燃料的種類和性質對鍋爐燃燒設備的結構選型,受熱面布置,以及運行的經濟性和可靠性都有很大的影響。依照目前對燃料的常規分析項目來看,Kaiyun官網入口 最新開云網址因為煤的燃燒,除部分固定炭和游離氫外,煤中各元素成分大都不是以單質狀態燃燒,而是以復雜的有機化合物參與燃燒,其燃燒過程與工業分析中成分析出過程大致相同。因此,直接影響鍋爐燃燒和運行穩定性和經濟性的因素,主要是煤的工業分析成分,即揮發分,水分和灰分的影響。此外,灰的熔化性質及煤灰的組成成分對爐膛結渣和受熱面沾染關系密切,煤中含硫會引起低溫受熱面的積灰和腐蝕,以下就這些方面分別予以分析說明。
失去水分的煤樣,在隔絕空氣下和900±10℃溫度下加7分鐘熱時使煤中有機物分解而析出的氣體產物,就是揮發分。揮發分是由各種碳氫化合物,一氧化物,硫化氫等可燃氣體所組成,還有少量的氧,二氧化碳和氫等不可燃氣體。
固體燃料的揮發分含量與燃料的地質年代有密切關系。地質年代越短,即燃料的碳化程度越淺,揮發分含量便越高,這是因為煤中所含各種氣體本身就有揮發分,埋藏時間越短,它受大自然干餾揮發得少,所以含量便大。而且不同地質年代燃料析出揮發分的溫度是不同的。地質年代較短的燃料,不但揮發分含量多,而且在較低溫度(200℃)下就迅速析出。地質年代長,揮發分含量少的無煙煤則要到400℃左右才開始析出揮發分。
揮發分燃燒時放出的熱量取決于揮發分的組成成分。不同燃料的揮發分的熱量差別很大,低的只有17000kJ/kg(4000kal/kg),高的可達71000 kJ/kg(17000kal/kg),它與揮發分中氧的含量有關,因而也與煤的地質年代有關。含氧量少的無煙煤的揮發分,其發熱量很高.而含氧量多的褐煤,其揮發分的發熱量則較低。
煤的揮發分含量是評定其燃燒性能的首要指標。不同煤種揮發分含量也不同。從下表中可以看出不同煤種的揮發分特性。
揮發分含量高的煤,很容易著火燃燒。揮發分著火后對燃燒的未揮發部分進行強烈加熱,可使它迅速著火燃燒。揮發分析出后,燃料會變得比較松散,孔隙較多,增加了燃料的燃燒面積,加速了燃燒過程。揮發分低的燃料不易著火燃燒,其燃燒速度較慢。
隨著揮發分含量的減少,煤粉的著火溫度顯著增加。有的資料認為:高揮發分煤粉的著火溫度約在800℃左右,低揮發分煤粉的著火溫度可達1100℃。揮發分含量對著火過程的影響是:揮發分含量增加,著火速度加快。所以煤的著火特性主要取決于揮發分的含量。
揮發分含量對煤粉的燃盡度也有直接的影響。揮發分含量愈高,一般灰渣未完全燃燒熱損失就愈小,從一些中容量固態排渣煤粉爐調查研究的結果來看,Kaiyun官網入口 最新開云網址飛灰可燃物的含量是隨燃煤的揮發分含量增加而減少。
燃料的揮發分也是對燃燒器選型、布置,爐膛形狀,制粉系統型式及防爆措施的設計依據。
燃煤中的水分是惰性物質,它的存在會使煤的低位發熱量下降,因為計算低位發熱量時要扣除水分的蒸發潛熱(即扣除汽化潛熱)。
燃煤所含的水分,通常按其存在的狀態和分析方法分為兩部分。按收到基成分來講,一部分稱為內在水分或固有水分,即在大氣狀態下風干后的煤所保持的吸附水分,即燃煤分子中以化學力吸附在煤內部小毛細管中的水分。另一部分稱為外在水分,即燃煤表面及顆粒之間所保持的水分,它隨外界環境而有較大的變動。這兩部分水氣之和稱為煤的全水分。收到基內在水分按其直接測定方法也常用空氣干燥基水分表示。
燃煤的水分增加,會使燃燒溫度下降。原因是在燃燒過程中,煤中的水分吸熱而汽化并過熱.試驗表明,水分對燃燒溫度的影響比灰分還大。爐膛溫度的降低,不但會使燃燒不穩定,而且還影響煤的燃盡程度,從而影響鍋爐的安全性和經濟性。
燃煤的水分增加,還會使鍋爐的煙氣量增加,這樣不但增加了排煙的熱損失,而且還增加了引風機的耗電量。
燃煤的水分增加,其流動性逐漸惡化,會使煤倉、輸煤管道及給煤機粘結、堵塞。
對于煙煤,外在水分超過8~10%,就會造成輸煤、給煤系統運行中帶來麻煩;如水分越過12~15%,就可能嚴重影響運行的可靠性。
灰分對燃燒的影響表現在對著火的影響,灰分含量高會使火焰傳播速度減慢,著火時間推遲,燃燒溫度下降,燃燒穩定性差。
燃煤灰分增加,其可燃質含量減少。因此,發熱量、燃燒所需要的空氣量和燃燒后生成的煙氣量等比設計值低。
如果燃料消耗量保持不變,則由于燃料發熱量降低,使爐內總放熱量降低,因而鍋爐蒸發量降低,同時爐膛出口煙溫也會降低,對流受熱面的傳熱溫差減少,使對流受熱面吸熱量顯著降低。
如果保持蒸發量不變,則必須增加燃料消耗量,這樣總灰分就增大了,會使火焰溫度下降,因灰分在燃燒過程中要吸收熱量,高灰分的煤由于著火時間推遲,燃燒溫度下降,因而燃燒的穩定性會變差。
灰分增加,對鍋爐的受熱面玷污和磨損愈嚴重。爐膛受熱面玷污會引起爐膛結焦,受熱面結焦和玷污會影響傳熱,使排煙溫度升高,從而降低鍋爐的經濟性。受熱面磨損,會降低其使用壽命,威脅鍋爐的安全運行。
灰分的熔融性對鍋爐運行影響也很大。灰分的溫度ST小于1350℃時,就有可能造成爐膛結焦,妨礙鍋爐連續安全運行。如果燃用灰分熔點低的煤,就必須控制爐膛熱強度,以防止灰分結焦。
燃煤中所含的硫分以有機硫和黃鐵礦(FeS2)硫為主,所謂有機硫是指存在于可燃質高分子有機化合物中的硫分。另外灰中也常含有少量的硫酸鹽類,其硫分稱為硫酸鹽硫。有機硫和黃鐵礦都參與燃燒,生成SO2和SO3,故稱為合成可燃硫。硫酸鹽在1100℃以上也有一部分熱解生成SO3。可燃硫與可熱解的硫酸鹽硫之和稱為揮發硫。這些硫分在各種煤中的含量沒有什么規律。我國電廠用煤的全硫分多在1%~1.5%以下,但也有達到3%~5%的。黃鐵礦硫在煤中常以個體形態出現,可通過洗煤和吸附將它從煤中分離出來,而且因其比重較大,也可在磨粉過程中分離出一部分。
煤中含硫雖然對著火和燃燒過程沒有明顯的影響,但隨著煤中含硫量增加,煤粉的自燃傾向加大,常會引起煤粉倉內煤粉溫度自行升高,而且當進入空氣時,甚至會自燃,因此,在燃用高硫煤時,倉內煤粉不宜久存。
燃煤含硫對鍋爐的最大影響,是灰分產生煙氣對低溫受熱面的酸腐蝕和伴隨而來的煙道積灰和堵塞問題。而且,過熱器和爐膛受熱面的高溫腐蝕和沾污,也與含硫有直接關系。
燃煤中的可燃硫在燃燒過程中被氧化,生成SO2及微量的SO3,硫酸鹽也會受熱分解出SO3。SO3含量是很少的。此外,在實際上不可能做到全部含硫都產生上訴反應,而是隨燃燒方式而異。
煙氣中SO2對受熱面的腐蝕和沾污沒有明顯的影響。與此相反,SO3含量雖然很少,但由于它與煙氣中的水蒸汽化合形成硫酸蒸汽,會明顯地提高煙氣的酸露點溫度,從而會在低溫受熱面凝聚,造成酸腐蝕和沾污。硫酸蒸汽開始凝結的溫度稱為酸露點。
SO3的形成機理,除硫酸鹽礦物質的高溫分解外,主要是在高溫燃燒區域內存在的自由氧分裂成高反應能力的氧原子,將SO2進一步氧化成SO3。因此,減少火焰區自由氧,即減少爐膛過量空氣系數,常會顯著降低SO3的轉化率。例如在煤粉爐上的試驗結果表示。如果過量空氣系數由1.35降到1.05,導致SO3含量降低40%,露點下降5℃。SO3形成的另一個途徑,是煙氣接觸到某些具有催化性質的物質如Fe2O3、耐火材料及燃油時可出現的V2O6等,促使微量SO2催化氧化成SO3,催化作用的主要溫度范圍在425-625℃。
煙氣中水蒸氣含量對SO3形成的影響無一定規律。水蒸汽分壓力增加,會促使氧原子與SO2的化合,但對SO2的催化作用則恰恰相反。實際上煙氣中水蒸氣含量增加,會導致露點溫度略有增加。
燃燒溫度對SO3生成及露點溫度的影響,一般認為火焰溫度越高,則SO3轉化率越高,露點溫度也相應增高些。
由于煙氣露點溫度的升高,在鍋爐尾部受熱面——主要是低溫段空氣預熱器,會因管壁溫度低于露點溫度而凝結成酸液并沾附灰垢,從而堵塞煙氣通道,腐蝕受熱面金屬,露點溫度愈高和煙氣含酸量越大,這種低溫腐蝕及煙道堵塞現象越嚴重。
根據電廠的運行經驗,對于煤粉鍋爐,當煤的含硫量小于1.5%時,尾部受熱面不會產生明顯的低溫酸腐蝕和堵灰,即使排煙溫度和空氣預熱器進風溫度較低,也無明顯腐蝕。
另外,硫分升高還會增加大氣污染。煤中硫燃燒后絕大多數形成SO2隨煙氣逸出煙囪,增加了周圍環境的污染,煤中硫每增加1%,則燃用1t煤就多排放約20kg的SO2氣體。