田力：降低煤耗是燃煤电厂的政治责任和历史使命

　　据统计截至2019年底，中国在运煤电装机容量为1,004,948兆瓦(10.05亿千瓦)，是2000年(199,376兆瓦)的5倍，平均每年增长8.9%。尽管随着碳达峰和碳减排目标的制定，在建燃煤电厂数量逐年下降，但是如此大量的年轻电厂在运行中，对于地球而言，的确是一个负担和问题。中国的碳达峰和碳中和目标的实现难度实在太大。

　　在这样的背景下，再来讨论燃煤电厂的煤耗降低和煤炭燃烧效率提升，就显得别有一番意义在心头。

降低煤耗的研讨会

　　上周，应邀陪同几位专家去内蒙参加一个发电集团的降低煤耗的研讨会，会上介绍，这个拟服务电厂的供电煤耗高达370多克/kwh，比业内最优秀水平高出将近百克，整个一个上世纪中期水平。

　　为了准备好这个研讨会，也为了专业人士统一语境，我利用周末的两天时间，研读了一遍清华已故教授傅维镳老先生多年前的一部学术专著《煤燃烧理论及其宏观通用规律》，让我这个学核能的对煤炭这个化石能源增加了不少认识，其实煤炭的燃烧规律比我们核裂变要复杂得多，掌控规律方面也要困难得多。后面附上读书笔记与大家分享。

　　这里主要想说的是，我在会上发言中指出，发电机组煤耗太高，表面上是技术原因或设备原因，其实是管理原因，根本是员工的士气和责任心问题。企业长期不重视管理培训，员工不掌握发现问题、分析问题和解决问题的方法，企业的管理机制和激励机制没有建立起来，导致干部员工尽管人在电厂工作，但忙的是都是“别人家的事”，拿出来装修自己房子和保养自己爱车的劲头的十分之一都没有，再好的设备、再先进的技术，到了他们手里，也是运维不好。归根到底，是员工职业化修炼严重缺位，企业文化不够优良。

　　按照我国工人阶级的光荣传统，设备没有维护好、煤耗如此之高，应该是吃不下饭、睡不着觉才行，应该是赶紧行动起来，用心分析问题原因，认真进行技术改进、运维改进才正常，而不是在“差不多”、“还凑活”的心态下，心安理得地得过且过。

　　更为重要的是，在碳中和承诺发布后的新时期，降低煤耗、减少二氧化碳和温室气体排放，已经上升为电力工业的政治责任和历史使命，能源行业的领导者、电力企业的管理者、燃煤电厂的工作人员，一定要对标先进电厂，为降低煤耗、提高煤炭燃烧效率做出自己最大的努力。这样，我们可再生能源领域、新能源领域、核能领域以及建筑节能领域的巨大投资和艰辛努力才不会被有可能同步提升的电厂高煤耗所中和，我国到2060年的碳中和目标才有可能实现。

煤燃烧理论要点

　　当煤粒进入高温炉膛后，由于受到高温加热，便开始热解(也称挥发分析出)。热解后的煤呈多孔状结构，称为煤焦(或碳)。

　　挥发分及煤焦都会着火，燃烧，其中煤焦的燃尽是煤燃烧的主要过程。

　　所以煤粒进入高温炉膛后将经历加热、热解、着火与燃尽的复杂物理、化学过程。

　　煤受热后，软化、变形、分解，由大分子结构裂解成许多小分子的气态和液态产物，统称为挥发分，它包含H₂O、C₂H₆，CO，CH₄，N₂，O₂，H₂及焦油。

　　煤的热解机理较复杂。一般简化为以下两阶段，即煤由活性结构与非活性结构两部分构成，后者不参与反应，前者参与反应。

　　当煤粒受热后，活性结构一方面释放CO₂和H₂O(速率系数为K1),于此同时，煤粒转变为一种称之为塑料体的中间产物(速度系数为Km)，这是第一阶段反应。

　　塑性体一旦形成，它将继续参与反应，产生氮气及其它各种轻气体、重烃气体和焦油等，这就是热解的第二阶段。

　　挥发分的成分与加热速率关系密切。煤粉锅炉中的煤粉热解属于快速热解。许多碳化工业及热天平分析属于慢速热解。固定床、流化床及工业分析中煤的热解过程属于中等速度热解。

　　快速加热与慢速加热对挥发分的形成有很大影响，其挥发分析出的速率及其成分会有很大不同。

　　挥发分的最终产量与热解速率无关，而与煤粒加热的终温关系极大，挥发分的最终产量随热解温度的增加而增加。

　　不同的煤在热解过程中具有不同的膨胀特性。一般在氮气或还原性气氛中，其膨胀率(直径比)较大，最高可达30%。而在氧化气氛条件下，膨胀率则较小，约为10%左右，甚至变化不大。

　　煤的热解过程十分复杂，它与许多因素有关，例如煤种、煤粒尺寸、加热速率、煤粒终温、压力、加热时间等。

　　热解的初始产物在逸出途中可能发生二次反应，如裂解、凝结、化合和再聚合。因此得到的最终产物并非是最初产物。

　　各种试验分析得出的共同结论：

　　(1)挥发分析出量随时间大体呈指数规律增加。

　　(2)挥发分成分取决于加热速率及终温。

　　(3)煤的快速热解所得之挥发分产量要高于工业分析值。

　　煤是由相同的官能团组成的，这些官能团包括羧基、羟基、醚、脂肪、芳香烃等。

　　羟基：由氢和氧两种原子组成的一价原子团(-OH)也叫氢氧基。

　　羧基：由羰基和羟组成的一价原子团(-COOH)。

　　羰基：由碳和氧两种原子组成的二价原子团(>C=O)。

　　不同的官能团在热解时将产生不同的产物，例如羧基热解时将产生CO₂，羟基热解时将产生H₂O，醚将产生CO，脂肪将产生CH₄，C2H₂，芳香烃将产生H2等。

　　注：醚是一个氧原子连接两个烃基而成的化合物(如甲醚，乙醚等)烃基：烃分子是一个或几个氢原子而成的基团，通常用R表示。

　　脂：酸分子中能电离的氢原子被烃基取代而成的化合物，是动植物油脂的主要部分。

　　脂肪：由三个脂肪酸分子和一个甘油分子化合而成，存在于人体和动物的皮下组织以及植物体中。脂肪是生物体内储存能量的物质。

　　各官能团含量随煤种而变，焦油的成分与煤中的有机物成分相同。煤中官能团在热解过程中逐渐减少是通过两种相互竞争的过程实现的。一是官能团独立充分热解释放出气体，另一则是官能团作为焦油释放出来。

　　随着煤粒温度的升高，在不同温度下释放的挥发分成不同的，释放次序大体是：H₂O，CO₂，焦油，C₂H₆，CH₄，CO，H₂。不同组分析出时，其活化能是不同的。

　　为了提高煤燃烧装置的热效率，减少工业设备的尺寸和投资，近年来国内外均在发展煤的加压燃烧和加压气化技术。实验证明，在1273K温度下，随着压力的升高，同种粒径的煤粒，最终的挥发分析出量略有减少。在高于0.1MPa时，在相同的压力下，各种粒径的煤最终挥发分的析出量只有较小差别，且压力越高差别越小。

　　当挥发分从煤粒中析出后，便于周围空气混合，在一定的温度和浓度的条件下便着火。挥发分的燃烧类似于其他可燃气体的燃烧，其燃烧速率很快。因此就其对煤的燃尽速率而言，影响不大。但这一反应过程对于控制氧化氮(NOx)，碳黑微粒的生成，炭的着火及煤粉火焰的稳定都非常重要。

　　煤经过热解后，由于挥发分的析出，使其呈多孔状结构，称为煤焦或炭。煤焦的燃尽过程较长，是煤燃烧过程的主要组成部分，其燃烧的完全与否，将决定煤的利用程度，即燃烧效率。

　　除反应物的浓度外，燃烧速度主要受两类因素影响。一类是化学因素，包括碳的种类，活化中心的数量，灰的催化作用等。另一类是物理因素，例如比表面积，内孔扩散及环境中氧的扩散等。

　　简化分析：在相对静止的空气中，在碳粒表面只有下列三个反应：

　　这三个反应的活化能相差很大，Ec > Eb > Ea

　　根据煤焦燃烧反应动力学参数与煤种的通用关系，可以预报煤种变化对燃烧过程的影响，可较准确地预报炉内温度分布及飞灰含碳量，前者将决定燃烧的稳定性，即其安全性，后者将决定锅炉的经济性。

　　煤的气化反应，即CO₂+C→2CO和C+H₂O→H₂+CO,是煤的气化过程的基础。

　　煤粒表面与氧反应将生成CO及CO₂，尤其在温度较低时，例如着火阶段，生成CO和CO₂的几率是相同的。CO和CO₂生成速率比值的大小对碳粒的温升过程及着火过程有着十分重要的作用，这是因为 C+O₂→CO₂反应所释放的电量几乎三倍于C+O₂→CO₂的反应，这样对碳粒的温升速率就有较大的差异。

　　煤粒的着火分为非均相着火与均相着火两部分。前者属于固定碳的着火，后者属于挥发分的着火。只有煤焦着火，才能说煤粉气流已处于稳定的燃烧中。挥发分越高的煤越易着火。

　　链条炉(又称移动床)燃烧效率不高，或只能烧高挥发分煤而不能烧贫煤、无烟煤等低挥发分煤，其主要原因也在于煤的着火问题。由于进炉膛后的煤不能及时着火，致使随链条移动的煤在炉内停留时间太短而造成不完全燃烧，从而使渣中含碳量增加，燃烧效率降低。

　　因此，凡是能使煤提前着火的各种措施都将提高煤的燃烧效率。而且减少了对环境的污染。

　　煤粉越细越容易着火，直径减小，着火温度增加，但加热速率增加很大，短时间内就能达到所需温度，实际燃烧设备中加热区长度是有限的。

　　氧浓度对着火的影响不如对熄火的影响大。

　　在磨煤过程中，有的煤粉含灰量特别大，有的特别小，所以对煤粉来说，其着火试验只能通过不断调整炉温，使其达到着火温度，这时煤粉将出现整体着火。

　　Fz=(V_ad+M_ad)2 C_ad*100 是与煤种有关的一个无因次参数。此值越大，其着火性能越好。因此称其为着火特性指标。(V_ad+M_ad)表示由于挥发分和内在水析出后在炭内部形成空隙的程度。即(V_ad+M_ad)越大，其比表面积越大，炭的活性也就越大，就更易着火。C_ad表示炭中含碳量的大小。高灰分煤由于其Cad值较低，即发热量低，也就难以着火。

　　过去有的电厂进煤时只考虑煤的发热量，不考虑Fz，今后在煤质管理中，一定要把住两个重要煤质参数，即发热量与Fz值。它们都要高于某一定值，否则燃烧将会发生困难。Fz是以小颗粒碳的均温模型为基础的，也适用于大颗粒碳。