據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2019年底，中國(guó)在運(yùn)煤電裝機(jī)容量為1,004,948兆瓦(10.05億千瓦)，是2000年(199,376兆瓦)的5倍，平均每年增長(zhǎng)8.9%。盡管隨著碳達(dá)峰和碳減排目標(biāo)的制定，在建燃煤電廠數(shù)量逐年下降，但是如此大量的年輕電廠在運(yùn)行中，對(duì)于地球而言，的確是一個(gè)負(fù)擔(dān)和問(wèn)題。中國(guó)的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)難度實(shí)在太大。
在這樣的背景下，再來(lái)討論燃煤電廠的煤耗降低和煤炭燃燒效率提升，就顯得別有一番意義在心頭。
降低煤耗的研討會(huì)
上周，應(yīng)邀陪同幾位專(zhuān)家去內(nèi)蒙參加一個(gè)發(fā)電集團(tuán)的降低煤耗的研討會(huì)，會(huì)上介紹，這個(gè)擬服務(wù)電廠的供電煤耗高達(dá)370多克/kwh，比業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀水平高出將近百克，整個(gè)一個(gè)上世紀(jì)中期水平。
為了準(zhǔn)備好這個(gè)研討會(huì)，也為了專(zhuān)業(yè)人士統(tǒng)一語(yǔ)境，我利用周末的兩天時(shí)間，研讀了一遍清華已故教授傅維鑣老先生多年前的一部學(xué)術(shù)專(zhuān)著《煤燃燒理論及其宏觀通用規(guī)律》，讓我這個(gè)學(xué)核能的對(duì)煤炭這個(gè)化石能源增加了不少認(rèn)識(shí)，其實(shí)煤炭的燃燒規(guī)律比我們核裂變要復(fù)雜得多，掌控規(guī)律方面也要困難得多。后面附上讀書(shū)筆記與大家分享。
這里主要想說(shuō)的是，我在會(huì)上發(fā)言中指出，發(fā)電機(jī)組煤耗太高，表面上是技術(shù)原因或設(shè)備原因，其實(shí)是管理原因，根本是員工的士氣和責(zé)任心問(wèn)題。企業(yè)長(zhǎng)期不重視管理培訓(xùn)，員工不掌握發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，企業(yè)的管理機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制沒(méi)有建立起來(lái)，導(dǎo)致干部員工盡管人在電廠工作，但忙的是都是“別人家的事”，拿出來(lái)裝修自己房子和保養(yǎng)自己愛(ài)車(chē)的勁頭的十分之一都沒(méi)有，再好的設(shè)備、再先進(jìn)的技術(shù)，到了他們手里，也是運(yùn)維不好。歸根到底，是員工職業(yè)化修煉嚴(yán)重缺位，企業(yè)文化不夠優(yōu)良。
按照我國(guó)工人階級(jí)的光榮傳統(tǒng)，設(shè)備沒(méi)有維護(hù)好、煤耗如此之高，應(yīng)該是吃不下飯、睡不著覺(jué)才行，應(yīng)該是趕緊行動(dòng)起來(lái)，用心分析問(wèn)題原因，認(rèn)真進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、運(yùn)維改進(jìn)才正常，而不是在“差不多”、“還湊活”的心態(tài)下，心安理得地得過(guò)且過(guò)。
更為重要的是，在碳中和承諾發(fā)布后的新時(shí)期，降低煤耗、減少二氧化碳和溫室氣體排放，已經(jīng)上升為電力工業(yè)的政治責(zé)任和歷史使命，能源行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者、電力企業(yè)的管理者、燃煤電廠的工作人員，一定要對(duì)標(biāo)先進(jìn)電廠，為降低煤耗、提高煤炭燃燒效率做出自己最大的努力。這樣，我們可再生能源領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域、核能領(lǐng)域以及建筑節(jié)能領(lǐng)域的巨大投資和艱辛努力才不會(huì)被有可能同步提升的電廠高煤耗所中和，我國(guó)到2060年的碳中和目標(biāo)才有可能實(shí)現(xiàn)。
煤燃燒理論要點(diǎn)
當(dāng)煤粒進(jìn)入高溫爐膛后，由于受到高溫加熱，便開(kāi)始熱解(也稱(chēng)揮發(fā)分析出)。熱解后的煤呈多孔狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為煤焦(或碳)。
揮發(fā)分及煤焦都會(huì)著火，燃燒，其中煤焦的燃盡是煤燃燒的主要過(guò)程。
所以煤粒進(jìn)入高溫爐膛后將經(jīng)歷加熱、熱解、著火與燃盡的復(fù)雜物理、化學(xué)過(guò)程。
煤受熱后，軟化、變形、分解，由大分子結(jié)構(gòu)裂解成許多小分子的氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物，統(tǒng)稱(chēng)為揮發(fā)分，它包含H2O、C2H6，CO，CH4，N2，O2，H2及焦油。
煤的熱解機(jī)理較復(fù)雜。一般簡(jiǎn)化為以下兩階段，即煤由活性結(jié)構(gòu)與非活性結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，后者不參與反應(yīng)，前者參與反應(yīng)。
當(dāng)煤粒受熱后，活性結(jié)構(gòu)一方面釋放CO2和H2O(速率系數(shù)為K1),于此同時(shí)，煤粒轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N稱(chēng)之為塑料體的中間產(chǎn)物(速度系數(shù)為Km)，這是第一階段反應(yīng)。
塑性體一旦形成，它將繼續(xù)參與反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)饧捌渌鞣N輕氣體、重?zé)N氣體和焦油等，這就是熱解的第二階段。
揮發(fā)分的成分與加熱速率關(guān)系密切。煤粉鍋爐中的煤粉熱解屬于快速熱解。許多碳化工業(yè)及熱天平分析屬于慢速熱解。固定床、流化床及工業(yè)分析中煤的熱解過(guò)程屬于中等速度熱解。
快速加熱與慢速加熱對(duì)揮發(fā)分的形成有很大影響，其揮發(fā)分析出的速率及其成分會(huì)有很大不同。
揮發(fā)分的最終產(chǎn)量與熱解速率無(wú)關(guān)，而與煤粒加熱的終溫關(guān)系極大，揮發(fā)分的最終產(chǎn)量隨熱解溫度的增加而增加。
不同的煤在熱解過(guò)程中具有不同的膨脹特性。一般在氮?dú)饣蜻€原性氣氛中，其膨脹率(直徑比)較大，最高可達(dá)30%。而在氧化氣氛條件下，膨脹率則較小，約為10%左右，甚至變化不大。
煤的熱解過(guò)程十分復(fù)雜，它與許多因素有關(guān)，例如煤種、煤粒尺寸、加熱速率、煤粒終溫、壓力、加熱時(shí)間等。
熱解的初始產(chǎn)物在逸出途中可能發(fā)生二次反應(yīng)，如裂解、凝結(jié)、化合和再聚合。因此得到的最終產(chǎn)物并非是最初產(chǎn)物。
各種試驗(yàn)分析得出的共同結(jié)論：
(1)揮發(fā)分析出量隨時(shí)間大體呈指數(shù)規(guī)律增加。
(2)揮發(fā)分成分取決于加熱速率及終溫。
(3)煤的快速熱解所得之揮發(fā)分產(chǎn)量要高于工業(yè)分析值。
煤是由相同的官能團(tuán)組成的，這些官能團(tuán)包括羧基、羥基、醚、脂肪、芳香烴等。
羥基：由氫和氧兩種原子組成的一價(jià)原子團(tuán)(-OH)也叫氫氧基。
羧基：由羰基和羥組成的一價(jià)原子團(tuán)(-COOH)。
羰基：由碳和氧兩種原子組成的二價(jià)原子團(tuán)(>C=O)。
不同的官能團(tuán)在熱解時(shí)將產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，例如羧基熱解時(shí)將產(chǎn)生CO2，羥基熱解時(shí)將產(chǎn)生H2O，醚將產(chǎn)生CO，脂肪將產(chǎn)生CH4，C2H2，芳香烴將產(chǎn)生H2等。
注：醚是一個(gè)氧原子連接兩個(gè)烴基而成的化合物(如甲醚，乙醚等)烴基：烴分子是一個(gè)或幾個(gè)氫原子而成的基團(tuán)，通常用R表示。
脂：酸分子中能電離的氫原子被烴基取代而成的化合物，是動(dòng)植物油脂的主要部分。
脂肪：由三個(gè)脂肪酸分子和一個(gè)甘油分子化合而成，存在于人體和動(dòng)物的皮下組織以及植物體中。脂肪是生物體內(nèi)儲(chǔ)存能量的物質(zhì)。
各官能團(tuán)含量隨煤種而變，焦油的成分與煤中的有機(jī)物成分相同。煤中官能團(tuán)在熱解過(guò)程中逐漸減少是通過(guò)兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。一是官能團(tuán)獨(dú)立充分熱解釋放出氣體，另一則是官能團(tuán)作為焦油釋放出來(lái)。
隨著煤粒溫度的升高，在不同溫度下釋放的揮發(fā)分成不同的，釋放次序大體是：H2O，CO2，焦油，C2H6，CH4，CO，H2。不同組分析出時(shí)，其活化能是不同的。
為了提高煤燃燒裝置的熱效率，減少工業(yè)設(shè)備的尺寸和投資，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外均在發(fā)展煤的加壓燃燒和加壓氣化技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，在1273K溫度下，隨著壓力的升高，同種粒徑的煤粒，最終的揮發(fā)分析出量略有減少。在高于0.1MPa時(shí)，在相同的壓力下，各種粒徑的煤最終揮發(fā)分的析出量只有較小差別，且壓力越高差別越小。
當(dāng)揮發(fā)分從煤粒中析出后，便于周?chē)諝饣旌希谝欢ǖ臏囟群蜐舛鹊臈l件下便著火。揮發(fā)分的燃燒類(lèi)似于其他可燃?xì)怏w的燃燒，其燃燒速率很快。因此就其對(duì)煤的燃盡速率而言，影響不大。但這一反應(yīng)過(guò)程對(duì)于控制氧化氮(NOx)，碳黑微粒的生成，炭的著火及煤粉火焰的穩(wěn)定都非常重要。
煤經(jīng)過(guò)熱解后，由于揮發(fā)分的析出，使其呈多孔狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為煤焦或炭。煤焦的燃盡過(guò)程較長(zhǎng)，是煤燃燒過(guò)程的主要組成部分，其燃燒的完全與否，將決定煤的利用程度，即燃燒效率。
除反應(yīng)物的濃度外，燃燒速度主要受兩類(lèi)因素影響。一類(lèi)是化學(xué)因素，包括碳的種類(lèi)，活化中心的數(shù)量，灰的催化作用等。另一類(lèi)是物理因素，例如比表面積，內(nèi)孔擴(kuò)散及環(huán)境中氧的擴(kuò)散等。
簡(jiǎn)化分析：在相對(duì)靜止的空氣中，在碳粒表面只有下列三個(gè)反應(yīng)：
這三個(gè)反應(yīng)的活化能相差很大，Ec > Eb > Ea
根據(jù)煤焦燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與煤種的通用關(guān)系，可以預(yù)報(bào)煤種變化對(duì)燃燒過(guò)程的影響，可較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)爐內(nèi)溫度分布及飛灰含碳量，前者將決定燃燒的穩(wěn)定性，即其安全性，后者將決定鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。
煤的氣化反應(yīng)，即CO2+C→2CO和C+H2O→H2+CO,是煤的氣化過(guò)程的基礎(chǔ)。
煤粒表面與氧反應(yīng)將生成CO及CO2，尤其在溫度較低時(shí)，例如著火階段，生成CO和CO2的幾率是相同的。CO和CO2生成速率比值的大小對(duì)碳粒的溫升過(guò)程及著火過(guò)程有著十分重要的作用，這是因?yàn)?C+O2→CO2 反應(yīng)所釋放的電量幾乎三倍于C+O2→CO2的反應(yīng)，這樣對(duì)碳粒的溫升速率就有較大的差異。
煤粒的著火分為非均相著火與均相著火兩部分。前者屬于固定碳的著火，后者屬于揮發(fā)分的著火。只有煤焦著火，才能說(shuō)煤粉氣流已處于穩(wěn)定的燃燒中。揮發(fā)分越高的煤越易著火。
鏈條爐(又稱(chēng)移動(dòng)床)燃燒效率不高，或只能燒高揮發(fā)分煤而不能燒貧煤、無(wú)煙煤等低揮發(fā)分煤，其主要原因也在于煤的著火問(wèn)題。由于進(jìn)爐膛后的煤不能及時(shí)著火，致使隨鏈條移動(dòng)的煤在爐內(nèi)停留時(shí)間太短而造成不完全燃燒，從而使渣中含碳量增加，燃燒效率降低。
因此，凡是能使煤提前著火的各種措施都將提高煤的燃燒效率。而且減少了對(duì)環(huán)境的污染。
煤粉越細(xì)越容易著火，直徑減小，著火溫度增加，但加熱速率增加很大，短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到所需溫度，實(shí)際燃燒設(shè)備中加熱區(qū)長(zhǎng)度是有限的。
氧濃度對(duì)著火的影響不如對(duì)熄火的影響大。
在磨煤過(guò)程中，有的煤粉含灰量特別大，有的特別小，所以對(duì)煤粉來(lái)說(shuō)，其著火試驗(yàn)只能通過(guò)不斷調(diào)整爐溫，使其達(dá)到著火溫度，這時(shí)煤粉將出現(xiàn)整體著火。
Fz=(Vad+Mad)2 Cad *100 是與煤種有關(guān)的一個(gè)無(wú)因次參數(shù)。此值越大，其著火性能越好。因此稱(chēng)其為著火特性指標(biāo)。(Vad+Mad)表示由于揮發(fā)分和內(nèi)在水析出后在炭?jī)?nèi)部形成空隙的程度。即(Vad+Mad)越大，其比表面積越大，炭的活性也就越大，就更易著火。Cad表示炭中含碳量的大小。高灰分煤由于其Cad值較低，即發(fā)熱量低，也就難以著火。
過(guò)去有的電廠進(jìn)煤時(shí)只考慮煤的發(fā)熱量，不考慮Fz，今后在煤質(zhì)管理中，一定要把住兩個(gè)重要煤質(zhì)參數(shù)，即發(fā)熱量與Fz值。它們都要高于某一定值，否則燃燒將會(huì)發(fā)生困難。Fz是以小顆粒碳的均溫模型為基礎(chǔ)的，也適用于大顆粒碳。
評(píng)論