基于灰色理論對煤燃燒特性的分析研究

劉偉偉， 付麗君， 孫　宇

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030）

基于灰色理論對煤燃燒特性的分析研究

劉偉偉1， 付麗君2， 孫宇1

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030）

本文對我國東北地區常用的六種代表性原煤和四種不同配比的混煤進行了物理化學特性研究。通過實驗研究了十種煤的特性，包括水分、灰分、揮發分、碳、氫、氮、硫、哈氏可磨系數、煤灰真相對密度、煤灰成分等，并對所選十種煤種采用灰色關聯及層次分析法從工業分析、元素分析、發熱量、煤的物理特性、煤灰化學成分及其高溫特性五個方面對煤進行綜合評價，為電廠根據運行條件選擇合適經濟的煤種提供了依據。

煤的特性； 燃燒； 灰色關聯分析； 綜合評價

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.003

0　引言

目前，中國無論在能源資源賦存以及能源工業生產布局上，還是在煤炭市場供需的分析以及煤炭資源與國內生產總值的關系上，都顯現出煤炭資源對中國經濟發展的重要性。與此相適應的產生了可持續發展理論、循環經濟理論，特別是近幾年來低碳經濟概念的發展，引領煤炭資源朝著綠色、清潔、高效的可持續方向發展［1］。但是我國是世界上唯一以煤為主要能源的大國，這樣的能源構成在今后相當長的一段時期內不會發生根本性改變［2］。煤炭在我國最主要的利用方式就是燃燒，特別是火力發電廠的燃燒。

我國大部分電廠都是以煙煤為設計煤種。近年來，由于原煤供不應求，特別是煙煤，這就造成電廠很難繼續使用設計煤種，改燒混煤或者摻燒褐煤及煤泥。在今后，混煤或摻燒的使用將更為廣泛，因此研究不同配比混煤的理化特性在燃燒中的作用具有重要意義。

本文運用灰色層次分析理論首次對常用煤種及混合煤種的特性進行多層次、多指標綜合評判，為火力發電廠根據不同條件和要求選擇經濟合適的煤種提供決策依據。灰色系統理論綜合評價原理簡單，評價結果客觀可靠，在建模、控制、預測和決策等方面均具有明顯的優勢，灰色關聯分析作為灰色理論的一個重要組成部分，已廣泛用于許多科學領域［3］。

1　試驗方法

根據電力行業標準并結合目前大多數電廠對設計煤種的要求，對六種代表性煤以及四種不同配比的混煤進行工業分析、元素分析、發熱量、煤的物理特性以及煤灰化學成分分析和高溫特性等進行檢測分析。這十種煤分別是S1、S2、S3、S4、S5、S6，煙煤褐煤1∶1（S7），俄煤褐煤1∶2（S8），俄煤褐煤1∶1（S9），俄煤褐煤2∶1（S10）。

2　試驗結果與分析

2.1煤的工業分析

煤的工業分析包括水分、灰分、揮發分、固定碳。煤中的水分和灰分都是煤中有害雜質，煤中水分和灰分越多，可燃物成分相對越少，發熱量越低［4］。煤中的揮發分對煤的著火和燃燒有著重要影響。十種煤的工業分析測試結果見表1。

表1　十種煤的工業分析測試結果　%

由表1可知，S3、S5、S6的水分較小，S2、S4、S8的水分較大，表明其會受蒸發影響吸收部分熱量，而且易使煙氣量增大，從而增加了排煙熱損失和引風機熱耗電量；S2、S4、S8的灰分較小，S3、S5、S6、S9的灰分較大，表明S3、S5、S6、S9不僅嚴重污染和破壞環境，也給鍋爐設備造成重大磨損，縮短了設備的使用壽命；S6、S7、S8、S10的固定碳較大，表明其可燃物成分較大。

2.2煤的元素分析

煤的元素分析包括碳、氫、氮、硫、氧五種元素，其中碳和氫是產生熱量的主要來源，其含量決定了發熱量的高低［4］。十種煤的元素分析測試結果見表2。

表2　十種煤的元素分析測試結果　%

由表2可知，S2、S4、S5的含碳量和含氫量較小，S1、S6、S8、S10的含碳量較大，S1、S9、S10的含氫量較大，表明S2、S4、S5燃燒產生的熱量相對較小，S1、S10燃燒熱量相對較大；氮在鍋爐燃燒時產生氮氧化物，隨著煙氣排除，增加環境污染，而S4、S5、S7含氮量相對較低，利于環境保護；S5和S7含氧量較低，煤中含氧量的增大會造成碳和氫的相對組成成分減少，因此可以看出S5和S7由于含氧量較低，增大了煤中碳和氫的相對組成成分，利于燃燒；S4和S5的含硫量較小，S3的含硫量較大，硫不僅隨煙氣排除產生二氧化硫，形成酸雨，破壞環境，而且煤中的黃鐵礦硫增高，造成灰熔融性降低，促使鍋爐結渣，因此含硫量較低的S4和S5，有利于環境保護和延長鍋爐使用周期。

2.3煤的發熱量

發熱量是煤炭作為燃料利用的一個重要特性指標，它對于電力安全生產和經濟運行具有重要的意義［4］。發熱量不僅作為計價、核算發電成本和計算能源利用效率的依據，更是計算爐膛熱負荷及計算物料平衡的重要參數。十種煤的發熱量測試結果見表3。

表3　十種煤的發熱量測試結果　MJ/kg

由表3可知，S2、S4的發熱量較小，S1、S6的發熱量較大，因此若從煤的變質程度和經濟效益考慮，S1和S6這兩種煤相對較好，有利于降低發電企業的煤耗量。

2.4煤及煤灰的物理特性

煤及煤灰的物理特性主要包括煤的哈氏可磨指數、沖刷磨損指數、堆積密度以及煤灰真相對密度、安息角。十種煤的物理特性測試結果見表4。

表4　十種煤的物理特性測試結果

由表4可知，S1、S4、S6的哈氏可磨指數較小，S2的哈氏可磨指數較大，表明S2最易破碎，S1、S4、S6相對不易破碎；煤灰的安息角大小與煤灰的粒徑、篩分組成和水分有關，由表可知，S3、S9的安息角較小，S4、S7的安息角較大。

煤的沖刷磨損指數是煤在被金屬磨件破碎時，煤對金屬磨損件表面的磨損程度。由表4可知，S2、S4的沖刷磨損指數較小，S5、S6的沖刷磨損指數較大，表明S5、S6對金屬磨件磨損性較強，S2、S4對金屬磨件磨損性不強；從表中可知，S2、S4的堆積密度較小，S1、S5的堆積密度較大，表明S1、S5的變質程度較深。

2.5煤灰化學成分分析及其高溫特性

煤灰成分分析與電力生產關系密切，同時給煤灰的綜合利用提供參考依據。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、Na2O、K2O、P2O5等，其中SiO2、Al2O3、TiO2屬于酸性氧化物，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O屬于堿性氧化物。十種煤的煤灰成分分析見表5，十種煤的灰成分中的堿性氧化物和酸性氧化物的比值如圖1所示。通過灰成分分析可計算出灰成分中的堿性氧化物和酸性氧化物的比值，比值越大說明鍋爐結渣越嚴重。由圖1可知，S6的堿性氧化物和酸性氧化物的比值較小，S8的堿性氧化物和酸性氧化物的比值較大，試驗結果表明S8易導致鍋爐嚴重結渣，沖灰管道結垢和腐蝕，而S6對鍋爐設備的侵蝕程度相對較小。煤灰熔融性是動力用煤的重要特性之一，可分為變形、軟化、半球和流動四個特征溫度，但其中軟化溫度是其判斷結渣的重要指標。十種煤的煤灰熔融性軟化溫度見表6。

表5　十種煤的煤灰成分分析測試結果　%

圖1　灰成分中的堿性氧化物和酸性氧化物的比值

表6　十種煤的煤灰熔融性軟化溫度試驗結果　℃

由表6可知，S2、S4、S7、S8、S9的軟化溫度小于1350℃，易造成爐膛結渣，且軟化溫度越小越易造成結渣，試驗結果表明S2最易造成爐膛結渣。

3　綜合評判煤的特性

3.1綜合評判評價指標

本文根據東北火力發電廠燃煤的具體情況，從煤的工業分析、元素分析、發熱量、煤及煤灰的物理特性、煤灰的化學成分分析及其高溫特性五項指標來分析評價十種具體代表性的原煤，這五項指標還受十七種素影響。五項指標分別為工業分析（B1）、元素分析（B2）、發熱量（B3）、煤及煤灰的物理特性（B4）、煤灰的化學成分分析及其高溫特性（B5）；十七種素分別為水分（C1）、灰分（C2）、揮發分（C3）、固定碳（C4）、碳（C5）、氫（C6）、氮（C7）、氧（C8）、硫（C9）、低位熱值（C10）、哈氏可磨指數（C11）、安息角（C12）、沖刷磨損指數（C13）、堆積密度（C14）、煤灰真相對密度（C15）、煤灰高溫特性（C16）、煤灰成分分析（C17）。

3.2評價指標的量化

在評價指標中，需要對評價指標進行量化。根據無量綱處理后的數據計算出各關聯系數組成的系數矩陣F：

F=■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■0.45　0.35　0.88　0.35　1　0.71　0.39　0.36　0.45　0.40 0.43　1　0.41　0.60　0.40　0.40　0.40　0.48　0.40　0.42 0.75　0.67　0.69　0.63　1　0.85　0.68　0.88　0.88　0.94 0.76　0.60　0.81　0.65　0.72　0.96　0.91　1　0.83　0.89 0.98　0.59　0.81　0.65　0.78　0.98　0.89　1　0.91　1 1　0.48　0.67　0.53　0.60　0.68　0.67　0.67　0.76　0.86 0.68　0.77　0.82　0.86　1　0.81　0.94　0.66　0.82　0.68 0.53　0.67　0.89　0.56　0.51　0.72　1　0.48　0.68　0.60 0.45　0.48　0.37　0.60　1　0.44　0.49　0.48　0.49　0.43 1　0.55　0.89　0.65　0.86　0.93　0.76　0.81　0.75　0.86 0.89　0.51　0.62　0.85　0.65　1　0.68　0.59　0.64　0.72 0.81　0.85　0.76　0.90　0.65　0.83　0.90　1　0.78　0.82 0.45　1　0.45　1　0.44　0.42　0.51　0.62　0.50　0.46 0.96　0.67　0.91　0.68　1　0.94　0.78　0.70　0.81　0.88 0.91　0.83　0.88　0.82　0.86　0.98　0.81　1　0.88　0.85 1　0.75　0.88　0.77　1　1　0.85　0.82　0.86　0.89 0.63　0.45　0.53　0.49　0.67　1　0.59　0.42　0.56　0.56■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

3.3確定評價指標的權重

各評價指數對評價對象的影響不同，為了反應實際情況，采用層次分析法確定各評價指標權重系數。層次分析法是把17個評價因素進行兩兩比較，確定各個因素的對比值。由各因素的相互比較值構成判斷矩陣。

對判斷矩陣進行技術計算，求出最大特征值為17.2028，并計算出其對應的特征向量，最后對判斷矩陣運用一致性指標進行檢驗。當判斷矩陣具有滿意一致性時，判斷矩陣最大特征值對應的特征向量就是指標權重系數向量R。

經計算，第一層次的權重系數為：RA= （0.206，0.319，0.236，0.149，0.090）；第二層次的權重系數分別為：RB1=（0.28，0.28，0.28，0.16），RB2=（0.18，0.18，0.10，0.10，0.44），RB3=1，RB4=（0.39，0.13，0.22，0.13，0.13），RB5=（0.36，0.64）。

3.4灰色多層次綜合評判的計算

由關聯系數矩陣F，得到原煤工業分析、元素分析、發熱量、煤及煤灰的物理特性、煤灰的化學成分分析及其高溫特性5個方面的關聯系數矩陣分別為F1、F2、F3、F4、F5。

利用5個關聯系數矩陣和權重系數，計算出第二層的5個子項目綜合評價結果為：

D1=RB1·F1=（0.58，0.66，0.68，0.55，0.79，0.70，0.56，0.64，0.62，0.64）

D2=RB2·F2=（0.68，0.55，0.60，0.62，0.84，0.65，0.69，0.63，0.67，0.65）

D3=RB3·F3=（1.00，0.55，0.89，0.65，0.86，0.93，0.76，0.81，0.75，0.86）

D4=RB4·F4=（0.79，0.72，0.67，0.86，0.68，0.84，0.70，0.72，0.68，0.71）

D5=RB5·F5=（0.76，0.56，0.66，0.59，0.85，1.00，0.68，0.56，0.67，0.68）

利用D1、D2、D3構造第一層次的評價矩陣為：

最后，經計算得出總評結果為：

D=RA·E=（0.759，0.597，0.701，0.646，0.811，0.786，0.680，0.682，0.680，0.709）。

4　結語

由上述計算結果，根據最大關聯度原則對十種煤進行評價可知：僅從工業分析或元素分析評價結果來看，S5是最優的；僅考慮發熱量，則選擇S1，其低位發熱量較高；從電廠設計除塵器參考數據評價，可考慮煤和煤灰的物理特性或煤灰成分和煤灰高溫特性，S6是最佳選擇的。

可見從不同方面評價煤的優劣會得到不同結果，故在評價原煤時需要全面衡量、綜合考慮各方面因素。最后由總評價結果看出最符合電廠安全運行，且最具經濟效益的煤應優選S5，這與試驗結果和實際應用相吻合。

［1］煤炭科學研究總院北京煤化學研究所.煤質分析應用技術指南［M］.北京：中國標準出版社，1992.

［2］朱啟林，甘泓，甘治國，等.我國水資源多目標決策應用研究簡述［J］.水電能科學，2010，9（3）：20～23.

［3］肖新平，宋中民，李峰.灰技術基礎及應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［4］方天沐，杜惠敏，李天榮.燃料分析技術問答［M］.北京：中國電力出版社，2005.

Study on Characteristics of Coal in the Combustion Test Based on Grey Theory

LUI Wei-wei1， FU Li-jun2， SUN Yu1
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Heilongjiang Electric Power Research Institute，haerbin 150030，China）

Making a systemic study to physical and chemical properties with six kinds of representative coal and four kinds of blended coal，which is common used in northeast of china，proposes the characteristics of ten kinds of coal，which includes moisture，ash，volatile matter，carbon，hydrogen，nitrogen，sulfur，HIG，true relative density of ash，composition of ash，etc.And selected ten representative kinds of coals，according to a grey synthetic decision-making system with use of an analytic hierarchy process is introduced to evaluate the performance of coals form five main aspects，which were industry analysis，elemental analysis，calorific value，physical properties of coal，chemical composition and temperature of coal ash. The result shows that it can provide to choose a suitable and economical coal type according for operating conditions of power plant.

characteristics of coal； combustion； grey relational analysis； comprehensive evaluation

TK227.1

B

2095-3429（2015）02-0010-04

劉偉偉（1986-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，主要從事電力化學檢測工作。

2015-01-06

2015-04-10