提高鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術研究與應用

摘 要：本文探討了提高煤炭燃燒效率的工藝優(yōu)化過程，特別關注了先進的燃料預處理方法，即熱風干燥。本文通過物性分析和模擬研究建立了綜合仿真模擬環(huán)境，為不同工藝條件下優(yōu)化煤炭燃燒效率提供理論支持。研究發(fā)現，在熱風干燥過程中，氣流速度增加與提高了煤的熱敏感性相關聯，有助于優(yōu)化整個燃料的燃盡過程。該項研究為清潔、高效利用煤提供了理論支持和實際指導。通過優(yōu)化工藝條件并控制關鍵參數，如氣流速度和水蒸氣含量，可提高煤的能源利用效率，并降低環(huán)境排放。該結果對促進可持續(xù)能源發(fā)展并減少碳排放具有重要意義。

關鍵詞：鍋爐；煤炭燃燒效率；節(jié)能技術

中圖分類號：TK 229" " " " " " " 文獻標志碼：A

鍋爐燃燒效率的提升在目前工業(yè)化和能源需求迅速增長的環(huán)境下尤為重要。煤炭燃燒排放的環(huán)境問題引起了廣泛關注，因此研究和應用提高鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術具有緊迫性。在該領域的研究中，季燕男等通過試驗研究了復合阻化劑對煤燃燒的影響[1]。路廣軍設計了一種煤與生物質混合燃燒性能試驗，發(fā)現玉米稈在混合燃燒中改進了無煙煤的燃燒性能，提高了燃燒效率[2]。高鵬永等研究了不同含水率煤的燃燒特性。試驗結果顯示，水分含量為5.82%～9.82%時可提高煤的燃燒性能[3]。

在煤粉燃燒技術方面，牛芳等研究了多通道逆噴旋流煤粉燃燒特性及NOx排放[4]。王京等研究了骨料烘干煤粉燃燒器火焰的影響規(guī)律[5]。金森旺等在超臨界600MW循環(huán)流化床鍋爐上進行了燃用不同煤種的試驗[6]。段倫博等在50kW循環(huán)流化床O2/CO2氣氛下進行了煤燃燒和污染物排放的研究[7]。綜上所述，本文將進一步分析和討論這些節(jié)能技術在提高鍋爐煤炭燃燒效率方面的應用前景。通過比較不同技術的優(yōu)劣，深入挖掘其機理和影響因素，旨在為未來鍋爐燃煤過程的優(yōu)化提供理論和實踐支持。

1 工藝概述

作為常見的能源轉換設備，鍋爐在燃燒過程中會產生大量熱能，并隨著能量損失。通過優(yōu)化燃料的使用并提高其完全利用率，可有效減少能源浪費，從而達到節(jié)能減排的目的。在這一優(yōu)化過程中，采用先進技術，如熱風干燥技術可以發(fā)揮重要作用。

具體來說，熱風干燥是一種常見的燃料預處理方法，通過引入高溫預熱空氣對待處理的原料進行干燥處理可有效降低原料中水分含量，提高其揮發(fā)性物質的釋放速度，并提高煤炭的熱值，降低燃燒時的煙氣排放，增加煤炭可燃性。其首要步驟是準備充分的煤粉，將其作為原料。煤粉的選擇需要綜合考慮多個因素，包括煤種、粒度和含水率等，以確保在熱風干燥過程中能夠達到預期效果。這個過程的關鍵在于對煤粉進行有效的預處理，以提高其在燃燒過程中的性能和效率。

考慮煤的溫度變化，本文使用熱傳導方程來描述煤的熱傳導過程，如公式（1）所示。

（1）

式中：q為單位時間內傳導的熱量；k為煤的導熱系數；dx、dT均為溫度梯度。

考慮水分蒸發(fā)的熱量變化，使用焓變化方程，如公式（2）所示。

?H=m·λ （2）

式中：ΔH是焓變；m是蒸發(fā)的水分質量；λ是水的汽化潛熱。

煤中的結晶水和化合水以分子或離子形式構成煤中礦物質的晶格結構，內在水分則被吸附或凝聚在煤顆粒內部的小毛細孔中，約在105℃～110℃條件下逐漸蒸發(fā)。在該過程中，煤中的水蒸氣壓力和空氣相對濕度會逐漸平衡。熱風干燥加熱煤粉的工藝也通過類似的原理來改進煤的結構，提高燃燒特性，調控煤中的水分含量，使其保持在6%～8%的合理范圍內。

水蒸氣的參與使煙氣中的成分更復雜，其中的濕煙氣和其他揮發(fā)性物質在燃燒過程中會發(fā)生化學反應，形成多種化合物。同時，水蒸氣的存在也會影響燃燒的穩(wěn)定性，特別是在不同的過量空氣系數下，水蒸氣的量對燃燒反應的速率和程度均有所不同。

在煙氣的主要成分中，硫分是一個重要因素。煤中的硫分在燃燒過程中釋放為SO2氣體，其濃度可由相關煤燃燒公式計算得出。例如，通過公式（3）～公式（10）計算出干煙氣中的SO2濃度。

（3）

式中：CSO2為干煙氣中SO2的濃度（mg/Nm3）；C為試驗煤樣的收到基碳元素含碳量（%）；S為試驗煤樣的收到基含硫量（%）；N為試驗煤樣的收到基氮元素含量（%）；V為試驗煤樣的收到基揮發(fā)分含量（%）；α為過量空氣系數；V0為理論空氣量（Nm3/kg）；Cs為收到基含硫量（%）。

考慮揮發(fā)分和灰分的變化，使用反應速率方程分別如公式（4）、公式（5）所示。

（4）

（5）

式中：和分別是揮發(fā)分和灰分的變化率；kv、ka分別是揮發(fā)分和灰分的反應速率常數。

煤的揮發(fā)分含量較高時，煤粉更容易在爐膛內燃燒，并且燃燒過程更穩(wěn)定。這是因為高揮發(fā)分煤在高溫下易于分解，釋放出易燃氣體，使煤粉更早開始燃燒，從而提高整體的燃燒穩(wěn)定性。揮發(fā)分含量較高的煤能夠更早釋放燃燒發(fā)熱量，有助于提高燃燒的效率。相反，揮發(fā)分含量較低的煤需要更高的溫度才能開始釋放發(fā)熱量，使著火變得更困難。

為了全面考慮煤炭燃燒效率的影響因素，仿真模擬還需要充分考慮煤成分變化引起的密度和質量變化，從而計算真密度。在這一過程中，設礦物質含量為m，灰分比例為A，全硫比例為St，單位均為%，則平均密度的計算方法如公式（6）所示。

（6）

此外，根據煤的具體碳氫比，其密度計算過程如公式（7）所示。

D=70.2669x2-16.1897x+1.267 （7）

式中：x為有機質中的氫與碳比值；D為有機質真密度（浸液法）。

整合這些模型，本文建立了一個綜合仿真模擬環(huán)境，可用于深入研究不同工藝條件下煤炭燃燒效率的優(yōu)化。

2 仿真模擬

仿真模擬中，本文關注了一系列關鍵參數，包括熱擴散系數、體積變化和密度，這些參數在流動速度變化情況下呈現出的趨勢對煤炭燃燒的理解至關重要。其中，T25、T40、T55、T70和T100分別代表煤炭在不同階段的溫度（℃），展現了熱風干燥過程中的溫度變化。隨氣流速度變化，熱擴散系數的變化如圖1所示。

隨著熱風的氣流速度變化，本文對熱擴散系數在煤炭熱風干燥過程中的變化進行了深入分析。在不同溫度階段（T25～T100），熱擴散系數呈現出一致的趨勢，與前期流動速度增加呈正相關。流動速度進一步增加后，熱擴散系數逐漸下降，特別是在高溫條件下，熱擴散系數較高的熱風干燥氣流速度稍高，熱擴散系數開始下降且下降速度較快。

在T25階段中的1.109cm2/h～1.2625cm2/h、T40階段中的1.42cm2/h～1.716cm2/h中，熱擴散系數的變化較溫和。然而在T55、T70和T100階段，熱擴散系數的變化趨勢更顯著。在這些高溫階段，隨著氣流速度增加，熱擴散系數逐漸增加，分別從1.65cm2/h

增至1.81cm2/h（T55），從1.7768cm2/h增至1.916cm2/h（T70），并從1.98512cm2/h增至2.092768cm2/h（T100）。直至熱風流速進一步上升，該熱擴散系數才轉而下降。

隨著氣流變化，干燥中的煤炭整體體積在基準水平下的變化趨勢如圖2所示。

隨著熱風氣流流速不斷變化，煤炭在熱風干燥過程中的整體體積呈現出一系列變化趨勢。體積變化率在低風速條件下表現為低于基準水平，煤炭體積隨流速變化而上升。隨著溫度升高，該體積增長放緩，這可能與高溫引起的一些物理變化有關，氣流對煤炭整體體積的影響減弱。尤其是在T55、T70和T100階段，煤炭在低風速下的體積比基準條件下更小，但體積仍隨流動速度增加而增加，變化幅度則隨風速增加而逐漸變小。在高溫下，煤炭可能更容易受氣流影響，導致體積變化幅度變小。在T70和T100階段，變化幅度分別為-0.4799%～-0.2799%和-0.4294%～-0.2294%，整體趨勢較平緩。隨著氣流速度增加，煤炭整體體積的變化趨勢呈下降趨勢。在低溫條件下，這一體積變化幅度較大，高溫條件下的體積變化幅度相對較小，原因是高溫氣流對煤炭顆粒具有擠壓效應，使升溫不能有效反映在體積變化中。但隨著溫度升高，這種影響逐漸減弱，體積變化的幅度也隨之變小。

燃煤的水分對工業(yè)鏈條爐燃燒具有雙重影響。一方面，燃煤的水分和灰分會導致煤的發(fā)熱量下降。在燃燒過程中，增加燃煤水分含量會延長煤的干燥時間，增加加熱水分及其汽化、過熱的熱量消耗，降低爐膛燃燒溫度，進而影響燃燒的穩(wěn)定性。同時，燃煤水分增加會使煙氣量增加，增加了排煙的熱損失。另一方面，在鏈條爐排上，適度的外在水分有助于煤層疏松，通風均勻，強化燃燒。燃煤中揮發(fā)出的水蒸氣還可以提高火焰溫度，增加幅射強度，從而提高鍋爐的經濟性。從燃燒動力學的角度來看，含有適量外在水分的燃煤，煤的堆積密度可達最小，有利于燃燒。因此，對于過熱蒸汽干燥煤工藝的優(yōu)化，需要考慮控制煤中水分的含量，以滿足煤炭燃燒過程中平衡發(fā)熱和穩(wěn)定燃燒的需求。密度變化表現如圖3所示。

隨著熱風氣流流速改變，煤炭在干燥過程中的密度也呈現出一系列變化。在T25階段，隨著流動速度增加，煤炭密度逐漸上升，從631.40kg/m3升至698.66kg/m3，表明在低溫下，氣流速度增加可能導致煤炭顆粒排列更緊密，使密度增加。進入T40階段，密度變化趨勢仍為正向，從652.15kg/m3升至714.07kg/m3。與T25階段相比，密度增加幅度相對變小，原因是高溫下煤炭顆粒的物理狀態(tài)發(fā)生了一些改變，使氣流對密度的影響減弱。在T55、T70和T100階段，密度變化趨勢繼續(xù)為正向，分別從672.91kg/m3升至725kg/m3（T55）、從688.28kg/m3升至751.34kg/m3（T70），從698.66kg/m3升至786.16kg/m3（T100）。隨著溫度升高，密度增加幅度逐漸變小，說明在高溫下，氣流對煤炭密度的影響逐漸減弱。綜合上文對煤炭整體體積變化的分析可以發(fā)現，煤炭的密度和體積變化呈現出一致的趨勢。在低溫下，隨著氣流速度增加，煤炭顆粒易受擠壓，整體密度增大，體積變小。隨著溫度升高，這種影響逐漸減弱，使密度和體積變化的幅度變小。

3 結語

通過對工藝優(yōu)化和仿真模擬進行深入研究，本文全面探討了提高煤炭燃燒效率的多種方法。作為一種高效的燃料預處理技術，熱風干燥在提高鍋爐系統(tǒng)整體能源利用效率、降低環(huán)境污染方面具有不可或缺的作用。本文通過深入分析熱風干燥過程中關鍵參數（如溫度、濕度和氣流速度）的變化情況，為煤的利用的優(yōu)化與清潔高效能源轉換技術提供了實質性參考。

合理調整這些工藝參數不僅有助于提高原料的可點火性和揮發(fā)性，還可以更有效地實現鍋爐系統(tǒng)對資源的利用。通過優(yōu)化這些關鍵參數，可進一步降低鍋爐系統(tǒng)運行過程中的能量損失，最大限度地提升其能源轉換效率。這種持續(xù)改進將為清潔、高效能源生產方式的推廣奠定堅實基礎，并為未來可持續(xù)發(fā)展注入新動力。

參考文獻

[1]季燕男，張雷林，陳朝衛(wèi).復合阻化劑抑制煤燃燒特性試驗研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2023，50（4）：25-29.

[2]路廣軍.煤與生物質混合燃燒特性試驗設計[J].試驗技術與管理，2021，38（10）：61-64，86.

[3]高鵬永，石必明，張雷林，等.不同含水率煤的燃燒特性試驗[J].工礦自動化，2021，47（7）：120-124.

[4]牛芳，劉鵬中，王鵬濤，等.多通道逆噴旋流煤粉燃燒特性及NO_x排放試驗研究[J].煤炭科學技術，2021，49（4）：142-148.

[5]王京，程海鷹，胡志勇，等.骨料烘干煤粉燃燒器火焰的影響規(guī)律[J].煤炭學報，2019，44（增刊2）：673-682.

[6]金森旺，高洪培，孫獻斌，等.超臨界600MW循環(huán)流化床鍋爐燃用不同煤種燃燒特性及排放特性試驗[J].熱力發(fā)電，2017，46（4）：46-51.

[7]段倫博，周騖，屈成銳，等.50kW循環(huán)流化床O2/CO2氣氛下煤燃燒及污染物排放特性[J].中國電機工程學報，2011，31（5）：7-12.