動力配煤摻燒研究淺析

姜智春

（國電電力發(fā)展股份有限公司北京朝陽技術(shù)咨詢分公司，北京 100025）

0 引言

我國煤炭資源豐富，主要集中在華北和西北地區(qū)，其中動力煤為主，約占探明儲量的72%左右。動力用煤包括無煙煤、貧煤、褐煤、長焰煤、弱粘煤、不粘煤和粘煤等各類煤種，各類煤之間的特性差異明顯。為降低排放和污染物，提高煤炭燃燒效率，需要從更新和改造鍋爐燃燒設(shè)備，開發(fā)和引進(jìn)先進(jìn)的燃煤工藝以及提高煤炭質(zhì)量著手，而保證煤炭的對路供應(yīng)，提高煤炭質(zhì)量管理對于控制燃燒效率和污染程度尤為重要。在當(dāng)前我國節(jié)能減排的政策背景下，為降低電廠能耗和滿足煤炭對路供應(yīng)的需求，發(fā)展動力配煤十分必要。

本文綜述了國內(nèi)動力配煤摻燒方面的研究進(jìn)展，分別從摻燒原則、摻燒方式、燃燒理論及數(shù)學(xué)模型等方面作出了總結(jié)，指出了在動力配煤摻燒理論方面存在的短板，為進(jìn)一步在此方面的研究提供參考。

1 配煤摻燒技術(shù)概述

1.1 配煤摻燒工作的原則

動力配煤是將若干種不同種類、不同性質(zhì)的煤經(jīng)過篩選、破碎，按一定比例摻配加工等過程達(dá)到充分利用煤炭資源、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)互補(bǔ)、適應(yīng)用戶燃煤設(shè)備對煤質(zhì)的要求、提高燃煤效率和減少污染物排放等目的的技術(shù)。其要求是發(fā)揮各組分單煤的特點(diǎn)，克服單煤不適應(yīng)燃燒要求的缺點(diǎn)，通過配煤技術(shù)，制成適合鍋爐燃燒的混煤，實現(xiàn)合理用煤，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，達(dá)到調(diào)節(jié)燃煤品質(zhì)（包括發(fā)熱量、灰分、硫分、揮發(fā)分等）和保障燃煤質(zhì)量均衡化的作用[1]。

為了保證電站鍋爐機(jī)組的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，在進(jìn)行配煤摻燒工作的同時需要兼顧電廠整體的運(yùn)行指標(biāo)，這就需要考慮到入廠煤和入爐煤的動態(tài)監(jiān)測、煤質(zhì)實時檢測、各煤場的分區(qū)和精細(xì)化調(diào)控管理等因素，通過優(yōu)化摻燒方案，實現(xiàn)電廠的經(jīng)濟(jì)效益最大化。動力配煤場的建設(shè)應(yīng)盡量滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、用戶需求調(diào)整，配煤質(zhì)量和產(chǎn)量調(diào)整等要求，同時考慮資源、場地、氣候、市場、運(yùn)輸線路等綜合因素。此外，宋旭[2]認(rèn)為：（1）在進(jìn)行配煤摻燒時，首先要考慮人員和設(shè)備的安全，抓好煤場管理，保障鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行，同時應(yīng)設(shè)置一個入爐煤煤質(zhì)的底線以保障煤質(zhì)；（2）配煤摻燒工作要根據(jù)實際的負(fù)荷需求、庫存煤和在運(yùn)煤的適當(dāng)搭配，考慮季節(jié)、煤價和供應(yīng)情況等各種因素，及時調(diào)整配煤計劃，改善配煤摻燒方式，實現(xiàn)"循環(huán)管理, 持續(xù)優(yōu)化"的工作模式；（3）對于同一種類型的煤，要堅持“燒舊儲新”的原則，降低熱值庫存的損失，高揮發(fā)分煤不適合長期儲存，高硫煤需要考慮脫硫系統(tǒng)的出力來進(jìn)行混燒，預(yù)防超標(biāo)排放事件的發(fā)生；（4）要制定明確的摻燒管理辦法，做到燃料經(jīng)營部門和發(fā)電生產(chǎn)部門之間的信息良好互動，維持煤場存煤結(jié)構(gòu)和入爐煤質(zhì)相對最優(yōu)。

動力配煤標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化有著重要的經(jīng)濟(jì)意義，相關(guān)部門制訂此類標(biāo)準(zhǔn)和原則對促進(jìn)動力配煤的健康發(fā)展意義非凡。

1.2 動力配煤摻燒方式

傳統(tǒng)的混煤摻燒“爐前摻配、爐內(nèi)混燒”的方式需要在爐外完成煤粉的摻混，電廠可以根據(jù)摻燒的需要及時調(diào)整混入的煤種，而制粉系統(tǒng)不論使用單一或多種煤，其工作原理是相同的。這種混燒方法適合煤質(zhì)特征相似的燃料，摻混方式多樣并且能確?！皳交旌蟮拿骸泵嘿|(zhì)均勻。但對于煤質(zhì)特性相差比較大的燃料，該方法可能無法適應(yīng)，特別是在煤粉可磨性差別大時，可能會影響煤粉的細(xì)度和均勻度，導(dǎo)致“搶風(fēng)”現(xiàn)象出現(xiàn)，混煤摻燒均勻度降低，也可能引起鍋爐部分熄火或結(jié)焦[3]。

“分磨制粉，爐內(nèi)摻燒”的混煤摻燒方式綜合考慮了參混煤種相關(guān)煤質(zhì)參數(shù), 適用于燃燒特性、可磨性等差異較大的情況。其中“分磨制粉、分倉儲存、爐內(nèi)摻燒”這種方式，煤粉由不同的粉倉送入燃燒器噴口，通過調(diào)整特定的煤粉噴入爐膛的不同溫度區(qū)域，來優(yōu)化爐內(nèi)溫度場；而 “分磨制粉、倉內(nèi)摻混、爐內(nèi)混燒” 則是通過中儲式制粉系統(tǒng)的磨煤機(jī)來制取所選取的各種煤，各種不同的煤粉送入同一煤粉倉，即在煤粉倉內(nèi)完成煤粉的混合，所有的燃燒器都使用同一種混合煤，通過各自控制煤粉細(xì)度的合理性，從而平衡易燃煤種的燃燒性能與難燃煤種的燃盡燒性。

段學(xué)農(nóng)[3]發(fā)現(xiàn), 混煤的燃燒性能與易燃煤的性能相似，可磨性則更接近難磨煤，燃盡特性接近于難燃盡煤種。因此，電廠在選擇混煤摻燒方式時，需要綜合考慮煤種的可磨性、燃燒特性、輸送和分配煤的設(shè)備、燃燒設(shè)備等因素，以此達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效果。

1.3 研究進(jìn)展及成果

中國的動力配煤發(fā)展已經(jīng)有四十多年的歷史，取得了一定的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。如燃料流通系統(tǒng)方面，上海市燃料總公司自1979年開展動力配煤工作，1999年建成配煤生產(chǎn)線12條，配煤能力達(dá)到1200萬t/a，年加工配煤300多萬t，每年為用戶配送煤炭200多萬t；煤炭系統(tǒng)開展方面1998年底杭州煤場建成并開始投產(chǎn)，1999年月產(chǎn)配煤數(shù)萬t，配煤硫分均在0.80%以下，加入一定量的固硫劑后，可使配煤完全達(dá)到潔凈燃燒，噸煤利潤可達(dá)10元；電力系統(tǒng)方面，大多數(shù)電廠根據(jù)當(dāng)時各地來煤的礦點(diǎn)多少及各礦進(jìn)煤的數(shù)量質(zhì)量情況，不可能采用十分嚴(yán)格的配煤方案進(jìn)行配煤摻燒。電廠通過配煤摻燒，燃煤的質(zhì)量基本達(dá)到了設(shè)計煤種的要求，取得了節(jié)能的目的，同時還解決了著火困難，鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定，燃盡率低等一系列問題。

國外對配煤（混煤）研究則主要集中于混煤燃燒性能和污染物防治等方面。美國動力用煤大部分為優(yōu)質(zhì)煤，其中東部、中部含硫較多，分別為1.8%～3.8%和 2.5%～5.0%，而西部煤含硫少，約為0.3%～1.5%。按照SOx排放要求，那些位于東部和中部的發(fā)電廠被要求使用西部礦區(qū)產(chǎn)出的煤炭或裝設(shè)脫硫設(shè)備。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，如果東部和中部產(chǎn)的高硫煤（含硫量3.1%）中加入10%的西部產(chǎn)低硫煤（含硫量僅0.3%），其運(yùn)行成本會低于單純?nèi)紵吡蛎旱?0%。在20世紀(jì)70年代，由于褐煤的質(zhì)量性能不能經(jīng)常滿足設(shè)計需求，德國一些發(fā)電廠不能充分發(fā)揮其最大功效。因此，他們選用褐煤和煙煤混燃的方式，增加褐煤的使用效益。例如，在Ptolemosis和Aliveri電廠，使用混入一定煙煤的褐煤，在煙煤占比達(dá)到15%時，電廠可以全力運(yùn)轉(zhuǎn)，而且燃燒更為穩(wěn)定。煙氣溫度下降，而粗灰和飛灰中的固體未完全燃燒產(chǎn)物也相應(yīng)減少。澳大利亞運(yùn)用配煤技術(shù)來滿足不同煤質(zhì)的需求，將這種煤炭運(yùn)送到世界各地，從而獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)利益。荷蘭使用混煤燃燒技術(shù)燃燒混煤，以此解決發(fā)電廠鍋爐的腐蝕和結(jié)渣問題，經(jīng)過混燒之后，這兩種問題都得到了緩解。而在西班牙，一些質(zhì)量較差的煤中灰分含量為16%～55%，平均為45%，Joaquin Ganzales Blas的研究指出，使用這種高灰分煤炭會導(dǎo)致鍋爐積渣和磨煤機(jī)磨損，由于煤中揮發(fā)分含量較低，燃燒難度較大，最終會導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的可用性降低。因此，實驗燃燒高灰煤時混入高揮發(fā)分的煤，試驗結(jié)果顯示：使用此種混合燃料，混合煤的揮發(fā)分在12%～16%之間，灰分低于45%，從而提升了電廠的燃燒效率和利用率。

總體而言，盡管混燒煤的技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的運(yùn)用和開展，然而，它的理論研究還有待加深，特別是在混燒煤的特性參數(shù)（例如，熱量、揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)等）的線性可加性，配煤的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，以及配煤的燃燒特性等方面，都需要進(jìn)一步的研究。

2 混煤燃燒特性研究

煤在受熱時，煤粒中的水分最先開始蒸發(fā)出來，變成干燥的煤，也就是我們通常所說的煤的干燥基，在這個過程中，燃料不但不釋放熱量還吸收熱量；伴隨著溫度的升高，煤中最易斷裂的鏈狀和環(huán)狀烴揮發(fā)出來，既揮發(fā)分的析出，揮發(fā)分一旦析出，會馬上著火燃燒，為焦炭的燃燒提供溫度條件；溫度繼續(xù)升高而使煤中較難分解的烴也析出而揮發(fā)掉以后，剩下的就是石墨晶格結(jié)構(gòu)的微小晶粒組成的結(jié)合體，既半焦（Char）。半焦由固定炭和一些礦物雜質(zhì)組成。半焦燃燒的溫度要大于揮發(fā)分，因此當(dāng)揮發(fā)分開始燃燒時，它不僅提供能量將半焦加熱至高溫，還能短時間內(nèi)消耗所有的氧氣，由此半焦通常會在大量煤的揮發(fā)分被燒掉后才開始燃燒。在煤的整個燃燒過程中，從開始干燥和干餾出揮發(fā)分到揮發(fā)分大部分燃燒掉所需時間，約只占總?cè)紵龝r間的十分之一，其余時間則用來使半焦逐漸燃盡。

在判斷煤的燃燒性能時，煤質(zhì)特征對煤的燃燒影響主要表現(xiàn)在煤的煤化程度、煤的煤巖組成和煤的礦物組成上[4]。對于煤的煤化程度（煤階）通常用煤的揮發(fā)分和煤的鏡質(zhì)組反射率來表示，但煤的揮發(fā)分還受到煤的煤巖組成影響。即使是相同煤化程度的煤，由于煤的煤巖組成存在差異（我國的煤的煤巖組成以鏡質(zhì)組為主，惰性組次之，殼質(zhì)組較少），它們的燃燒性能可能也存在差異，也就是說煤化參數(shù)完全相同的單種煤，其燃燒特性會有所不同。因此煤的鏡質(zhì)組反射率比煤的揮發(fā)分能更好地反映煤的煤化程度（煤階）。單種煤的燃燒特性由其煤化程度（煤階）和化學(xué)組成決定，通?？梢愿鶕?jù)煤的燃料比或揮發(fā)分含量預(yù)測單種煤的燃燒性能。主要采用熱重分析技術(shù)進(jìn)行煤的燃燒特性研究，并通過熱天平獲取煤在燃燒過程中產(chǎn)生的DTG（微商失重曲線）、DTA（微商放熱曲線）、TG（失重曲線）等特性曲線。根據(jù)這些曲線能夠確定煤的燃燒特性參數(shù)，煤的DTG曲線相同的話，其燃燒性能基本一致。因此，DTG曲線被稱為“煤的燃燒指紋”曲線。

戴財勝[4]測試了11種單種煤的煤巖參數(shù)，主要測量煤的顯微煤巖組成和鏡質(zhì)組平均隨機(jī)反射率Rr.m，并進(jìn)行DTG、DTA、TG分析。他發(fā)現(xiàn)相同煤化程度的煤，煤的燃料比基本相同，而煤的鏡質(zhì)組平均隨機(jī)反射率Rr.m和煤的燃料比存在線性關(guān)系，通過建立煤的著火溫度、燃燒特性曲線、燃燼時間和Rr.m的關(guān)系來預(yù)測動力配煤中混煤的燃燒特性，并給出了燃燒性能好壞的判斷指標(biāo)?；烀旱腄TG曲線中出現(xiàn)了雙峰甚至多峰，可見混煤后各單種煤依舊保持自己的燃燒性能，范杜平[5]認(rèn)為可以用量子力學(xué)波的干涉現(xiàn)象來解釋這種現(xiàn)象。

3 動力配煤優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

優(yōu)化動力配煤數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和求解，可以采用兩種主流的理論。一種觀念是，混煤指標(biāo)能通過各個單種煤的煤質(zhì)指標(biāo)（比如水分，含硫量，揮發(fā)分，熱值，灰含量，灰熔點(diǎn)等）的權(quán)重平均或線性回歸獲得。換句話說，有線性加和性質(zhì)，計算機(jī)可以輕松和迅速地求解。然而，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，混煤和單種煤的煤質(zhì)指標(biāo)之間存在較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此，通常需要運(yùn)用遺傳算法、模糊數(shù)學(xué)或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行求解。雖然上述兩種理論都能有效地解決動力配煤的優(yōu)化配方問題，但針對線性規(guī)劃理論，不能簡單認(rèn)為所有單種煤的各項指標(biāo)都可通過簡單加和去獲得動力煤的實際指標(biāo)，一些不能滿足線性加和條件的指標(biāo)可能會存在較大偏差，如灰熔點(diǎn)，燃燒特性等指標(biāo)無法通過線性模型得出準(zhǔn)確預(yù)測。對于非線性模型，近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，非線性模型精度、準(zhǔn)確度更高，可靠性、穩(wěn)定性加強(qiáng)，但非線性模型相對更加復(fù)雜，其所得到的最優(yōu)方案，由于精度高、配煤復(fù)雜等原因，并不一定適宜實際動力配煤過程，因而還需要后續(xù)的進(jìn)一步篩選判斷，以獲得最具操作性和經(jīng)濟(jì)性的配煤方案[6]。

對于線性模型理論，王永保[7]認(rèn)為，動力配煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、灰分、灰熔融性溫度等指標(biāo)具有線性可加性而煤質(zhì)指標(biāo)中的水分不具有線性可加性，他通過建立多目標(biāo)規(guī)劃模型設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，以符合用戶要求的煤質(zhì)指標(biāo)和企業(yè)自身產(chǎn)量為約束條件，用最優(yōu)模型計算出最優(yōu)方案，進(jìn)一步根據(jù)煤炭企業(yè)現(xiàn)有動力配煤系統(tǒng)的實際配煤比修正方案，運(yùn)用該模型在鶴壁煤業(yè)集團(tuán)某礦進(jìn)行動力配煤，從6種原料煤種中選3種進(jìn)行配煤，獲得了發(fā)熱量最高的最佳配煤方案。涂華等[8]依據(jù)現(xiàn)場配煤經(jīng)驗更正了《優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定煤炭質(zhì)量》中動力配煤數(shù)學(xué)模型中的一些表達(dá)式，根據(jù)煤質(zhì)指標(biāo)可加性原理建立方程組，采用二重循環(huán)判斷方法獲得最優(yōu)配比方案，配煤所選指標(biāo)均符合要求，成本僅316.4元/t。付勝等[9]認(rèn)為煤質(zhì)指標(biāo)中的發(fā)熱量、灰分、水分等具有線性可疊加性而燃燒特性、灰熔融點(diǎn)等不具有線性可疊加性，他提出了一種可實現(xiàn)自動計算最優(yōu)配比和變頻調(diào)速控制的自動配煤系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于線性優(yōu)化算法，以配煤價格最低為目標(biāo)，通過PLC控制上位機(jī)組態(tài)與Excel軟件之間的DDE通訊信號，實現(xiàn)了對原煤配比的實時調(diào)整。歐陽永明等[10]認(rèn)為，應(yīng)用動力配煤基本數(shù)學(xué)模型有兩個主要條件：一是必須把煤質(zhì)指標(biāo)設(shè)定成可線性加和的，而且各種指標(biāo)之間互不影響，每種單一煤的指標(biāo)都保持恒定；二是動力配煤對于灰分、硫分、揮發(fā)分以及熱值等限制條件的約束度可以適當(dāng)放寬，也就是，我們可以近似地認(rèn)為這些條件具有線性加和的性質(zhì)。

在非線性模型理論的探索過程中，專家們已經(jīng)嘗試了從BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和灰色系統(tǒng)，再到最近的遺傳算法，以期對非線性規(guī)劃模型的解決問題進(jìn)行研究。這些途徑并不依賴于具體的混煤摻燒過程和模型，而是以機(jī)器語言去實時構(gòu)建混煤燃燒過程的數(shù)學(xué)模型為主。如李穎[11]早期引入BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決混煤特性的非線性特征，在實驗的基礎(chǔ)上利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測動力配煤模型中的一些約束問題，達(dá)到了很好的預(yù)測效果且具有良好的可靠性、穩(wěn)定性。潘華引[12]記錄了他對電廠經(jīng)濟(jì)合理配煤項目的實際推廣，他采用了由浙江大學(xué)開發(fā)的煤炭專用配制系統(tǒng)。他對不同類型的煤炭、不同比例的混配、不同的過量空氣指數(shù)、燃燒溫度以及煤粉的細(xì)度等各種要素進(jìn)行了混燃特性的實驗研究。他運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)估了煤質(zhì)數(shù)據(jù)里的著火溫度和活性能，為后續(xù)相關(guān)理論的進(jìn)一步研究打下了堅實基礎(chǔ)。董平等[13]利用VB進(jìn)行可視化界面的編程，調(diào)用Matlab設(shè)計配煤模型，可基于遺傳算法實現(xiàn)配煤參數(shù)的輸入、輸出和優(yōu)化整個過程。

4 結(jié)語

動力配煤技術(shù)因其廣泛的應(yīng)用前景，研究者們已經(jīng)在配煤方式、配煤工藝、配煤理論和模型等方面做出了很多工作，特別是動力配煤模型近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以實現(xiàn)高精度、準(zhǔn)確性的燃燒性能預(yù)測，但因為煤的燃燒是一個復(fù)雜的多相化學(xué)反應(yīng)，在體量大的爐膛中很難得到控制，因此混煤理論在微尺度方面的研究很難得到開展；而對于混煤摻燒，目前從理論、實驗室到綜試階段，階段性的研究較多，相關(guān)具體的系統(tǒng)的案例仍然不足；對混煤與各單種煤指標(biāo)之間滿足什么條件時才具有線性可加性，考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保等綜合因素條件下到底采用何種優(yōu)化算法等問題需要進(jìn)一步明確。