一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法及应用.pdf

本发明公开了一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法及应用，特别适用于煤粉燃烧器周界风风量的控制。煤的挥发分是加热到一定阶段析出的气态物质，这种物质的元素组成不同于原煤，它是中间产物，只瞬间存在于燃烧过程中；本发明通过对原煤工业成分和元素成分等常规项目的检测，确定煤挥发分燃烧所需要的空气量，这使得在煤的挥发分燃烧和煤焦燃烧的主要阶段进行准确的空气配送得以实现：根据挥发分燃烧所需空气量以及周界风挡板流量特性曲线，控制周界风挡板的开度，可以满足挥发分燃烧阶段空气量的控制要求，从而获得最大经济和环保效益；由于煤的常规成分检测在企业生产的化学实验室即可完成，因此，本方案实施方便，可操作性强。

权利要求书
1.  一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对原煤分别进行全水分测定、工业分析和煤元素分析，获得相应的煤质特性分析指 标；
2)根据煤基准换算公式，获得煤的收到基固定碳含量，收到基灰分含量以及收到基碳 含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量；
3)根据煤的收到基固定碳含量求得1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气 质量；
4)根据煤的收到基水分含量、收到基灰分含量以及收到基碳含量、收到基氢含量、收 到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量，计算1千克煤完全燃烧所需的空气质量；
5)根据1千克煤产生的挥发分燃烧所需的空气质量＝1千克煤完全燃烧所需的空气质量 -1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量，求得挥发分燃烧所需的空气量。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煤的收到基水分含量、煤的空气干燥基 水分含量①空气干燥基灰分含量①和空气干燥基挥发分含量通过全水分测定和工业分析获 得；所述空气干燥基碳含量、空气干燥基氢含量、空气干燥基氧含量、空气干燥基氮含量、 空气干燥基硫含量、空气干燥基灰分含量②和空气干燥基水分含量②通过煤元素分析获得。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收到基碳含量、收到基氢含量、收到基 氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量计算方法如下：
先计算系数③：
系数③＝(100-收到基水分含量-收到基灰分含量)÷100
再计算各种收到基煤元素含量：
收到基碳含量＝系数③×干燥无灰基碳含量；
收到基氢含量＝系数③×干燥无灰基氢含量；
收到基氧含量＝系数③×干燥无灰基氧含量；
收到基氮含量＝系数③×干燥无灰基氮含量；
收到基硫含量＝系数③×干燥无灰基硫含量。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥无灰基碳含量、干燥无灰基氢含量、 干燥无灰基氧含量、干燥无灰基氮含量、干燥无灰基硫含量的计算方法如下：
先计算系数②：
系数②＝100÷(100-空气干燥基灰分含量②-空气干燥基水分含量②)
再计算各种干燥无灰基元素含量：
干燥无灰基碳含量＝系数②×空气干燥基碳含量；
干燥无灰基氢含量＝系数②×空气干燥基氢含量；
干燥无灰基氧含量＝系数②×空气干燥基氧含量；
干燥无灰基氮含量＝系数②×空气干燥基氮含量；
干燥无灰基硫含量＝系数②×空气干燥基硫含量。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述收到基固定碳含量和收到基灰分含量的 计算方法如下：
先计算系数①：
系数①＝(100-收到基水分含量)÷(100-空气干燥基水分含量①)
再计算收到基灰分含量：
收到基灰分含量＝系数①×空气干燥基灰分含量
最后计算收到基固定碳含量：
收到基固定碳含量＝100-收到基水分含量-收到基灰分含量-系数①×空气干燥基挥发 分含量。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需 要的空气质量的计算方法如下：
1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量＝0.1151×收到基固定碳含量。

7.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1千克煤完全燃烧所需的空气质量的计 算方法如下：
1千克煤完全燃烧所需的空气质量＝0.1151×收到基碳含量+0.3430×收到基氢含量+ 0.0431×收到基硫含量-0.0432×收到基氧含量。

8.  一种根据煤的挥发分燃烧所需空气量控制燃煤锅炉周界风挡板的开度方法，其特征在 于，包括如下步骤：
1)对原煤分别进行全水分测定、工业分析和煤元素分析，获得相应的煤质特性分析指 标；
2)根据煤基准换算公式，获得煤的收到基固定碳含量，收到基灰分含量以及收到基碳 含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量；
3)根据煤的收到基固定碳含量求得1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气 质量；
4)根据煤的收到基水分含量、收到基灰分含量以及收到基碳含量、收到基氢含量、收 到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量，计算1千克煤完全燃烧所需的空气质量；
5)根据1千克煤产生的挥发分燃烧所需的空气质量＝1千克煤完全燃烧所需的空气质量 -1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量，求得挥发分燃烧所需的空气量；
6)根据煤挥发分燃烧需要的空气量和周界风挡板流量特性曲线调整燃煤锅炉周界风挡 板的开度，使周界风和一次风风量之和与实际生产要求相适应。

说明书一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法及应用
技术领域
本发明属于热能工程领域，涉及一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法及应用。
背景技术
在电力、机械、冶金和化工等行业中，常常利用煤粉在锅炉炉膛内燃烧以加热水产生动 力蒸汽。煤粉在炉膛内燃烧要经历水分蒸发干燥、挥发分析出燃烧、焦炭着火燃尽等阶段； 在煤粉的不同燃烧阶段，送入合理的空气量，不仅能够提高燃烧效率，而且还能降低氮氧 化物的排放；因此，大容量锅炉在炉膛垂直方向上布置多种类型的空气喷嘴，这些喷嘴在 不同燃烧阶段补充适当数量的空气，对燃烧过程进行精确控制，以获得最大的经济和环保 效益。常用的空气喷嘴有周界风、辅助风、紧凑燃尽风和分离燃尽风等，其中周界风的主 要作用，一是冷却煤粉喷嘴，二是调节煤粉喷嘴出口处空气和煤粉的比例，与输送煤粉的 一次风共同提供煤的挥发分燃烧所需的空气；三是通过调节喷嘴出口处煤粉和空气的比例， 控制挥发分燃烧期间氮氧化物(NOx)的生成。
因此，周界风风量的调整和控制与煤挥发分燃烧所需要的空气量密切相关。挥发分是煤 粉加热到一定阶段析出的气态物质，这种物质的元素组成不同于原煤，它是中间产物，只 瞬间存在于燃烧过程中；在原理上，通过测定挥发分中各种元素的含量，对其中可燃成分 进行燃烧化学计算分析，可以得到挥发分燃烧所需的空气量；但这种方法测量系统复杂， 成本高，在实际生产中，还未见通过测定挥发分的元素含量来确定燃烧所需的空气量；目 前，由于挥发分燃烧所需要的空气量缺乏检测手段，周界风风量的控制还处于较为盲目的 阶段。
而原煤成分和发热量等指标的检测方法已非常成熟，煤工业成分和元素成分的检测在实 际生产中已成为日常工作；本发明通过对煤常规成分的检测，确定挥发分燃烧所需的空气 量，无需对挥发分进行实际采样和独立测定，这一发明使煤粉燃烧器周界风风量的准确控 制得以实现。
发明内容
为解决现有技术存在的缺点，本发明具体公开了一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方 法。
本发明采用的技术方案如下：
一种确定煤挥发分燃烧所需空气量的方法，包括如下步骤：
1)对原煤分别进行全水分测定、工业分析和煤元素分析，获得相应的煤质特性分析指 标；
2)根据煤基准换算公式，获得煤的收到基固定碳含量，收到基灰分含量以及收到基碳 含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量，上述含量均为质量 百分比；
3)根据煤的收到基固定碳含量求得1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气 质量；
4)根据煤的收到基水分含量、收到基灰分含量以及收到基碳含量、收到基氢含量、收 到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量，计算1千克煤完全燃烧所需的空气质量；
5)根据1千克煤产生的挥发分燃烧所需的空气质量＝1千克煤完全燃烧所需的空气质量 -1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量，求得挥发分燃烧所需的空气量。
进一步地，所述煤的收到基水分含量、煤的空气干燥基水分含量①空气干燥基灰分含 量①和空气干燥基挥发分含量通过全水分测定和工业分析获得；所述空气干燥基碳含量、 空气干燥基氢含量、空气干燥基氧含量、空气干燥基氮含量、空气干燥基硫含量、空气干 燥基灰分含量②和空气干燥基水分含量②通过煤元素分析获得。(上述煤质特性指标含义参 见：[1]张军，电力用煤煤质特性指标浅析[J].煤质技术2007.6)
进一步地，所述收到基碳含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到 基硫含量计算方法如下：
先计算系数③：
系数③＝(100-收到基水分含量-收到基灰分含量)÷100
再计算各种收到基煤元素含量：
收到基碳含量＝系数③×干燥无灰基碳含量；
收到基氢含量＝系数③×干燥无灰基氢含量；
收到基氧含量＝系数③×干燥无灰基氧含量；
收到基氮含量＝系数③×干燥无灰基氮含量；
收到基硫含量＝系数③×干燥无灰基硫含量。
进一步地，所述干燥无灰基碳含量、干燥无灰基氢含量、干燥无灰基氧含量、干燥无灰 基氮含量、干燥无灰基硫含量的计算方法如下：
先计算系数②：
系数②＝100÷(100-空气干燥基灰分含量②-空气干燥基水分含量②)
再计算各种干燥无灰基元素含量：
干燥无灰基碳含量＝系数②×空气干燥基碳含量；
干燥无灰基氢含量＝系数②×空气干燥基氢含量；
干燥无灰基氧含量＝系数②×空气干燥基氧含量；
干燥无灰基氮含量＝系数②×空气干燥基氮含量；
干燥无灰基硫含量＝系数②×空气干燥基硫含量。
进一步地，所述收到基固定碳含量和收到基灰分含量的计算方法如下：
先计算系数①：
系数①＝(100-收到基水分含量)÷(100-空气干燥基水分含量①)
再计算收到基灰分含量：
收到基灰分含量＝系数①×空气干燥基灰分含量
最后计算收到基固定碳含量：
收到基固定碳含量＝100-收到基水分含量-收到基灰分含量-系数①×空气干燥基挥发 分含量。
进一步地，所述1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量的计算方法如下：
1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量＝0.1151×收到基固定碳含量。
进一步地，所述1千克煤完全燃烧所需的空气质量的计算方法如下：
1千克煤完全燃烧所需的空气质量＝0.1151×收到基碳含量+0.3430×收到基氢含量+ 0.0431×收到基硫含量-0.0432×收到基氧含量。
煤元素分析获得的各指标的作用是构成了完整的元素成分分析，通过检查元素成分之 和是否为100％，初步判断该项检测的准确性。
本发明还提供了一种根据煤的挥发分燃烧所需空气量控制燃煤锅炉周界风挡板的开度 方法，包括如下步骤：
1)对原煤分别进行全水分测定、工业分析和煤元素分析，获得相应的煤质特性分析指 标；
2)根据煤基准换算公式，获得煤的收到基固定碳含量，收到基灰分含量以及收到基碳 含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量；
3)根据煤的收到基固定碳含量求得1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气 质量；
4)根据煤的收到基水分含量、收到基灰分含量以及收到基碳含量、收到基氢含量、收 到基氧含量、收到基氮含量、收到基硫含量，计算1千克煤完全燃烧所需的空气质量；
5)根据1千克煤产生的挥发分燃烧所需的空气质量＝1千克煤完全燃烧所需的空气质量 -1千克煤产生的固定碳完全燃烧时所需要的空气质量，求得挥发分燃烧所需的空气量；
6)根据煤挥发分燃烧需要的空气量和周界风挡板流量特性曲线调整燃煤锅炉周界风挡 板的开度，使周界风和一次风风量之和与实际生产要求相适应。
本发明的有益效果是，对于不同煤种，本发明能够通过对原煤成分的常规检测，得到 该煤的挥发分燃烧所需要的空气量，可用于确定挥发分析出和燃烧阶段送入的空气量，提 高煤燃烧的经济和环保效益；在实际生产中，挥发分析出和燃烧阶段送入的空气量由输送 煤粉的一次风和周界风风量组成，通过调节周界风挡板开度，可以调节挥发分析出和燃烧 阶段送入的空气量。
附图说明
图1为某锅炉煤粉燃烧器周界风挡板流量特性曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体方案进行详细说明。
挥发分是煤燃烧过程的中间产物，它从煤中析出后随即燃烧，本发明通过对原煤成分 常规项目的检测，无需对挥发分进行成分化验即能确定其燃烧所需要的空气量，从而对挥 发分燃烧和煤焦燃烧等两个主要阶段的空气配送进行准确控制；本方案在实施过程中，对 原煤的检测主要是煤的工业成分和元素成分中的一部分项目，企业生产中配置的化学实验 室一般都能完成这些项目的检测，因此本方案实施方便；现以某锅炉的燃用煤缩分样品为 例，详细介绍这种方法的具体工艺步骤。
步骤1：将煤的缩分样品送实验室，利用全水分测定仪测定煤的收到基水分含量，该样 品的测定结果为13.60％；
步骤2：在实验室内，利用工业分析仪测定煤的空气干燥基水分含量①、空气干燥基灰 分含量①和空气干燥基挥发分含量，对于该样品，结果分别为4.18％、22.16％和30.48％；
步骤3：在实验室内，利用元素分析仪测定煤的空气干燥基碳含量、空气干燥基氢含量、 空气干燥基氧含量、空气干燥基氮含量、空气干燥基硫含量、空气干燥基灰分含量②、空 气干燥基水分含量②，对于该样品，结果分别为59.22％、3.64％、8.42％、0.90％、1.14％、 22.21％、4.47％；
步骤4：将步骤1和步骤2得到的数据输入计算机，计算煤的收到基灰分含量和收到基 固定碳含量，方法如下：
先计算系数①：
系数①＝(100-收到基水分含量)÷(100-空气干燥基水分含量①)
＝(100-13.60)÷(100-4.18)
＝0.90
再计算收到基灰分含量和收到基固定碳含量：
收到基灰分含量＝系数①×空气干燥基灰分含量
＝0.90×22.16
＝19.98
收到基固定碳含量＝100-收到基水分含量-收到基灰分含量-系数①×空气干燥基挥发 分含量
＝100-13.60-19.98-0.90×30.48
＝38.94
步骤5：根据步骤3得到的数据，计算煤的干燥无灰基元素含量，方法如下：
先计算系数②：
系数②＝100÷(100-空气干燥基灰分含量②-空气干燥基水分含量②)
＝100÷(100-22.1-4.47)
＝1.36
再计算各种干燥无灰基元素含量：
干燥无灰基碳含量＝系数②×空气干燥基碳含量＝1.36×59.22＝80.77
干燥无灰基氢含量＝系数②×空气干燥基氢含量＝1.36×3.64＝4.96
干燥无灰基氧含量＝系数②×空气干燥基氧含量＝1.36×8.42＝11.48
干燥无灰基氮含量＝系数②×空气干燥基氮含量＝1.36×0.90＝11.48
干燥无灰基硫含量＝系数②×空气干燥基硫含量＝1.36×1.14＝11.48
步骤6：根据步骤1得到的收到基水分含量、步骤4得到的收到基灰分含量以及步骤5 得到的数据，计算煤的收到基碳含量、收到基氢含量、收到基氧含量、收到基氮含量、收 到基硫含量，方法如下：
先计算系数③：
系数③＝(100-13.60-19.98)÷100
＝0.66
再计算各种收到基元素含量：
收到基碳含量＝系数③×干燥无灰基碳含量＝0.66×80.77＝53.65
收到基氢含量＝系数③×干燥无灰基氢含量＝0.66×4.96＝3.30
收到基氧含量＝系数③×干燥无灰基氧含量＝0.66×11.48＝7.63
收到基氮含量＝系数③×干燥无灰基氮含量＝0.66×11.48＝0.82
收到基硫含量＝系数③×干燥无灰基硫含量＝0.66×11.48＝1.03
步骤7：利用步骤4得到的收到基固定碳含量，计算1千克煤产生的固定碳完全燃烧所 需要的空气质量：
1千克煤产生的固定碳完全燃烧所需要的空气质量＝0.1151×收到基固定碳含量
＝0.1151×38.94
＝4.48
步骤8：利用步骤1得到的收到基水分含量、步骤4得到的收到基灰分含量以及步骤6 得到的数据，计算1千克煤完全燃烧所需的空气质量，方法如下：
1千克煤完全燃烧所需的空气质量＝0.1151×收到基碳含量+0.3430×收到基氢含量+ 0.0431×收到基硫含量-0.0432×收到基氧含量
＝0.1151×53.65+0.3430×3.30+0.0431×1.03-0.0432×7.63
＝7.02
步骤9：利用步骤7和步骤8得到的数据，计算挥发分燃烧所需的空气量如下：
1千克煤产生的挥发分燃烧所需的空气质量＝1千克煤完全燃烧所需的空气质量-1千克 煤产生的固定碳完全燃烧所需要的空气质量
＝7.02-4.48
＝2.54
上述计算结果汇总见表1的样品1，表中样品2和样品3是另外两个样品的实施结果， 其中样品1为烟煤，样品2为贫煤，样品3为无烟煤，对于这三种煤，挥发分燃烧所需空 气量占煤燃烧所需空气量的百分比分别为2.54/7.02＝36％、1.42/8.30＝17％、1.10/8.51＝13％， 与上述三种煤的一次风率设计的经验值相吻合。
样品1为某锅炉的实际燃用煤，对于该锅炉的燃烧器喷口B1，喷口四周是周界风，中 间是一次风及其输送的煤粉，在某运行状态下，从该喷口进入炉膛的煤量为8.65t/h，一次 风风量为19.86t/h；这些煤的挥发分燃烧需要的空气流量为
8.65×2.54＝21.96t/h
如果选择周界风和一次风风量之和等于挥发分燃烧需要的空气量，需要供给的周界风流 量为
21.96-19.86＝2.10t/h
附图1是该周界风挡板流量特性曲线，从图中可以看出，要保证2.10t/h的周界风流量， 当周界风风箱和炉膛之间的压差为800Pa时，应将周界风挡板打开至45％的开度；当周界 风风箱和炉膛之间的压差为600Pa时，应将周界风挡板打开至70％的开度；现场采用压差 为800Pa、挡板开度为45％的运行方式，炉膛内燃烧器出口的煤粉气流混合良好，着火及时， 距离适中，火焰明亮，具有很强的稳定燃烧能力。
对于有些煤种，降低氮氧化物排放是迫切的需要，这时，选择周界风和一次风风量之和 小于挥发分燃烧所需的空气量，使挥发分燃烧过程处于适当的缺氧状态，使燃烧效率和环 保效益得到恰当的平衡，采用周界风挡板同样可以准确地实现缺氧状态下周界风风量的控 制。
表1

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。