动力配煤掺烧研究浅析

姜智春

（国电电力发展股份有限公司北京朝阳技术咨询分公司，北京 100025）

0 引言

我国煤炭资源丰富，主要集中在华北和西北地区，其中动力煤为主，约占探明储量的72%左右。动力用煤包括无烟煤、贫煤、褐煤、长焰煤、弱粘煤、不粘煤和粘煤等各类煤种，各类煤之间的特性差异明显。为降低排放和污染物，提高煤炭燃烧效率，需要从更新和改造锅炉燃烧设备，开发和引进先进的燃煤工艺以及提高煤炭质量着手，而保证煤炭的对路供应，提高煤炭质量管理对于控制燃烧效率和污染程度尤为重要。在当前我国节能减排的政策背景下，为降低电厂能耗和满足煤炭对路供应的需求，发展动力配煤十分必要。

本文综述了国内动力配煤掺烧方面的研究进展，分别从掺烧原则、掺烧方式、燃烧理论及数学模型等方面作出了总结，指出了在动力配煤掺烧理论方面存在的短板，为进一步在此方面的研究提供参考。

1 配煤掺烧技术概述

1.1 配煤掺烧工作的原则

动力配煤是将若干种不同种类、不同性质的煤经过筛选、破碎，按一定比例掺配加工等过程达到充分利用煤炭资源、优化产品结构、煤质互补、适应用户燃煤设备对煤质的要求、提高燃煤效率和减少污染物排放等目的的技术。其要求是发挥各组分单煤的特点，克服单煤不适应燃烧要求的缺点，通过配煤技术，制成适合锅炉燃烧的混煤，实现合理用煤，提高锅炉运行的经济性和安全性，达到调节燃煤品质（包括发热量、灰分、硫分、挥发分等）和保障燃煤质量均衡化的作用[1]。

为了保证电站锅炉机组的稳定、安全、经济、环保运行，在进行配煤掺烧工作的同时需要兼顾电厂整体的运行指标，这就需要考虑到入厂煤和入炉煤的动态监测、煤质实时检测、各煤场的分区和精细化调控管理等因素，通过优化掺烧方案，实现电厂的经济效益最大化。动力配煤场的建设应尽量满足产品结构调整、用户需求调整，配煤质量和产量调整等要求，同时考虑资源、场地、气候、市场、运输线路等综合因素。此外，宋旭[2]认为：（1）在进行配煤掺烧时，首先要考虑人员和设备的安全，抓好煤场管理，保障锅炉稳定安全运行，同时应设置一个入炉煤煤质的底线以保障煤质；（2）配煤掺烧工作要根据实际的负荷需求、库存煤和在运煤的适当搭配，考虑季节、煤价和供应情况等各种因素，及时调整配煤计划，改善配煤掺烧方式，实现"循环管理, 持续优化"的工作模式；（3）对于同一种类型的煤，要坚持“烧旧储新”的原则，降低热值库存的损失，高挥发分煤不适合长期储存，高硫煤需要考虑脱硫系统的出力来进行混烧，预防超标排放事件的发生；（4）要制定明确的掺烧管理办法，做到燃料经营部门和发电生产部门之间的信息良好互动，维持煤场存煤结构和入炉煤质相对最优。

动力配煤标准化、系列化、规范化有着重要的经济意义，相关部门制订此类标准和原则对促进动力配煤的健康发展意义非凡。

1.2 动力配煤掺烧方式

传统的混煤掺烧“炉前掺配、炉内混烧”的方式需要在炉外完成煤粉的掺混，电厂可以根据掺烧的需要及时调整混入的煤种，而制粉系统不论使用单一或多种煤，其工作原理是相同的。这种混烧方法适合煤质特征相似的燃料，掺混方式多样并且能确保“掺混后的煤”煤质均匀。但对于煤质特性相差比较大的燃料，该方法可能无法适应，特别是在煤粉可磨性差别大时，可能会影响煤粉的细度和均匀度，导致“抢风”现象出现，混煤掺烧均匀度降低，也可能引起锅炉部分熄火或结焦[3]。

“分磨制粉，炉内掺烧”的混煤掺烧方式综合考虑了参混煤种相关煤质参数, 适用于燃烧特性、可磨性等差异较大的情况。其中“分磨制粉、分仓储存、炉内掺烧”这种方式，煤粉由不同的粉仓送入燃烧器喷口，通过调整特定的煤粉喷入炉膛的不同温度区域，来优化炉内温度场；而 “分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧” 则是通过中储式制粉系统的磨煤机来制取所选取的各种煤，各种不同的煤粉送入同一煤粉仓，即在煤粉仓内完成煤粉的混合，所有的燃烧器都使用同一种混合煤，通过各自控制煤粉细度的合理性，从而平衡易燃煤种的燃烧性能与难燃煤种的燃尽烧性。

段学农[3]发现, 混煤的燃烧性能与易燃煤的性能相似，可磨性则更接近难磨煤，燃尽特性接近于难燃尽煤种。因此，电厂在选择混煤掺烧方式时，需要综合考虑煤种的可磨性、燃烧特性、输送和分配煤的设备、燃烧设备等因素，以此达到良好的经济和环保效果。

1.3 研究进展及成果

中国的动力配煤发展已经有四十多年的历史，取得了一定的经济和环保效益。如燃料流通系统方面，上海市燃料总公司自1979年开展动力配煤工作，1999年建成配煤生产线12条，配煤能力达到1200万t/a，年加工配煤300多万t，每年为用户配送煤炭200多万t；煤炭系统开展方面1998年底杭州煤场建成并开始投产，1999年月产配煤数万t，配煤硫分均在0.80%以下，加入一定量的固硫剂后，可使配煤完全达到洁净燃烧，吨煤利润可达10元；电力系统方面，大多数电厂根据当时各地来煤的矿点多少及各矿进煤的数量质量情况，不可能采用十分严格的配煤方案进行配煤掺烧。电厂通过配煤掺烧，燃煤的质量基本达到了设计煤种的要求，取得了节能的目的，同时还解决了着火困难，锅炉运行不稳定，燃尽率低等一系列问题。

国外对配煤（混煤）研究则主要集中于混煤燃烧性能和污染物防治等方面。美国动力用煤大部分为优质煤，其中东部、中部含硫较多，分别为1.8%～3.8%和 2.5%～5.0%，而西部煤含硫少，约为0.3%～1.5%。按照SOx排放要求，那些位于东部和中部的发电厂被要求使用西部矿区产出的煤炭或装设脱硫设备。经研究发现，如果东部和中部产的高硫煤（含硫量3.1%）中加入10%的西部产低硫煤（含硫量仅0.3%），其运行成本会低于单纯燃烧高硫煤的60%。在20世纪70年代，由于褐煤的质量性能不能经常满足设计需求，德国一些发电厂不能充分发挥其最大功效。因此，他们选用褐煤和烟煤混燃的方式，增加褐煤的使用效益。例如，在Ptolemosis和Aliveri电厂，使用混入一定烟煤的褐煤，在烟煤占比达到15%时，电厂可以全力运转，而且燃烧更为稳定。烟气温度下降，而粗灰和飞灰中的固体未完全燃烧产物也相应减少。澳大利亚运用配煤技术来满足不同煤质的需求，将这种煤炭运送到世界各地，从而获得了显著的经济利益。荷兰使用混煤燃烧技术燃烧混煤，以此解决发电厂锅炉的腐蚀和结渣问题，经过混烧之后，这两种问题都得到了缓解。而在西班牙，一些质量较差的煤中灰分含量为16%～55%，平均为45%，Joaquin Ganzales Blas的研究指出，使用这种高灰分煤炭会导致锅炉积渣和磨煤机磨损，由于煤中挥发分含量较低，燃烧难度较大，最终会导致发电设备的可用性降低。因此，实验燃烧高灰煤时混入高挥发分的煤，试验结果显示：使用此种混合燃料，混合煤的挥发分在12%～16%之间，灰分低于45%，从而提升了电厂的燃烧效率和利用率。

总体而言，尽管混烧煤的技术在国内外已经得到广泛的运用和开展，然而，它的理论研究还有待加深，特别是在混烧煤的特性参数（例如，热量、挥发分、灰熔点等）的线性可加性，配煤的精准数学模型，以及配煤的燃烧特性等方面，都需要进一步的研究。

2 混煤燃烧特性研究

煤在受热时，煤粒中的水分最先开始蒸发出来，变成干燥的煤，也就是我们通常所说的煤的干燥基，在这个过程中，燃料不但不释放热量还吸收热量；伴随着温度的升高，煤中最易断裂的链状和环状烃挥发出来，既挥发分的析出，挥发分一旦析出，会马上着火燃烧，为焦炭的燃烧提供温度条件；温度继续升高而使煤中较难分解的烃也析出而挥发掉以后，剩下的就是石墨晶格结构的微小晶粒组成的结合体，既半焦（Char）。半焦由固定炭和一些矿物杂质组成。半焦燃烧的温度要大于挥发分，因此当挥发分开始燃烧时，它不仅提供能量将半焦加热至高温，还能短时间内消耗所有的氧气，由此半焦通常会在大量煤的挥发分被烧掉后才开始燃烧。在煤的整个燃烧过程中，从开始干燥和干馏出挥发分到挥发分大部分燃烧掉所需时间，约只占总燃烧时间的十分之一，其余时间则用来使半焦逐渐燃尽。

在判断煤的燃烧性能时，煤质特征对煤的燃烧影响主要表现在煤的煤化程度、煤的煤岩组成和煤的矿物组成上[4]。对于煤的煤化程度（煤阶）通常用煤的挥发分和煤的镜质组反射率来表示，但煤的挥发分还受到煤的煤岩组成影响。即使是相同煤化程度的煤，由于煤的煤岩组成存在差异（我国的煤的煤岩组成以镜质组为主，惰性组次之，壳质组较少），它们的燃烧性能可能也存在差异，也就是说煤化参数完全相同的单种煤，其燃烧特性会有所不同。因此煤的镜质组反射率比煤的挥发分能更好地反映煤的煤化程度（煤阶）。单种煤的燃烧特性由其煤化程度（煤阶）和化学组成决定，通常可以根据煤的燃料比或挥发分含量预测单种煤的燃烧性能。主要采用热重分析技术进行煤的燃烧特性研究，并通过热天平获取煤在燃烧过程中产生的DTG（微商失重曲线）、DTA（微商放热曲线）、TG（失重曲线）等特性曲线。根据这些曲线能够确定煤的燃烧特性参数，煤的DTG曲线相同的话，其燃烧性能基本一致。因此，DTG曲线被称为“煤的燃烧指纹”曲线。

戴财胜[4]测试了11种单种煤的煤岩参数，主要测量煤的显微煤岩组成和镜质组平均随机反射率Rr.m，并进行DTG、DTA、TG分析。他发现相同煤化程度的煤，煤的燃料比基本相同，而煤的镜质组平均随机反射率Rr.m和煤的燃料比存在线性关系，通过建立煤的着火温度、燃烧特性曲线、燃烬时间和Rr.m的关系来预测动力配煤中混煤的燃烧特性，并给出了燃烧性能好坏的判断指标。混煤的DTG曲线中出现了双峰甚至多峰，可见混煤后各单种煤依旧保持自己的燃烧性能，范杜平[5]认为可以用量子力学波的干涉现象来解释这种现象。

3 动力配煤优化数学模型

优化动力配煤数学模型的构建和求解，可以采用两种主流的理论。一种观念是，混煤指标能通过各个单种煤的煤质指标（比如水分，含硫量，挥发分，热值，灰含量，灰熔点等）的权重平均或线性回归获得。换句话说，有线性加和性质，计算机可以轻松和迅速地求解。然而，另一种观点认为，混煤和单种煤的煤质指标之间存在较为复杂的非线性关系，因此，通常需要运用遗传算法、模糊数学或者人工神经网络等方式进行求解。虽然上述两种理论都能有效地解决动力配煤的优化配方问题，但针对线性规划理论，不能简单认为所有单种煤的各项指标都可通过简单加和去获得动力煤的实际指标，一些不能满足线性加和条件的指标可能会存在较大偏差，如灰熔点，燃烧特性等指标无法通过线性模型得出准确预测。对于非线性模型，近年来随着计算机技术的快速发展和应用，非线性模型精度、准确度更高，可靠性、稳定性加强，但非线性模型相对更加复杂，其所得到的最优方案，由于精度高、配煤复杂等原因，并不一定适宜实际动力配煤过程，因而还需要后续的进一步筛选判断，以获得最具操作性和经济性的配煤方案[6]。

对于线性模型理论，王永保[7]认为，动力配煤的发热量、挥发分、灰分、灰熔融性温度等指标具有线性可加性而煤质指标中的水分不具有线性可加性，他通过建立多目标规划模型设定目标函数，以符合用户要求的煤质指标和企业自身产量为约束条件，用最优模型计算出最优方案，进一步根据煤炭企业现有动力配煤系统的实际配煤比修正方案，运用该模型在鹤壁煤业集团某矿进行动力配煤，从6种原料煤种中选3种进行配煤，获得了发热量最高的最佳配煤方案。涂华等[8]依据现场配煤经验更正了《优化产品结构稳定煤炭质量》中动力配煤数学模型中的一些表达式，根据煤质指标可加性原理建立方程组，采用二重循环判断方法获得最优配比方案，配煤所选指标均符合要求，成本仅316.4元/t。付胜等[9]认为煤质指标中的发热量、灰分、水分等具有线性可叠加性而燃烧特性、灰熔融点等不具有线性可叠加性，他提出了一种可实现自动计算最优配比和变频调速控制的自动配煤系统，该系统基于线性优化算法，以配煤价格最低为目标，通过PLC控制上位机组态与Excel软件之间的DDE通讯信号，实现了对原煤配比的实时调整。欧阳永明等[10]认为，应用动力配煤基本数学模型有两个主要条件：一是必须把煤质指标设定成可线性加和的，而且各种指标之间互不影响，每种单一煤的指标都保持恒定；二是动力配煤对于灰分、硫分、挥发分以及热值等限制条件的约束度可以适当放宽，也就是，我们可以近似地认为这些条件具有线性加和的性质。

在非线性模型理论的探索过程中，专家们已经尝试了从BP神经网络和灰色系统，再到最近的遗传算法，以期对非线性规划模型的解决问题进行研究。这些途径并不依赖于具体的混煤掺烧过程和模型，而是以机器语言去实时构建混煤燃烧过程的数学模型为主。如李颖[11]早期引入BP人工神经网络来解决混煤特性的非线性特征，在实验的基础上利用神经网络来预测动力配煤模型中的一些约束问题，达到了很好的预测效果且具有良好的可靠性、稳定性。潘华引[12]记录了他对电厂经济合理配煤项目的实际推广，他采用了由浙江大学开发的煤炭专用配制系统。他对不同类型的煤炭、不同比例的混配、不同的过量空气指数、燃烧温度以及煤粉的细度等各种要素进行了混燃特性的实验研究。他运用人工神经网络模型，预估了煤质数据里的着火温度和活性能，为后续相关理论的进一步研究打下了坚实基础。董平等[13]利用VB进行可视化界面的编程，调用Matlab设计配煤模型，可基于遗传算法实现配煤参数的输入、输出和优化整个过程。

4 结语

动力配煤技术因其广泛的应用前景，研究者们已经在配煤方式、配煤工艺、配煤理论和模型等方面做出了很多工作，特别是动力配煤模型近年来随着计算机技术的发展，已经可以实现高精度、准确性的燃烧性能预测，但因为煤的燃烧是一个复杂的多相化学反应，在体量大的炉膛中很难得到控制，因此混煤理论在微尺度方面的研究很难得到开展；而对于混煤掺烧，目前从理论、实验室到综试阶段，阶段性的研究较多，相关具体的系统的案例仍然不足；对混煤与各单种煤指标之间满足什么条件时才具有线性可加性，考虑经济环保等综合因素条件下到底采用何种优化算法等问题需要进一步明确。