動力配煤摻燒研究淺析

姜智春

（國電電力發展股份有限公司北京朝陽技術咨詢分公司，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，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備，開發和引進先進的燃煤工藝以及提高煤炭質量著手，而保證煤炭的對路供應，提高煤炭質量管理對于控制燃燒效率和污染程度尤為重要。在當前我國節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的需求，發展動力配煤十分必要。

本文綜述了國內動力配煤摻燒方面的研究進展，分別從摻燒原則、摻燒方式、燃燒理論及數學模型等方面作出了總結，指出了在動力配煤摻燒理論方面存在的短板，為進一步在此方面的研究提供參考。

1 配煤摻燒技術概述

1.1 配煤摻燒工作的原則

動力配煤是將若干種不同種類、不同性質的煤經過篩選、破碎，按一定比例摻配加工等過程達到充分利用煤炭資源、優化產品結構、煤質互補、適應用戶燃煤設備對煤質的要求、提高燃煤效率和減少污染物排放等目的的技術。其要求是發揮各組分單煤的特點，克服單煤不適應燃燒要求的缺點，通過配煤技術，制成適合鍋爐燃燒的混煤，實現合理用煤，提高鍋爐運行的經濟性和安全性，達到調節燃煤品質（包括發熱量、灰分、硫分、揮發分等）和保障燃煤質量均衡化的作用[1]。

為了保證電站鍋爐機組的穩定、安全、經濟、環保運行，在進行配煤摻燒工作的同時需要兼顧電廠整體的運行指標，這就需要考慮到入廠煤和入爐煤的動態監測、煤質實時檢測、各煤場的分區和精細化調控管理等因素，通過優化摻燒方案，實現電廠的經濟效益最大化。動力配煤場的建設應盡量滿足產品結構調整、用戶需求調整，配煤質量和產量調整等要求，同時考慮資源、場地、氣候、市場、運輸線路等綜合因素。此外，宋旭[2]認為：（1）在進行配煤摻燒時，首先要考慮人員和設備的安全，抓好煤場管理，保障鍋爐穩定安全運行，同時應設置一個入爐煤煤質的底線以保障煤質；（2）配煤摻燒工作要根據實際的負荷需求、庫存煤和在運煤的適當搭配，考慮季節、煤價和供應情況等各種因素，及時調整配煤計劃，改善配煤摻燒方式，實現"循環管理, 持續優化"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，高揮發分煤不適合長期儲存，高硫煤需要考慮脫硫系統的出力來進行混燒，預防超標排放事件的發生；（4）要制定明確的摻燒管理辦法，做到燃料經營部門和發電生產部門之間的信息良好互動，維持煤場存煤結構和入爐煤質相對最優。

動力配煤標準化、系列化、規范化有著重要的經濟意義，相關部門制訂此類標準和原則對促進動力配煤的健康發展意義非凡。

1.2 動力配煤摻燒方式

傳統的混煤摻燒“爐前摻配、爐內混燒”的方式需要在爐外完成煤粉的摻混，電廠可以根據摻燒的需要及時調整混入的煤種，而制粉系統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特征相似的燃料，摻混方式多樣并且能確保“摻混后的煤”煤質均勻。但對于煤質特性相差比較大的燃料，該方法可能無法適應，特別是在煤粉可磨性差別大時，可能會影響煤粉的細度和均勻度，導致“搶風”現象出現，混煤摻燒均勻度降低，也可能引起鍋爐部分熄火或結焦[3]。

“分磨制粉，爐內摻燒”的混煤摻燒方式綜合考慮了參混煤種相關煤質參數, 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、爐內摻燒”這種方式，煤粉由不同的粉倉送入燃燒器噴口，通過調整特定的煤粉噴入爐膛的不同溫度區域，來優化爐內溫度場；而 “分磨制粉、倉內摻混、爐內混燒” 則是通過中儲式制粉系統的磨煤機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。

段學農[3]發現, 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、輸送和分配煤的設備、燃燒設備等因素，以此達到良好的經濟和環保效果。

1.3 研究進展及成果

中國的動力配煤發展已經有四十多年的歷史，取得了一定的經濟和環保效益。如燃料流通系統方面，上海市燃料總公司自1979年開展動力配煤工作，1999年建成配煤生產線12條，配煤能力達到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；煤炭系統開展方面1998年底杭州煤場建成并開始投產，1999年月產配煤數萬t，配煤硫分均在0.80%以下，加入一定量的固硫劑后，可使配煤完全達到潔凈燃燒，噸煤利潤可達10元；電力系統方面，大多數電廠根據當時各地來煤的礦點多少及各礦進煤的數量質量情況，不可能采用十分嚴格的配煤方案進行配煤摻燒。電廠通過配煤摻燒，燃煤的質量基本達到了設計煤種的要求，取得了節能的目的，同時還解決了著火困難，鍋爐運行不穩定，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質煤，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電廠被要求使用西部礦區產出的煤炭或裝設脫硫設備。經研究發現，如果東部和中部產的高硫煤（含硫量3.1%）中加入10%的西部產低硫煤（含硫量僅0.3%），其運行成本會低于單純燃燒高硫煤的60%。在20世紀70年代，由于褐煤的質量性能不能經常滿足設計需求，德國一些發電廠不能充分發揮其最大功效。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，在煙煤占比達到15%時，電廠可以全力運轉，而且燃燒更為穩定。煙氣溫度下降，而粗灰和飛灰中的固體未完全燃燒產物也相應減少。澳大利亞運用配煤技術來滿足不同煤質的需求，將這種煤炭運送到世界各地，從而獲得了顯著的經濟利益。荷蘭使用混煤燃燒技術燃燒混煤，以此解決發電廠鍋爐的腐蝕和結渣問題，經過混燒之后，這兩種問題都得到了緩解。而在西班牙，一些質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致鍋爐積渣和磨煤機磨損，由于煤中揮發分含量較低，燃燒難度較大，最終會導致發電設備的可用性降低。因此，實驗燃燒高灰煤時混入高揮發分的煤，試驗結果顯示：使用此種混合燃料，混合煤的揮發分在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，盡管混燒煤的技術在國內外已經得到廣泛的運用和開展，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（例如，熱量、揮發分、灰熔點等）的線性可加性，配煤的精準數學模型，以及配煤的燃燒特性等方面，都需要進一步的研究。

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狀烴揮發出來，既揮發分的析出，揮發分一旦析出，會馬上著火燃燒，為焦炭的燃燒提供溫度條件；溫度繼續升高而使煤中較難分解的烴也析出而揮發掉以后，剩下的就是石墨晶格結構的微小晶粒組成的結合體，既半焦（Char）。半焦由固定炭和一些礦物雜質組成。半焦燃燒的溫度要大于揮發分，因此當揮發分開始燃燒時，它不僅提供能量將半焦加熱至高溫，還能短時間內消耗所有的氧氣，由此半焦通常會在大量煤的揮發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分到揮發分大部分燃燒掉所需時間，約只占總燃燒時間的十分之一，其余時間則用來使半焦逐漸燃盡。

在判斷煤的燃燒性能時，煤質特征對煤的燃燒影響主要表現在煤的煤化程度、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）通常用煤的揮發分和煤的鏡質組反射率來表示，但煤的揮發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組為主，惰性組次之，殼質組較少），它們的燃燒性能可能也存在差異，也就是說煤化參數完全相同的單種煤，其燃燒特性會有所不同。因此煤的鏡質組反射率比煤的揮發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）和化學組成決定，通常可以根據煤的燃料比或揮發分含量預測單種煤的燃燒性能。主要采用熱重分析技術進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。根據這些曲線能夠確定煤的燃燒特性參數，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，主要測量煤的顯微煤巖組成和鏡質組平均隨機反射率Rr.m，并進行DTG、DTA、TG分析。他發現相同煤化程度的煤，煤的燃料比基本相同，而煤的鏡質組平均隨機反射率Rr.m和煤的燃料比存在線性關系，通過建立煤的著火溫度、燃燒特性曲線、燃燼時間和Rr.m的關系來預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。混煤的DTG曲線中出現了雙峰甚至多峰，可見混煤后各單種煤依舊保持自己的燃燒性能，范杜平[5]認為可以用量子力學波的干涉現象來解釋這種現象。

3 動力配煤優化數學模型

優化動力配煤數學模型的構建和求解，可以采用兩種主流的理論。一種觀念是，混煤指標能通過各個單種煤的煤質指標（比如水分，含硫量，揮發分，熱值，灰含量，灰熔點等）的權重平均或線性回歸獲得。換句話說，有線性加和性質，計算機可以輕松和迅速地求解。然而，另一種觀點認為，混煤和單種煤的煤質指標之間存在較為復雜的非線性關系，因此，通常需要運用遺傳算法、模糊數學或者人工神經網絡等方式進行求解。雖然上述兩種理論都能有效地解決動力配煤的優化配方問題，但針對線性規劃理論，不能簡單認為所有單種煤的各項指標都可通過簡單加和去獲得動力煤的實際指標，一些不能滿足線性加和條件的指標可能會存在較大偏差，如灰熔點，燃燒特性等指標無法通過線性模型得出準確預測。對于非線性模型，近年來隨著計算機技術的快速發展和應用，非線性模型精度、準確度更高，可靠性、穩定性加強，但非線性模型相對更加復雜，其所得到的最優方案，由于精度高、配煤復雜等原因，并不一定適宜實際動力配煤過程，因而還需要后續的進一步篩選判斷，以獲得最具操作性和經濟性的配煤方案[6]。

對于線性模型理論，王永保[7]認為，動力配煤的發熱量、揮發分、灰分、灰熔融性溫度等指標具有線性可加性而煤質指標中的水分不具有線性可加性，他通過建立多目標規劃模型設定目標函數，以符合用戶要求的煤質指標和企業自身產量為約束條件，用最優模型計算出最優方案，進一步根據煤炭企業現有動力配煤系統的實際配煤比修正方案，運用該模型在鶴壁煤業集團某礦進行動力配煤，從6種原料煤種中選3種進行配煤，獲得了發熱量最高的最佳配煤方案。涂華等[8]依據現場配煤經驗更正了《優化產品結構穩定煤炭質量》中動力配煤數學模型中的一些表達式，根據煤質指標可加性原理建立方程組，采用二重循環判斷方法獲得最優配比方案，配煤所選指標均符合要求，成本僅316.4元/t。付勝等[9]認為煤質指標中的發熱量、灰分、水分等具有線性可疊加性而燃燒特性、灰熔融點等不具有線性可疊加性，他提出了一種可實現自動計算最優配比和變頻調速控制的自動配煤系統，該系統基于線性優化算法，以配煤價格最低為目標，通過PLC控制上位機組態與Excel軟件之間的DDE通訊信號，實現了對原煤配比的實時調整。歐陽永明等[10]認為，應用動力配煤基本數學模型有兩個主要條件：一是必須把煤質指標設定成可線性加和的，而且各種指標之間互不影響，每種單一煤的指標都保持恒定；二是動力配煤對于灰分、硫分、揮發分以及熱值等限制條件的約束度可以適當放寬，也就是，我們可以近似地認為這些條件具有線性加和的性質。

在非線性模型理論的探索過程中，專家們已經嘗試了從BP神經網絡和灰色系統，再到最近的遺傳算法，以期對非線性規劃模型的解決問題進行研究。這些途徑并不依賴于具體的混煤摻燒過程和模型，而是以機器語言去實時構建混煤燃燒過程的數學模型為主。如李穎[11]早期引入BP人工神經網絡來解決混煤特性的非線性特征，在實驗的基礎上利用神經網絡來預測動力配煤模型中的一些約束問題，達到了很好的預測效果且具有良好的可靠性、穩定性。潘華引[12]記錄了他對電廠經濟合理配煤項目的實際推廣，他采用了由浙江大學開發的煤炭專用配制系統。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、燃燒溫度以及煤粉的細度等各種要素進行了混燃特性的實驗研究。他運用人工神經網絡模型，預估了煤質數據里的著火溫度和活性能，為后續相關理論的進一步研究打下了堅實基礎。董平等[13]利用VB進行可視化界面的編程，調用Matlab設計配煤模型，可基于遺傳算法實現配煤參數的輸入、輸出和優化整個過程。

4 結語

動力配煤技術因其廣泛的應用前景，研究者們已經在配煤方式、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技術的發展，已經可以實現高精度、準確性的燃燒性能預測，但因為煤的燃燒是一個復雜的多相化學反應，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，相關具體的系統的案例仍然不足；對混煤與各單種煤指標之間滿足什么條件時才具有線性可加性，考慮經濟環保等綜合因素條件下到底采用何種優化算法等問題需要進一步明確。