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(guān)注了先進(jìn)的燃料預(yù)處理方法，即熱風(fēng)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(xiàn)，在熱風(fēng)干燥過程中，氣流速度增加與提高了煤的熱敏感性相關(guān)聯(lián)，有助于優(yōu)化整個(gè)燃料的燃盡過程。該項(xiàng)研究為清潔、高效利用煤提供了理論支持和實(shí)際指導(dǎo)。通過優(yōu)化工藝條件并控制關(guān)鍵參數(shù)，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(jié)果對(duì)促進(jìn)可持續(xù)能源發(fā)展并減少碳排放具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鍋爐；煤炭燃燒效率；節(jié)能技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK 229" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)注，因此研究和應(yīng)用提高鍋爐煤炭燃燒效率的節(jié)能技術(shù)具有緊迫性。在該領(lǐng)域的研究中，季燕男等通過試驗(yàn)研究了復(fù)合阻化劑對(duì)煤燃燒的影響[1]。路廣軍設(shè)計(jì)了一種煤與生物質(zhì)混合燃燒性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玉米稈在混合燃燒中改進(jìn)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(yàn)結(jié)果顯示，水分含量為5.82%～9.82%時(shí)可提高煤的燃燒性能[3]。

在煤粉燃燒技術(shù)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(jìn)行了燃用不同煤種的試驗(yàn)[6]。段倫博等在50kW循環(huán)流化床O2/CO2氣氛下進(jìn)行了煤燃燒和污染物排放的研究[7]。綜上所述，本文將進(jìn)一步分析和討論這些節(jié)能技術(shù)在提高鍋爐煤炭燃燒效率方面的應(yīng)用前景。通過比較不同技術(shù)的優(yōu)劣，深入挖掘其機(jī)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(shí)踐支持。

1 工藝概述

作為常見的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，鍋爐在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)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(fèi)，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。在這一優(yōu)化過程中，采用先進(jìn)技術(shù)，如熱風(fēng)干燥技術(shù)可以發(fā)揮重要作用。

具體來說，熱風(fēng)干燥是一種常見的燃料預(yù)處理方法，通過引入高溫預(yù)熱空氣對(duì)待處理的原料進(jìn)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(zhì)的釋放速度，并提高煤炭的熱值，降低燃燒時(shí)的煙氣排放，增加煤炭可燃性。其首要步驟是準(zhǔn)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(gè)因素，包括煤種、粒度和含水率等，以確保在熱風(fēng)干燥過程中能夠達(dá)到預(yù)期效果。這個(gè)過程的關(guān)鍵在于對(duì)煤粉進(jìn)行有效的預(yù)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(dǎo)方程來描述煤的熱傳導(dǎo)過程，如公式（1）所示。

（1）

式中：q為單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量；k為煤的導(dǎo)熱系數(shù)；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(zhì)量；λ是水的汽化潛熱。

煤中的結(jié)晶水和化合水以分子或離子形式構(gòu)成煤中礦物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)在水分則被吸附或凝聚在煤顆粒內(nèi)部的小毛細(xì)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(duì)濕度會(huì)逐漸平衡。熱風(fēng)干燥加熱煤粉的工藝也通過類似的原理來改進(jìn)煤的結(jié)構(gòu)，提高燃燒特性，調(diào)控煤中的水分含量，使其保持在6%～8%的合理范圍內(nèi)。

水蒸氣的參與使煙氣中的成分更復(fù)雜，其中的濕煙氣和其他揮發(fā)性物質(zhì)在燃燒過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成多種化合物。同時(shí)，水蒸氣的存在也會(huì)影響燃燒的穩(wěn)定性，特別是在不同的過量空氣系數(shù)下，水蒸氣的量對(duì)燃燒反應(yīng)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(gè)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(guān)煤燃燒公式計(jì)算得出。例如，通過公式（3）～公式（10）計(jì)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(yàn)煤樣的收到基碳元素含碳量（%）；S為試驗(yàn)煤樣的收到基含硫量（%）；N為試驗(yàn)煤樣的收到基氮元素含量（%）；V為試驗(yàn)煤樣的收到基揮發(fā)分含量（%）；α為過量空氣系數(shù)；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(yīng)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(yīng)速率常數(shù)。

煤的揮發(fā)分含量較高時(shí)，煤粉更容易在爐膛內(nèi)燃燒，并且燃燒過程更穩(wěn)定。這是因?yàn)楦邠]發(fā)分煤在高溫下易于分解，釋放出易燃?xì)怏w，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(zhì)量變化，從而計(jì)算真密度。在這一過程中，設(shè)礦物質(zhì)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(jì)算方法如公式（6）所示。

（6）

此外，根據(jù)煤的具體碳?xì)浔?，其密度?jì)算過程如公式（7）所示。

D=70.2669x2-16.1897x+1.267 （7）

式中：x為有機(jī)質(zhì)中的氫與碳比值；D為有機(jī)質(zhì)真密度（浸液法）。

整合這些模型，本文建立了一個(gè)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(guān)注了一系列關(guān)鍵參數(shù)，包括熱擴(kuò)散系數(shù)、體積變化和密度，這些參數(shù)在流動(dòng)速度變化情況下呈現(xiàn)出的趨勢對(duì)煤炭燃燒的理解至關(guān)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(xiàn)了熱風(fēng)干燥過程中的溫度變化。隨氣流速度變化，熱擴(kuò)散系數(shù)的變化如圖1所示。

隨著熱風(fēng)的氣流速度變化，本文對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)在煤炭熱風(fēng)干燥過程中的變化進(jìn)行了深入分析。在不同溫度階段（T25～T100），熱擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)出一致的趨勢，與前期流動(dòng)速度增加呈正相關(guān)。流動(dòng)速度進(jìn)一步增加后，熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸下降，特別是在高溫條件下，熱擴(kuò)散系數(shù)較高的熱風(fēng)干燥氣流速度稍高，熱擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)的變化較溫和。然而在T55、T70和T100階段，熱擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)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(fēng)流速進(jìn)一步上升，該熱擴(kuò)散系數(shù)才轉(zhuǎn)而下降。

隨著氣流變化，干燥中的煤炭整體體積在基準(zhǔn)水平下的變化趨勢如圖2所示。

隨著熱風(fēng)氣流流速不斷變化，煤炭在熱風(fēng)干燥過程中的整體體積呈現(xiàn)出一系列變化趨勢。體積變化率在低風(fēng)速條件下表現(xiàn)為低于基準(zhǔn)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(guān)，氣流對(duì)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(fēng)速下的體積比基準(zhǔn)條件下更小，但體積仍隨流動(dòng)速度增加而增加，變化幅度則隨風(fēng)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(dǎo)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(duì)較小，原因是高溫氣流對(duì)煤炭顆粒具有擠壓效應(yīng)，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(duì)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(huì)導(dǎo)致煤的發(fā)熱量下降。在燃燒過程中，增加燃煤水分含量會(huì)延長煤的干燥時(shí)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(jìn)而影響燃燒的穩(wěn)定性。同時(shí)，燃煤水分增加會(huì)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(fēng)均勻，強(qiáng)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(qiáng)度，從而提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。從燃燒動(dòng)力學(xué)的角度來看，含有適量外在水分的燃煤，煤的堆積密度可達(dá)最小，有利于燃燒。因此，對(duì)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(xiàn)如圖3所示。

隨著熱風(fēng)氣流流速改變，煤炭在干燥過程中的密度也呈現(xiàn)出一系列變化。在T25階段，隨著流動(dòng)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(dǎo)致煤炭顆粒排列更緊密，使密度增加。進(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)煤炭密度的影響逐漸減弱。綜合上文對(duì)煤炭整體體積變化的分析可以發(fā)現(xiàn)，煤炭的密度和體積變化呈現(xiàn)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(jié)語

通過對(duì)工藝優(yōu)化和仿真模擬進(jìn)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(yù)處理技術(shù)，熱風(fēng)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(fēng)干燥過程中關(guān)鍵參數(shù)（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(zhuǎn)換技術(shù)提供了實(shí)質(zhì)性參考。

合理調(diào)整這些工藝參數(shù)不僅有助于提高原料的可點(diǎn)火性和揮發(fā)性，還可以更有效地實(shí)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)對(duì)資源的利用。通過優(yōu)化這些關(guān)鍵參數(shù)，可進(jìn)一步降低鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能量損失，最大限度地提升其能源轉(zhuǎn)換效率。這種持續(xù)改進(jìn)將為清潔、高效能源生產(chǎn)方式的推廣奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并為未來可持續(xù)發(fā)展注入新動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)

[1]季燕男，張雷林，陳朝衛(wèi).復(fù)合阻化劑抑制煤燃燒特性試驗(yàn)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(zhì)混合燃燒特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].試驗(yàn)技術(shù)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(yàn)[J].工礦自動(dòng)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(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，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(xué)報(bào)，2019，44（增刊2）：673-682.

[6]金森旺，高洪培，孫獻(xiàn)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(yàn)[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(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（5）：7-12.