨，比上年增加8.8%2009年6000千瓦及以上机组用煤14亿吨，比上年增加6.08%TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征0510152025无烟煤贫煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐煤不同牌号动力煤储量分布占全国煤炭储量%占全国动力煤储量%TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征煤种无烟煤贫煤弱粘煤不粘煤长焰煤褐煤主要分布地区山西（40%）贵州（30%）山西（60%）陕西（50%）山西（40%）内蒙+陕西（50%）新疆（50%）内蒙北部（70%）其它地区河南、四川、云南、河北、北京、福建、广东、湖南河南、陕西宁夏、甘肃、新疆内蒙、山西、东北三省、甘肃、陕西云南、东北三省、山东、广西、广东不同煤种主要分布地区TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征中国聚煤区划分示意图I——东北内蒙古晚侏罗世聚煤区II——西北早、中侏罗世聚煤区III——华北石炭二叠纪聚煤区IV——滇藏中、新生代聚煤区V——华南晚二叠世聚煤区VI——台湾第三纪聚煤区TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征灰分小于10%的特低灰煤占20%以上；硫分小于1%的低硫煤约占65%-70%；硫分1%-2%的约占15%-20%。高硫煤主要集中在西南、中南地区。华东和华北地区上部煤层多低硫煤，下部多高硫煤。形成时代越早的煤，煤化程度越高。成煤时代越晚的煤，一般平均灰分越低。TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征表11-3发电煤粉锅炉用煤技术条件（GB/T7562-1998）分类指标名称符号分级界限辅助指标试验方法特低挥发分V16.50~10.00Qnet,ar21.00低挥发分V210.01~20.00Qnet,ar18.50中挥发分V320.01~28.00Qnet,ar16.00中高挥发分V428.01~37.00Qnet,ar15.00Vdaf%高挥发分V537Qnet,ar12.00GB212高热值Q124.00中高热值Q221.01~24.01中热值Q317.01~21.00中低热值Q415.51~17.00Qnet，arMJ/kg低热值Q512.00适用于褐煤GB213低灰分A120.00中灰分A220.01~30.00Ad%中高灰分A330.01~40.00GB212低水分M1?8.0Vdaf?37%中水分M28.0~12.0Vdaf?37%中高水分M312.0~20.0Vdaf37%Mt%高水分M420.0Vdaf37%GB211特低硫分S1?0.50低硫分S20.51~1.00中硫分S31.01~2.00St，d%中高硫分S42.01~3.00GB214低软化温度ST11150~1250中等软化温度ST21250~1350较高软化温度ST31350~1450ST℃高软化温度ST41450GB219难磨HGI140~60中等可磨HGI260~80HGI易磨HGI380GB2565注：V1（特低挥发分煤）目前不宜单独燃用TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征我国现行的煤炭分类中常作为动力用煤的有无烟煤、贫煤、贫瘦煤、弱粘结煤、不粘结煤、长焰煤和褐煤。无烟煤。煤化程度高，挥发分低Vdaf≤10%,含碳量高达90％，含氢量Hdaf一般小于4％，氧和氮比其它煤种低，抗粉碎能力高，燃烧时不易着火，化学反应性差，储存时不易自然。贫煤。Vdaf=10.1～20％，含氢量Hdaf一般4％～4.5%，着火温度高，比无烟煤易着火。TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征贫瘦煤。高变质程度的烟煤，单独炼焦时，大部分能结焦。Cdaf和Hdaf都比贫煤略小，燃烧后有时会结成块状物，通常ST比较高。弱粘结煤。是一种粘结性较弱的低变质到中等变质程度的烟煤，挥发分Vdaf为22～37％。加热时产生胶质体较少，炼焦时产生粉焦多。易着火，燃烧性能好。TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征不粘结煤。变质程度较低的中高挥发分烟煤，挥发分Vdaf为22～37％。一般水分比较大，发热量较上述低，但易着火，燃烧时火焰较长。长焰煤。变质程度较低，挥发分最高的烟煤，挥发分Vdaf为37％。水分仅次于褐煤，发热量比褐煤高，有些煤还含有少量次生腐殖酸。易着火，燃烧性能好，火焰长。TPRIA.中国动力用煤分布及其主要特征褐煤。经过成岩作用，但没有或很少经过变质作用而形成的煤，含水量Mt高达45％。含碳量较低，挥发分Vdaf为37％，低位发热量Qnet,v,ar大多为10.45～16.73MJ/kg。风干时易爆裂成碎煤。碱金属较多，灰熔融性温度较低。堆积密度较小，给运输造成困难，贮存时易自然。TPRIB.煤质基本特性及影响煤自燃的原因首先由煤的性质决定。煤的变质程度，变质程度低，自燃倾向大。与矿物质含量、粒度和含水量等有关。空气和水是自燃的主要原因煤与空气接触后氧化放热。同时煤堆内水分受热蒸发并在煤堆高处凝结释放大量的热量煤中的黄铁矿也会因受热氧化而放出热量TPRIB.煤质基本特性及影响煤自燃的预防措施组堆的工艺过程。减少空气与雨水渗入煤堆，对褐煤和长焰煤分层压实组堆气候条件。温度、降雨等。建立定期测温制度。60℃极限温度，每昼夜平均温度连续增加高于2℃（与环境温度无关）时，立即消除祸（未着）源及时消除自燃祸源。挖出散热，供锅炉燃烧。不要向煤中加水，否则加速氧化和自燃TPRIB.煤质基本特性及影响煤中水分变化对锅炉运行和设备的影响水分增加，导致原煤仓下煤困难制粉系统干燥出力不足，要求风压增加，流速增加，磨煤机及管道磨损增加对着火有影响，炉膛温度下降，固体不完全燃烧热损失增加烟气量增加，锅炉排烟损失增加，引凤机电流上升烟气中水露点温度上升，造成酸露点温度增加，当受热面温度等于或低于酸露点温度(40℃)后，硫酸蒸汽在受热面上冷凝，积灰，造成低温腐蚀和堵灰。烟气侧阻力增加，引凤机电流上升TPRIB.煤质基本特性及影响水蒸气对烟气酸露点温度的影响ts=tb×(Szs,ar)1/3×B/1.05(Azs,ar×C)式中:ts—烟气中酸露点温度,℃;tb_—水蒸气饱和温度,℃;Szs,ar—煤中折算硫分,%;B—空气过剩系数修正值,/;C—飞灰分额，%；Azs,ar—煤中折算灰分,%。TPRIB.煤质基本特性及影响煤中灰分变化对锅炉设备和运行的影响灰分增加，燃烧不稳定，炉膛温度降低，煤粉燃烧困难。排灰量大，固体不完全燃烧热损失增加。事故率增加。输煤、制粉、锅炉受热面、引凤机和除尘磨损严重，引起设备损坏检修锅炉效率下降。炉内积灰、沾污较重，传热效果变差，耗煤量大，排烟温度增加环境污染。电厂粉尘和灰渣量增加基建投资增加TPRIB.煤质基本特性及影响煤中挥发分变化对锅炉运行的影响挥发分高易着火，反之亦然。与炉膛形状，容积热负荷、卫燃带的形式与大小、煤粉细度、热风温度、喷口风速、防爆措施等有关无烟煤与贫煤、贫煤与烟煤、烟煤与褐煤混配比较合适，不提倡跨等级掺配。防止挥发分较高的煤种燃烧时抢风，影响低挥发煤种的燃烧。掺配煤尽量接近设计和校核煤种的挥发分TPRIB.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响硫分为四类：St=SO+SP+SS+SESt煤中全硫，＜1%，有机硫为主，＞2%，黄铁矿硫为主60~70%，有机硫为30~40%SO有机硫，490℃左右热解完毕SP黄铁矿硫，580℃左右热解完毕SS硫酸盐硫，硫酸钙大于1450℃，硫酸镁1110℃，SS一般不超过0.1~0.2%SE元素硫，很少，可忽略不计TPRIB.煤质基本特性及影响500MW机组锅炉腐蚀泄漏主爆口向火侧主爆口横向条纹横向条纹向火侧爆口金相A取样点能谱分析垢样取样点图1送检管样宏观照片TPRIB.煤质基本特性及影响硫化物型腐蚀通常在壁面附近烟气中氧量较低并存在还原性气氛，则煤中可燃硫会生成少量的H2S，当燃煤硫含量较高时，H2S的含量也较高。H2S是导致受热面高温腐蚀的主要因素之一。在水冷壁附近易形成局部还原性气氛，当管壁温度达到450℃左右时，H2S可以与金属铁与氧化铁反应生成硫化铁，然后硫化铁与纯金属反应生成低熔点的共晶体，发生腐蚀。反应方程式如下：TPRIB.煤质基本特性及影响FeS再继续氧化成Fe2O3,使壁面受到破坏。这个腐蚀过程在近350℃及大于以上温度时进行的很迅速。22HFeSFeSHOHFeSFeOSH22TPRI硫酸盐型腐蚀当水冷壁管壁温度在310~420℃下，正常的氧化使管壁面形成Fe2O3层，燃料燃烧时升华出来的硷性金属氧化物Na2O及K2O，凝结在管壁上，然后与烟气中的SO3化合形成Na2SO4及K2SO4（M2SO4用表示）。M2SO4有粘性，可扑捉灰粒，粘结成灰层，于是灰表面温度上升，外面形成渣层，最外层成流渣层。然后烟气中的穿过灰渣层，在灰渣层内部发生以下反应：3M2SO4+Fe2O3+3SO3→2M3Fe(SO4)3(结积渣层中)（管壁氧化层）（烟气中）（固态）B.煤质基本特性及影响TPRIB.煤质基本特性及影响管壁再向内形成新的Fe2O3，而灰渣层内部存在有M3Fe(SO4)3及M2SO4。这样，形成了管壁金属的腐蚀过程。如进行打渣，渣层脱落，则将加速上述过程，而使管壁腐蚀加剧。水冷壁管应力腐蚀、外部腐蚀基本上是由上述两种原因引起的。TPRIB.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响磨煤机及管道的磨损，黄铁矿莫氏硬度6.0～6.5，石英为7.0引起锅炉高温和低温腐蚀。高温受热面硫化腐蚀和硫酸盐腐蚀，空气预热器低温腐蚀、堵灰，漏风导致引风机电流上升，燃烧空气量不足等在还原性气氛中铁的熔点减低，引起结渣。同时增加灰渣的强度促进煤的氧化自燃。对于变质程度较浅的煤其黄铁矿氧化自燃烟气中的硫化物污染大气TPRIB.煤质基本特性及影响煤中硫分变化对锅炉运行的影响煤中含硫量增加，导致灰熔融性增加结渣指数RS=碱性氧化物/酸性氧化物×Sｔ,ｄ当煤中灰成分一定时，结渣指数取决于煤中含硫量的高低TPRIB.煤质基本特性及影响煤中发热量变化对锅炉运行的影响煤的发热量过低于设计和校核煤种时，磨煤机需要超负荷运行,长此以往导致磨煤机及系统磨损增加，严重时影响锅炉带负荷为满足锅炉负荷要求，煤粉细度变粗，固体不完全热损失增加。对ST较低的煤种可能引起结渣如果是灰量增加所引起发热量低，则可能引起炉内磨损，大渣和飞灰量增加，考虑系统是否满足出力要求TPRI煤灰熔融温度（ST），℃＞1500≥1350～1500≥1250～＜1350≥1150～＜1250＜1150无烟煤（%）32.5524.4114.1722.316.56烟煤（%）33.2323.7013.5616.8412.67褐煤（%）21.1319.7228.1725.355.63低灰熔点煤ST≤1250℃在我国动力用煤中所占比例大约在30%左右，见上表我国不同类别煤的灰熔融温度分布范围B.煤质基本特性及影响TPRIC.炉内结渣对锅炉安全的影响一般水冷壁污染数小时后其传热能力会降低30%~60%。炉内结渣砸坏冷灰斗水冷壁管冷灰斗大量积渣，压塌冷灰斗，水冷壁断裂，水蒸汽大量外泄，造成锅炉损