田力：降低煤耗是燃煤電廠的政治責任和歷史使命

　　據統計截至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蒙參加一個發電集團的降低煤耗的研討會，會上介紹，這個擬服務電廠的供電煤耗高達370多克/kwh，比業內最優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，也為了專業人士統一語境，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專著《煤燃燒理論及其宏觀通用規律》，讓我這個學核能的對煤炭這個化石能源增加了不少認識，其實煤炭的燃燒規律比我們核裂變要復雜得多，掌控規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，我在會上發言中指出，發電機組煤耗太高，表面上是技術原因或設備原因，其實是管理原因，根本是員工的士氣和責任心問題。企業長期不重視管理培訓，員工不掌握發現問題、分析問題和解決問題的方法，企業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自己愛車的勁頭的十分之一都沒有，再好的設備、再先進的技術，到了他們手里，也是運維不好。歸根到底，是員工職業化修煉嚴重缺位，企業文化不夠優良。

　　按照我國工人階級的光榮傳統，設備沒有維護好、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，認真進行技術改進、運維改進才正常，而不是在“差不多”、“還湊活”的心態下，心安理得地得過且過。

　　更為重要的是，在碳中和承諾發布后的新時期，降低煤耗、減少二氧化碳和溫室氣體排放，已經上升為電力工業的政治責任和歷史使命，能源行業的領導者、電力企業的管理者、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，我們可再生能源領域、新能源領域、核能領域以及建筑節能領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。

　　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(也稱揮發分析出)。熱解后的煤呈多孔狀結構，稱為煤焦(或碳)。

　　揮發分及煤焦都會著火，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，由大分子結構裂解成許多小分子的氣態和液態產物，統稱為揮發分，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，即煤由活性結構與非活性結構兩部分構成，后者不參與反應，前者參與反應。

　　當煤粒受熱后，活性結構一方面釋放CO₂和H₂O(速率系數為K1),于此同時，煤粒轉變為一種稱之為塑料體的中間產物(速度系數為Km)，這是第一階段反應。

　　塑性體一旦形成，它將繼續參與反應，產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。

　　揮發分的成分與加熱速率關系密切。煤粉鍋爐中的煤粉熱解屬于快速熱解。許多碳化工業及熱天平分析屬于慢速熱解。固定床、流化床及工業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分的形成有很大影響，其揮發分析出的速率及其成分會有很大不同。

　　揮發分的最終產量與熱解速率無關，而與煤粒加熱的終溫關系極大，揮發分的最終產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，例如煤種、煤粒尺寸、加熱速率、煤粒終溫、壓力、加熱時間等。

　　熱解的初始產物在逸出途中可能發生二次反應，如裂解、凝結、化合和再聚合。因此得到的最終產物并非是最初產物。

　　各種試驗分析得出的共同結論：

　　(1)揮發分析出量隨時間大體呈指數規律增加。

　　(2)揮發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分產量要高于工業分析值。

　　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生不同的產物，例如羧基熱解時將產生CO₂，羥基熱解時將產生H₂O，醚將產生CO，脂肪將產生CH₄，C2H₂，芳香烴將產生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。脂肪是生物體內儲存能量的物質。

　　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，減少工業設備的尺寸和投資，近年來國內外均在發展煤的加壓燃燒和加壓氣化技術。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分的析出量只有較小差別，且壓力越高差別越小。

　　當揮發分從煤粒中析出后，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定都非常重要。

　　煤經過熱解后，由于揮發分的析出，使其呈多孔狀結構，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，活化中心的數量，灰的催化作用等。另一類是物理因素，例如比表面積，內孔擴散及環境中氧的擴散等。

　　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

　　根據煤焦燃燒反應動力學參數與煤種的通用關系，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溫度分布及飛灰含碳量，前者將決定燃燒的穩定性，即其安全性，后者將決定鍋爐的經濟性。

　　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。

　　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，后者屬于揮發分的著火。只有煤焦著火，才能說煤粉氣流已處于穩定的燃燒中。揮發分越高的煤越易著火。

　　鏈條爐(又稱移動床)燃燒效率不高，或只能燒高揮發分煤而不能燒貧煤、無煙煤等低揮發分煤，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，短時間內就能達到所需溫度，實際燃燒設備中加熱區長度是有限的。

　　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整爐溫，使其達到著火溫度，這時煤粉將出現整體著火。

　　Fz=(V_ad+M_ad)2 C_ad *100 是與煤種有關的一個無因次參數。此值越大，其著火性能越好。因此稱其為著火特性指標。(V_ad+M_ad)表示由于揮發分和內在水析出后在炭內部形成空隙的程度。即(V_ad+M_ad)越大，其比表面積越大，炭的活性也就越大，就更易著火。C_ad表示炭中含碳量的大小。高灰分煤由于其Cad值較低，即發熱量低，也就難以著火。

　　過去有的電廠進煤時只考慮煤的發熱量，不考慮Fz，今后在煤質管理中，一定要把住兩個重要煤質參數，即發熱量與Fz值。它們都要高于某一定值，否則燃燒將會發生困難。Fz是以小顆粒碳的均溫模型為基礎的，也適用于大顆粒碳。

作者：田力