煤质特性对电站锅炉燃烧效率及污染物排放的影响

1、引言

在电力生产领域，电站锅炉作为核心设备，其运行性能对电力供应的稳定性与经济性至关重要。煤质特性的差异会显著影响电站锅炉的燃烧效率和污染物排放情况。随着环保要求的日益严格，深入研究煤质特性与电站锅炉运行之间的关系，对于提高锅炉燃烧效率、降低污染物排放、实现电力行业的可持续发展具有重要意义。

2、煤质特性的主要指标

2.1 水分

水分是煤中重要的无机成分，分为内在水分和外在水分。内在水分吸附于煤的孔隙结构中，外在水分附着于煤的表面。水分含量直接影响煤的热值，水分越高，煤的实际可利用热量越低。同时，水分蒸发需要消耗热量，会降低炉膛温度，影响燃烧进程。此外，水分对煤的运输、储存及燃烧稳定性也存在间接影响。

2.2 灰分

灰分是煤燃烧后残留的固体残渣，主要由硅、铝、铁、钙等氧化物组成。灰分含量反映煤中无机杂质的多少，其存在会降低煤的可燃成分比例。灰分的熔融特性，如变形温度、软化温度、流动温度，对锅炉受热面结渣、积灰情况影响显著，进而关系到锅炉的安全运行。

2.3 挥发分

挥发分是煤在隔绝空气条件下加热分解产生的气态物质，主要包括甲烷、氢气、一氧化碳及各类烃类化合物。挥发分含量是衡量煤燃烧性能的重要指标，其高低直接影响煤的着火难度和燃烧速度。挥发分释放速率与煤的变质程度相关，变质程度越低，挥发分含量越高，越容易着火。

2.4 固定碳

固定碳是煤中除去水分、灰分、挥发分后的可燃固体成分，是煤燃烧放热的主要来源。固定碳含量高的煤，热值通常较高，但燃烧速度较慢，需要更长的燃烧时间和更高的温度才能完全燃烧。固定碳的含量与煤的变质程度正相关，无烟煤的固定碳含量显著高于褐煤。

2.5 硫分

硫分以有机硫、无机硫（如黄铁矿硫）和硫酸盐硫的形式存在于煤中，其中有机硫和黄铁矿硫为可燃硫，燃烧时生成二氧化硫。硫分含量是衡量煤环保性能的关键指标，直接决定燃烧过程中硫氧化物的排放量，对后续脱硫工艺的运行负荷影响重大。

3、煤质特性对电站锅炉燃烧效率的影响

3.1 水分的影响

水分含量升高会降低煤的低位发热量，导致单位发电量的煤耗增加。燃烧过程中，水分蒸发吸收热量，使炉膛平均温度下降，减缓燃烧反应速度，尤其对高水分煤，易造成燃烧不完全。同时，水分过高会降低煤粉的干燥度，影响煤粉的流动性和着火性能，导致火焰传播速度减慢，炉膛出口烟温升高，增加排烟热损失，降低锅炉热效率。但适度水分可促进煤粉在炉膛内的分散，减少局部高温区，在一定条件下对燃烧稳定性有微弱积极作用。

3.2 灰分的影响

灰分含量增加会降低煤的可燃成分比例，导致相同负荷下的燃煤量增加。灰分在燃烧过程中不参与放热，反而会吸收热量并随烟气排出，增加排烟热损失。此外，灰分易在受热面形成积灰和结渣，降低受热面的传热效率，使排烟温度升高。灰分的磨损性还会加剧炉膛水冷壁、过热器等部件的磨损，影响锅炉的安全运行周期，间接降低设备的整体运行效率。

3.3 挥发分的影响

挥发分含量适中的煤着火温度低，着火迅速，燃烧速度快，能在炉膛内形成稳定的火焰，有利于燃烧完全。挥发分过低（如无烟煤），着火困难，需要更高的炉膛温度和更长的停留时间，易导致燃烧不完全，增加机械未完全燃烧热损失。挥发分过高（如褐煤），若煤粉制备不当，易造成挥发分在炉膛内快速集中释放，引发局部高温和爆燃风险，同时可能因燃烧速度过快导致未燃尽的挥发分随烟气排出，增加化学未完全燃烧热损失。

3.4 固定碳的影响

固定碳是煤燃烧放热的核心成分，其含量高意味着煤的热值高，理论上可提高燃烧效率。但固定碳燃烧反应速率慢，需要充足的氧气供应和足够的燃烧时间。若炉膛设计或运行参数不匹配，固定碳易残留形成焦炭，增加机械未完全燃烧损失。尤其是固定碳含量高且挥发分低的煤种，若混合不均匀或空气供给不足，燃烧效率会显著下降。

4、煤质特性对污染物排放的影响

4.1 对氮氧化物排放的影响

挥发分中的氮元素在燃烧初期会快速释放并形成大量燃料型氮氧化物。高挥发分煤在燃烧时，挥发分集中释放易形成局部富氧区和高温区，促进氮氧化物的生成。固定碳燃烧阶段，焦炭中的氮会缓慢释放，其转化为氮氧化物的比例与燃烧温度、氧气浓度相关。灰分中的某些成分（如氧化铁、氧化钙）对氮氧化物有一定还原作用，可降低其排放浓度，但影响程度受灰分含量和形态限制。

4.2 对二氧化硫排放的影响

煤中硫分含量是决定二氧化硫排放量的根本因素，可燃硫含量越高，燃烧生成的二氧化硫越多。硫分的存在形态也有影响，黄铁矿硫燃烧时释放二氧化硫的速度快于有机硫。灰分中的钙、镁等碱性氧化物可与二氧化硫发生反应，形成硫酸盐固留在灰中，起到一定固硫作用，因此高灰分煤若碱金属含量高，二氧化硫排放会略有降低，但这种固硫效果远低于专门的脱硫设备。

4.3 对颗粒物排放的影响

灰分是颗粒物排放的主要来源，灰分含量越高，燃烧产生的飞灰和底渣量越大，颗粒物排放量随之增加。灰分的粒度分布影响颗粒物的排放特性，细颗粒灰易随烟气排出，增加除尘器的处理负荷。灰分的熔融特性也会影响颗粒物形态，若燃烧温度接近或超过灰分软化温度，会形成熔融态颗粒，冷却后成为坚硬的球形颗粒，更难被捕获。此外，高水分煤燃烧时产生的蒸汽可能促使细颗粒团聚，对颗粒物排放浓度产生微弱影响。

5、应对煤质特性影响的策略

5.1 煤质预处理

对高水分煤进行干燥处理，降低水分含量至合理范围，减少燃烧过程中的热损失。采用洗选工艺降低煤中灰分和硫分含量，尤其是去除黄铁矿等无机硫，从源头减少污染物生成。对不同煤种进行配煤，通过调整挥发分、固定碳、硫分等指标的比例，使混合煤质适应锅炉设计要求，平衡燃烧效率和污染物排放。

5.2 锅炉运行参数优化

根据煤质挥发分含量调整炉膛温度和过量空气系数，对高挥发分煤适当降低炉膛温度，减少氮氧化物生成；对低挥发分煤提高炉膛温度，保证着火稳定。针对高灰分煤，优化吹灰频率和强度，减少受热面积灰和结渣，维持良好的传热效率。根据煤的燃烧特性调整煤粉细度和一次风率，确保煤粉在炉膛内充分燃烧，降低机械未完全燃烧损失。

5.3 污染物控制技术升级

针对高硫煤，采用高效脱硫技术，如石灰石 - 石膏法、氨法等，提高二氧化硫脱除效率。对氮氧化物排放浓度高的情况，应用选择性催化还原（SCR）、选择性非催化还原（SNCR）等脱硝技术，结合低氮燃烧技术，实现氮氧化物达标排放。升级除尘设备，采用电袋复合除尘器、湿式电除尘器等高效除尘技术，提高细颗粒物去除效率，应对高灰分煤的颗粒物排放问题。

6、结论

煤质特性通过水分、灰分、挥发分、固定碳、硫分等指标，从燃烧热损失、燃烧稳定性、污染物生成机制等多个方面影响电站锅炉的燃烧效率和污染物排放。高水分和高灰分主要降低燃烧效率，挥发分和固定碳含量影响燃烧完全性，硫分和氮元素是污染物的主要来源。通过煤质预处理、运行参数优化、污染物控制技术升级及煤质监测管理等策略，可有效缓解煤质特性带来的不利影响。

参考文献：

[1] 李宇航 , 田舒嫚 , 张普选 , 等 . 燃煤电站锅炉掺氨燃烧特性及对锅炉影响研究进展 [J]. 热力发电 , 2025, 54 (05): 13-24.