據(jù)統(tǒng)計截至2019年底，中國在運煤電裝機容量為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8.9%。盡管隨著碳達峰和碳減排目標的制定，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行中，對于地球而言，的確是一個負擔和問題。中國的碳達峰和碳中和目標的實現(xiàn)難度實在太大。
在這樣的背景下，再來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
上周，應邀陪同幾位專家去內(nèi)蒙參加一個發(fā)電集團的降低煤耗的研討會，會上介紹，這個擬服務(wù)電廠的供電煤耗高達370多克/kwh，比業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀水平高出將近百克，整個一個上世紀中期水平。
為了準備好這個研討會，也為了專業(yè)人士統(tǒng)一語境，我利用周末的兩天時間，研讀了一遍清華已故教授傅維鑣老先生多年前的一部學術(shù)專著《煤燃燒理論及其宏觀通用規(guī)律》，讓我這個學核能的對煤炭這個化石能源增加了不少認識，其實煤炭的燃燒規(guī)律比我們核裂變要復雜得多，掌控規(guī)律方面也要困難得多。后面附上讀書筆記與大家分享。
這里主要想說的是，我在會上發(fā)言中指出，發(fā)電機組煤耗太高，表面上是技術(shù)原因或設(shè)備原因，其實是管理原因，根本是員工的士氣和責任心問題。企業(yè)長期不重視管理培訓，員工不掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的方法，企業(yè)的管理機制和激勵機制沒有建立起來，導致干部員工盡管人在電廠工作，但忙的是都是“別人家的事”，拿出來裝修自己房子和保養(yǎng)自己愛車的勁頭的十分之一都沒有，再好的設(shè)備、再先進的技術(shù)，到了他們手里，也是運維不好。歸根到底，是員工職業(yè)化修煉嚴重缺位，企業(yè)文化不夠優(yōu)良。
按照我國工人階級的光榮傳統(tǒng)，設(shè)備沒有維護好、煤耗如此之高，應該是吃不下飯、睡不著覺才行，應該是趕緊行動起來，用心分析問題原因，認真進行技術(shù)改進、運維改進才正常，而不是在“差不多”、“還湊活”的心態(tài)下，心安理得地得過且過。
更為重要的是，在碳中和承諾發(fā)布后的新時期，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)的政治責任和歷史使命，能源行業(yè)的領(lǐng)導者、電力企業(yè)的管理者、燃煤電廠的工作人員，一定要對標先進電廠，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被有可能同步提升的電廠高煤耗所中和，我國到2060年的碳中和目標才有可能實現(xiàn)。
煤燃燒理論要點
當煤粒進入高溫爐膛后，由于受到高溫加熱，便開始熱解(也稱揮發(fā)分析出)。熱解后的煤呈多孔狀結(jié)構(gòu)，稱為煤焦(或碳)。
揮發(fā)分及煤焦都會著火，燃燒，其中煤焦的燃盡是煤燃燒的主要過程。
所以煤粒進入高溫爐膛后將經(jīng)歷加熱、熱解、著火與燃盡的復雜物理、化學過程。
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)稱為揮發(fā)分，它包含H2O、C2H6，CO，CH4，N2，O2，H2及焦油。
煤的熱解機理較復雜。一般簡化為以下兩階段，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，前者參與反應。
當煤粒受熱后，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，煤粒轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N稱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。
塑性體一旦形成，它將繼續(xù)參與反應，產(chǎn)生氮氣及其它各種輕氣體、重烴氣體和焦油等，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)分析中煤的熱解過程屬于中等速度熱解。
快速加熱與慢速加熱對揮發(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有很大不同。
揮發(fā)分的最終產(chǎn)量與熱解速率無關(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。
不同的煤在熱解過程中具有不同的膨脹特性。一般在氮氣或還原性氣氛中，其膨脹率(直徑比)較大，最高可達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。
煤的熱解過程十分復雜，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、加熱時間等。
熱解的初始產(chǎn)物在逸出途中可能發(fā)生二次反應，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。
各種試驗分析得出的共同結(jié)論：
(1)揮發(fā)分析出量隨時間大體呈指數(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組成的，這些官能團包括羧基、羥基、醚、脂肪、芳香烴等。
羥基：由氫和氧兩種原子組成的一價原子團(-OH)也叫氫氧基。
羧基：由羰基和羥組成的一價原子團(-COOH)。
羰基：由碳和氧兩種原子組成的二價原子團(>C=O)。
不同的官能團在熱解時將產(chǎn)生不同的產(chǎn)物，例如羧基熱解時將產(chǎn)生CO2，羥基熱解時將產(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：醚是一個氧原子連接兩個烴基而成的化合物(如甲醚，乙醚等)烴基：烴分子是一個或幾個氫原子而成的基團，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，是動植物油脂的主要部分。
脂肪：由三個脂肪酸分子和一個甘油分子化合而成，存在于人體和動物的皮下組織以及植物體中。脂肪是生物體內(nèi)儲存能量的物質(zhì)。
各官能團含量隨煤種而變，焦油的成分與煤中的有機物成分相同。煤中官能團在熱解過程中逐漸減少是通過兩種相互競爭的過程實現(xiàn)的。一是官能團獨立充分熱解釋放出氣體，另一則是官能團作為焦油釋放出來。
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，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，近年來國內(nèi)外均在發(fā)展煤的加壓燃燒和加壓氣化技術(shù)。實驗證明，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，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。
當揮發(fā)分從煤粒中析出后，便于周圍空氣混合，在一定的溫度和濃度的條件下便著火。揮發(fā)分的燃燒類似于其他可燃氣體的燃燒，其燃燒速率很快。因此就其對煤的燃盡速率而言，影響不大。但這一反應過程對于控制氧化氮(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)過熱解后，由于揮發(fā)分的析出，使其呈多孔狀結(jié)構(gòu)，稱為煤焦或炭。煤焦的燃盡過程較長，是煤燃燒過程的主要組成部分，其燃燒的完全與否，將決定煤的利用程度，即燃燒效率。
除反應物的濃度外，燃燒速度主要受兩類因素影響。一類是化學因素，包括碳的種類，活化中心的數(shù)量，灰的催化作用等。另一類是物理因素，例如比表面積，內(nèi)孔擴散及環(huán)境中氧的擴散等。
簡化分析：在相對靜止的空氣中，在碳粒表面只有下列三個反應：
這三個反應的活化能相差很大，Ec > Eb > Ea
根據(jù)煤焦燃燒反應動力學參數(shù)與煤種的通用關(guān)系，可以預報煤種變化對燃燒過程的影響，可較準確地預報爐內(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)濟性。
煤的氣化反應，即CO2+C→2CO和C+H2O→H2+CO,是煤的氣化過程的基礎(chǔ)。
煤粒表面與氧反應將生成CO及CO2，尤其在溫度較低時，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碳粒的溫升過程及著火過程有著十分重要的作用，這是因為 C+O2→CO2 反應所釋放的電量幾乎三倍于C+O2→CO2的反應，這樣對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(又稱移動床)燃燒效率不高，或只能燒高揮發(fā)分煤而不能燒貧煤、無煙煤等低揮發(fā)分煤，其主要原因也在于煤的著火問題。由于進爐膛后的煤不能及時著火，致使隨鏈條移動的煤在爐內(nèi)停留時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。而且減少了對環(huán)境的污染。
煤粉越細越容易著火，直徑減小，著火溫度增加，但加熱速率增加很大，短時間內(nèi)就能達到所需溫度，實際燃燒設(shè)備中加熱區(qū)長度是有限的。
氧濃度對著火的影響不如對熄火的影響大。
在磨煤過程中，有的煤粉含灰量特別大，有的特別小，所以對煤粉來說，其著火試驗只能通過不斷調(diào)整爐溫，使其達到著火溫度，這時煤粉將出現(xiàn)整體著火。
Fz=(Vad+Mad)2 Cad *100 是與煤種有關(guān)的一個無因次參數(shù)。此值越大，其著火性能越好。因此稱其為著火特性指標。(Vad+Mad)表示由于揮發(fā)分和內(nèi)在水析出后在炭內(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。
過去有的電廠進煤時只考慮煤的發(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。
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