天然焦发电的可行性研究
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摘要： 天然焦具有中灰、低-特低挥发份、中-中高热值、中等粘结性、低度结渣、可磨性难等特性，如按一定比例与烟煤混烧，其燃烧性能较好，着火与中等挥发份烟煤相当，可以作为动力发电的燃料。本文从天然焦的物化特性、破碎、磨制、燃烧等方面全面论证阐述了将天然焦作为新能源发电的可行性。
关键词：天然焦、发电、特性、磨制、燃烧
Abstract: natural coke with ash, low and ultra-low volatile, - in high heat value, medium caking, low slagging, grindability difficult characteristics, such as by a certain percentage of bituminous coal mixing combustion, the combustion performance is better, the fire and the secondary volatile bituminous coal, can be used as power generation fuel. In this paper the physical and chemical characteristics of natural coke, crushing, grinding, and other aspects of a comprehensive demonstration illustrates the burning of natural Jiaozuo for new energy power feasibility.
Key words: natural coke, generation, characteristic, burning, grinding
中图分类号：TM61文献标识码：A 文章编号：
1 概述
天然焦是由于煤系地层中的煤被火成岩侵入后，受到其岩浆热液的接触和烘烤而成。具有中灰、低-特低挥发份、中-中高热值、中等粘结性、低度结渣、可磨性难等特性，其燃烧性能一般。如按一定比例与烟煤混烧，其燃烧性能较好，着火与中等挥发份烟煤相当，可以作为动力发电的燃料。
一般每千克的低位发热量在4700～5700千卡之间，而且燃烧后产生的二氧化碳较低，是较理想的绿色能源和煤炭资源替代品，符合国家电力工业发展的准入政策。目前，国内大部分煤矿因天然焦煤质较差，开采难度大，未将天然焦资源作为矿井的可采储量，而是直接丢弃在矿井采空区，造成资源的严重浪费。
2 天然焦的特性
天然焦的外观有的与焦炭相近，有的呈银灰色。由于天然焦是在地层的密闭状态下受压，经干馏作用而生成，常有气体和水封存在天然焦的内部，具有多孔结构略带金属光泽，呈块状。视比重在1.45-2.06之间，比重在1.60～2.28之间，孔隙率为4.9～13％，坚固性系数为1.70～2.80，普氏硬度1.6，可磨性指数HGI为38～55％。
天然焦的最大特点就是它具有热爆性，其原因是由于天然焦是在地层封闭状态下，经干馏作用而成。在成焦过程中，铸成形态各异和大小不等的气孔，而气孔又多被封闭，根据气相色谱定性分析，其气孔中包裹了一定数量的CO2、CO、CH4和少量的H2S气体及部分热解水，迅速加热引起气体膨胀又无法排出而发生爆裂。
3 天然焦消爆的可行性分析
（1） 块状天然焦具有热爆性，但经破碎后则不复存在。
据国家电站燃烧工程技术研究中心、山东大学热能与环境技术研究所、济南煤炭设计研究院联合试验，在天然焦筛分、破碎过程中均未发生爆裂现象。由于进入磨机的粒度为10~30mm，平均25mm，内部气体已基本充分解离，制粉乏气中主要成分为氧气、氮气及少量二氧化碳，只测出极少量CmHn可燃气体，热爆性已经消失。
因此本工程天然焦采取逐级解离、分级破碎的方式，使进入磨煤机的天然焦的粒度尽可能减小，保证内部气体进入磨煤机前充分解离。
（2） 天然焦制粉乏气分析
天然焦的制粉是天然焦破碎的延续,是通过磨机专用设备将其进一步解离成适合煤粉锅炉燃烧的细小粉粒的过程。由于天然焦所特有的热爆性和锅炉高温燃烧的危险性,需要对其在制粉过程中所产生的气体成分进行分析,以确定天然焦中是否存在有害气体及其浓度,以作为能否制粉和能否作为燃料进入高温密闭锅炉燃烧的依据。
“山东大学热能与环保技术研究中心”对郓城天然焦分别在实验室和模拟燃煤粉锅炉燃烧的热态试验台做了试验,实验室制粉过程中析出气体主要是COx、NOx、SOx、CnHm气体, CnHm可燃气体含量为2.679mg/kg,含量极低。模拟试验台得出的《制粉乏气分析报告》中未发现制粉乏气中有要测的CH4、C2H6、C3H8、CO、H2等可燃气体,只有0.07%的CO2气体在制粉过程中析出,其余与空气成分差别不大。
4 天然焦的可磨性分析
根据《发电厂煤粉锅炉用煤技术条件(GB/T 7562-1998)》,对照表1.1天然焦分析资料,天然焦为特低挥发分(Vdaf=9.14% )、难研磨煤种(HGI=53),而且天然焦的磨损指数ke为10.10，达到了极强等级。由此可见,天然焦属于低挥发分、中灰分、低全水分、特低硫分、高发热量煤质,与无烟煤有相似之处,符合煤粉锅炉用煤质量标准,但其冲刷磨损性极强,可磨性较差,需在选择制粉设备时重点考虑设备的抗磨损性。
常规钢球磨具有紧固耐用、维修量小、对三块敏感性低等优点,双进双出钢球磨除了具有常规钢球磨的优点外,还具有以下主要优点:
1)可适用于正压直吹制粉系统,使燃烧系统较为简单。由于磨煤机正压运行,为防止煤粉泄漏采用了特殊的密封装置和密封空气系统。
2)由于磨煤机的出力是通过磨煤机的风量来调节,因而对锅炉负荷变化的响应非常迅速。
3)磨煤机具有较大的储备容量,给煤中断对锅炉的出力影响很小。
4)出力和煤粉细度比较稳定,这是因为磨煤机在运行期间可以定期加入钢球,保证研磨效率。在磨煤机低负荷时由于通风量减少,煤在磨煤机内的研磨时间延长使煤粉更细,对锅炉低负荷稳定燃烧非常有利。
因此,采用双进双出钢球磨作为天然焦的制粉设备具有可行性,以后可通过工业试验并联合设备厂家对设备进行进一步优化。
5 天然焦与原煤混煤的制粉分析
混煤制粉的关键问题是保证天然焦和原煤均达到较细的煤粉细度，并达到较高的煤粉均匀性。鉴于天然焦难磨和磨损性强的特性，以及天然焦和原煤可磨性差异较大，制粉系统采用双进双出钢球磨正压直吹式制粉系统，并配置动静态旋转分离器。该系统具有可用率高、可靠性强、维护工作量小和维护便利等特点，能够长期保持稳定的出力和要求的煤粉细度，能有效地磨制各种磨损性强的燃料，有较大的煤粉储备能力，负荷响应快，自动控制水平高，并具有显著的运行灵活性。锅炉运行工况下能保持较低的风煤比，获得较高的煤粉浓度，可以较好地解决烟煤和天然焦可磨性、着火性差异的问题，同时也可以有效地控制氮氧化物的生成，减少环境污染。
天然焦同属于煤类，物理、化学性质与无烟煤类似，据西安热工研究院所做天然焦、原煤物化特性及其混合燃烧特性实验研究和北京B&W公司对所做以往燃用无烟煤工程的类比分析：天然焦在着火稳燃和燃尽特性上与无烟煤完全相当，且就对着火稳燃起决定作用的挥发分、灰分来说还要好于无烟煤，着火稳燃性能在低反应特性燃料中属中等水平，要好于以往多个大容量锅炉燃用的无烟煤；
实验结果表明，若按天然焦与烟煤以4：6或5：5比例混合后，混煤的着火性能介于性能较好的贫煤与烟煤之间，基本属于易着火；混煤的燃尽特性基本上与一般贫煤相当，这说明混煤中的原煤对难于着火的天然焦粉有较好的引燃作用。通过有针对性的炉膛和燃烧系统设计，天然焦与原煤的混煤作为大容量电厂锅炉用煤是完全可行的。
除上述理论分析和实验室研究外，山东里能集团于2006年在220MW烟煤锅炉上进行了天然焦掺烧工业性试烧试验。试验目的以天然焦与烟煤混煤的燃烧稳定性和经济性验证为主，同时关注其制粉特性、结渣、沾污与NOx排放特性。上述试验研究完成后，于2007年2月5日由中国工程咨询公司在北京主持组织了“山东里能郓城资源综合利用天然焦发电示范工程试验报告审查和锅炉论证会”，邀请岑可法、王文兴等13位国内知名专家对天然焦发电的试验研究进行论证，形成的论证意见如下：
（1）通过天然焦及其与烟煤混合燃料的特性实验室试验研究、实验室燃烧试验装置（CRF）的试验研究、燃料与炉型耦合的选型研究、在220MW烟煤锅炉上的天然焦掺烧工业性试烧试验等深入细致的研究，各项试验研究结果一致表明：混合燃料（4：6）的燃烧特性相当于较好的贫煤，作为百万千瓦级电站锅炉燃料是可行的。
（2）在220MW烟煤锅炉上掺烧天然焦的试验是十分成功的。试验报告所提供的数据可信，结果分析、结论与建议合理，可作为今后锅炉选型设计的参考依据。
（3）对天然焦和烟煤的混合燃料，采用旋流燃烧器对冲燃烧方式和直流燃烧器切圆燃烧（塔式布置）或双火球（“Π”型布置）的炉型都是可行的。本示范工程不宜采用CFB或“W“型火焰燃烧方式。
（4）目前通过国外成熟技术的引进，已具备设计制造百万级超超临界大型燃煤锅炉的能力，通过优化设计可以达到可靠、经济的目的，且NOx排放较低。
可见，不论从理论分析还是实验室试验及工业炉试烧试验，天然焦与烟煤按一定比例混合，作为大型电站锅炉燃料是可行。
6 结论
从天然焦的物化特性、以及在运输、储存、破碎、磨制、燃烧等方面看，天然焦按一定比例与烟煤混烧，其燃烧性能较好，着火与中等挥发份烟煤相当，可以作为动力发电的燃料。
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