混煤掺烧最佳配比的研究

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摘要
通过对不同掺配比下的两种烟煤掺混得到的混煤进行常规煤质分析，热重实验和一维炉半工业燃烧试验，研究混煤燃烧性能，并借助模糊数学综合评判模型，对电厂安全经济性，热经济性，环保经济性进行综合评判，以指导电厂进行中试试验，探索适合电厂锅炉实际运行的混煤最佳配比。

本文建立了一套混煤最佳配比的研究方法，提高电厂经济效益，达到安全经济运行和节能减排的目的。

利用常规分析测试和热重实验对烟煤单煤及其不同比例的混煤进行煤质分析和燃烧性能研究。

常规分析结果显示，混煤元素分析和工业分析满足线性加权关系。

热重实验发现，掺烧着火特性更好的烟煤可以降低初析温度，加快挥发份的释放速度，有利于提高着火稳定性。

但掺烧着火特性更好的烟煤时，挥发份释放不均，导致局部缺氧使燃烧相互抑制，燃尽率反而降低，在接近1：1掺配比例时抑制最严重。

在结渣性能的研究中，发现高低灰熔点煤掺烧可以明显改善低熔点煤的结渣性能。

建议电厂在掺烧烟煤时，尽量选用煤质稳定，性能相近的掺配煤种，提高热经济性，对结渣倾向严重的锅炉建议采用高低灰熔点煤掺烧以改善结渣性能。

本文利用一维炉煤粉燃烧炉台架对相同煤种的着火特性、燃尽特性、结渣特性和排放特性进行热态试验，以期获得更接近炉膛实际燃烧过程的各煤种燃烧特性，为煤种特性的判断提供更丰富信息。

通过热态燃烧试验验证，试验工况下总结相同煤种的着火特性、燃尽特性、结渣特性与热重实验得出的结论基本一致，增强了实验结果的
的生成量介于两掺配单煤之间，与单煤含硫可信度。

此外，热态试验结果显示，SO
2
量呈近乎线性关系。

NOx的生成量则更多受燃烧条件的影响，与单煤含氮量无明显线性关系。

在热重实验和一维炉燃烧试验的基础上，掌握单煤和混煤的燃烧特性，结渣特性和排放特性后，结合单煤的价格因素，借助模糊综合评判模型，协助电厂管理者进行综合决策，确定两种烟煤的最佳掺混比例，最后利用热重实验和一维炉燃烧试验得出的混煤燃烧特性规律对变工况下的计算结果进行分析，验证了模型的正确性。

关键词：混煤最佳配比热重分析一维炉模糊综合评判
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Abstract
To get the best respective mass fractions of component coals to adapt station boiler, based on research in elementary and industry analysis, thermo gravimetric analysis (TGA) and one-dimension combustion of binary coal blends, this thesis made an overall comprehensive evaluation of power plants efficiency on safety, heat and environment with the help of fuzzy comprehensive evaluation algorithm. It established a method to improve economic effectiveness of power plant on safety, heat and environment by burning binary coal blends.
Through research in elementary and industry analysis, thermo gravimetric analysis (TGA) of binary coal blends, this thesis finds that it can improve igniting characteristic by blended with another soft coal which has lower ignition temperature, while it may bring down burnout rate since lacking oxygen locally, which could be caused by unequal distribution of volatiles. On slagging research, it finds that it can improve slagging characteristic by blended with another high-ST coal. It suggests power station to burn coal blended with one that has similar components and high-ST coal to improve ignition, burnout and slagging characteristics.
To get more information of soft coal blends’ performance on ignition, burnout, slagging and pollution emission in power station furnace chamber, this thesis completed coal blends burning experiment in one-dimension drop furnace. Results show that conclusion in TGA experiment is reliable. Moreover, it proves that coal blends SO2emission is linear with fractional coals’ sulfur percentage, but NOx emission has no isn’t since it depends more on combustion condition.
Having recognized coal blends’ properties on ignition, burnout, slagging and SO2 emission, this thesis used fuzzy comprehensive evaluation algorithm to help power station manager get the best blending ratio to coordinates heat efficiency, safety, pollution emission and coal price. As rules concluded from TGA and one-dimension drop furnace experiment under different conditions show, the fuzzy model is reliable.
Keywords : coal blends，best ratio，TGA， drop furnace， fuzzing mathematics
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目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1 绪论 (1)
1.1混煤研究的意义 (1)
1.2配煤技术简介 (2)
1.3国内外研究现状 (3)
1.4论文研究内容和方法 (9)
1.5本章小结 (11)
2 煤质特性分析 (12)
2.1煤质特性对燃烧工况及环境的影响 (12)
2.2实验方案和台架介绍 (14)
2.3测试结果及分析 (15)
2.4本章小结 (25)
3 一维炉燃烧试验及分析 (26)
3.1试验目的与方案 (26)
3.2试验台架与试验条件 (26)
3.3试验结果与分析 (28)
3.4本章小结 (34)
4 混煤最佳配比研究 (35)
4.1寻优方案 (35)
4.2模糊综合评判法 (36)
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4.3算例和验证 (36)
4.4本章小结 (39)
5 结论及展望 (40)
5.1结论 (40)
5.2展望 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
附录作者在攻读硕士学位期间获得的成果 (48)
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1 绪论
1.1 混煤研究的意义
能源和环境问题是人类生存与持续发展的基石，同时也是经济、社会发展的重要制约因素。

能源和环境问题在大部分国家，无论是政界和学界都是一个中心的议题。

党的十七大报告提出“加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力。

坚持节约资源和保护环境的基本国策，关系人民群众切身利益和中华民族生存发展，必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置”。

我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭的生产量与消费量均占世界首位。

煤炭资源在我国一次能源构成中占据重要的地位，约为目前已探明的矿物能源资源的90%。

因此，我国以煤为主的能源生产和消费结构在今后相当长的时间内不会有根本性的变化。

煤炭的大量开发和利用在推动国民经济发展的同时，也对环境造成了巨大的破坏和不利影响。

2006年，中国煤炭产能为23.8亿吨，比2005年增加了8.1%。

国家安监总局的数据表明，2007年全年煤炭产量比2006年增加1.9亿吨，总量达到25.7亿吨，增幅为7.9%。

不过，对年经济增长率高达10%以上的中国来说，这巨额的国内煤矿产量还不足以满足需求。

2006年中国煤炭进口为3500万吨，2007年约达到5000万吨。

2007年5月29日国家发改委发布的报告显示，国家控制煤炭出口、鼓励煤炭进口的政策效应逐步显现，延续2006年煤炭净出口大幅下降的趋势，2007年一季度煤炭进出口平衡量，由上年同期的净出口789万吨转变为净进口289万吨。

而1～9月进口煤达到3861万吨，同增47.6%；出口为3801万吨，同降20.9%。

2007年以来，在原材料价格上涨、政策性增支因素大幅度增加的条件下，随着供求关系和进出口关系的变化，国内动力用煤价格持续上涨。

同时，受国际原油价格大幅上涨、海运费持续走高、美元不断贬值、澳大利亚削减煤炭出口配额以及冬储煤需求增加等多因素影响，国际煤炭市场供求偏紧的状况进一步加剧。

从全球能源结构分布来看，火力发电长期处于统治地位，并且在今后的若干年内，这一情况仍将维持。

我国经济建设正日新月异，工业发展突飞猛进，煤炭消耗量日益增加，电煤供需日趋紧张。

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由于我国煤炭洗选率比较低，运输能力不足以及国家有关对电站锅炉尽量燃用劣质煤的政策等原因，造成电厂不可能燃用单一煤种，而不得不燃用混煤。

据水电部所属火电厂统计，1982年各类牌号的煤掺烧已高达44%；1987年，哈尔滨成套设备研究所对全国的428个主力火电厂的基本情况进行调查时，发现绝大部分电厂很难燃用设计煤种，掺烧各种混煤的现象相当普遍[1～3]，并且有的电厂设计煤种即为混煤[4]。

在煤炭市场供求偏紧的情况下，优质电煤资源短缺，供应和调运任务的组织难度大，总体供应不足，导致电厂燃煤来源不稳定、煤质波动大，威胁制粉系统、燃烧系统和脱硫系统的正常工作。

由于未来煤炭需求总体呈上升趋势，煤炭供需缺口会越来越大，故对发电企业的安全、经济、环保运行提出了新的挑战。

随着煤炭价格的上涨，发电成本的提高，竞价上网的实施，发电市场竞争将会愈来愈激烈，客观原因迫使电厂降低成本，降低电厂自身的能源消耗和污染物的排放，进一步提高竞争力。

掺烧混煤扩大锅炉对煤种的适应性，对确保发电企业安全经济运行有着显著的意义。

一般说来，混煤燃烧时，若混煤选择恰当，混合均匀，配比合理，创造良好的燃烧条件，能给电厂带来更大的选择余地，能允许操作系统对电厂参数做出更好的控制，可以为适应不断变化的操作做一定限度的改进[5]，发挥组分煤种各自的优越性，取长补短，给锅炉的安全和经济性带来良好的影响。

然而，混煤虽然是一个简单的机械混合过程，但由于不同煤种的物理化学组成及燃烧特性不同，掺混燃烧时不可能同时满足单煤的最佳燃烧条件，因此，若混煤配置不当，会造成燃烧设备运行水平下降，燃烧不稳定，效率降低，积灰结渣加剧，导致爆管甚至停炉事故。

混煤燃烧最佳配比研究具有很高的社会和经济效益。

1.2 配煤技术简介
所谓“动力配煤”，就是燃料生产流通部门根据用户对煤质的要求，将若干种不同种类、不同性质的煤按照一定比例掺配加工成混合煤，这种煤虽然具有掺配单煤的某些特征，但其综合性能已有所改变，实际上是认为加工而成的一个新的煤种。

动力配煤的基本原理就是利用各种煤在性质上的差异，相互“取长补短”，发挥各掺配煤种的优点，最终使配出的混合煤在综合性能上达到“最佳性能状态”，以满足用户和环境的要求。

在配煤技术方面，国外配煤一般采用仓混式、库混式、带混式或采用炉内直接混合等形式，并且已经发展到依靠配煤理论、运用计算机指导煤场和电厂的动力配煤。

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动力配煤技术具备以下几点意义：
1.保证燃煤特性与用煤设备设计参数相匹配、提高设备热效率节约煤炭；
2.通过“均质化”来保证燃煤质量的稳定，实用煤设备正常、高效运行；
3.充分利用低质煤或当地现有煤炭资源，做到物尽其用，提高社会效益；
4.调节燃煤中硫及其它有害物质的含量、满足环保要求。

1.3 国内外研究现状
从事混配煤技术研究比较早的国家有美国、德国、日本、英国、西班牙、荷兰和加拿大等。

早期国外电厂使用的混煤主要是在煤矿、中转单位和煤处理厂配制，混煤方式主要采用仓混、库混、带混和炉内混合，现在配煤技术已发展到采用在线检测技术，微机控制技术，对性能各异的煤种进行煤厂集中优化配制[6]。

在国外混煤的主要目的是降低煤粉燃烧的SOx、NOx排放量，降低锅炉的结渣、沾污和积灰，充分利用高热值煤，使煤的发热量、灰分及矿物质含量保持稳定，以满足不同用户的需要。

在美国，燃用的动力煤均为优质煤，配煤的目的主要是控制污染物的排放。

美国东部和中部煤的含硫量高，而西部煤含硫量较低。

为降低脱硫成本，许多电厂开展了东部或中部煤掺烧西部煤的研究工作，取得一定的成功[7~8]。

目前，美国一些机构正研究掺烧劣质煤以降低发电成本。

德国混煤实践起于70年代初。

Ptolemosis和Aliveri电厂曾通过在褐煤中掺烧15%的烟煤使机组达到满负荷，同时锅炉的燃烧稳定性得到了提高，灰渣可燃物含量降低，排烟温度下降，使机组的经济性得到提高[9]。

日本岛国资源短缺，燃料主要依赖进口，为减少运输费用，进口的发热量较高但挥发份较低的无烟煤较多，无烟煤的稳燃性能较差，给锅炉燃烧带来一些问题，希望采用混烧烟煤的方法对燃烧稳定性进行改善，因此，日本针对混煤燃烧问题进行了研究[10]。

国内配煤技术最早是在1979年初上海市燃料总公司首先提出和应用的。

现在全国燃料系统已经先后在北京、天津、上海、沈阳、南京等城市建立了动力配煤生产线。

到90年代全国已经建成该类生产线200余条，年配煤量2000~3000万吨[11]。

在配煤方式方面，国内通常按发热量和挥发份的要求进行一定比例的掺混，因未综合考虑着火、燃尽、结渣和污染物排放等因素，所以，尽管在煤种适应性上有一定
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效果，但在燃烧效率、积灰结渣、污染物排放等方面仍不尽人意。

也有极少数煤场采用集中配煤，但目前这些煤场集中配煤系统尚不完善，距国外采用在线检测和实时优化专家控制系统进行配煤的水平还相去甚远，再加上配煤缺乏充分的科学依据，只能是对不同煤种的简单机械掺混，无法考虑到上述诸多因素的复杂性，从而无法保证配煤的质量[12-13]。

配煤技术的发展受到混煤燃烧研究发展的制约。

由于混煤燃烧研究的相对落后，增加了配煤的盲目性和随意性。

国内外学者对混煤燃烧做了大量研究工作。

1.3.1 混煤着火特性研究
通过对煤着火机理的研究，煤的均相着火和非均相着火机理己为人们普遍接受。

若颗粒表面加热速率高于颗粒整体热解速率，着火发生在颗粒表面，称之为非均相着火。

若颗粒表面加热速率低于整体热解速率，着火发生在颗粒周围的气体边界层中，称为均相着火。

之后人们更进一步认识到，随着加热速率的升高，它们均向由挥发份火焰直接引燃炭核的联合着火方式过渡[14, 15]。

最近也有实验和理论研究认为，在着火初期挥发份与碳的燃烧是同时进行的[16]，在热解阶段，碳己开始燃烧。

在两种着火方式的理论方面，炭粒非均相着火的热力理论与许多实验结果相符，得到了较普遍的承认和应用[17]
煤的着火特性研究较为广泛的是采用热天平方式。

通过得到的TG曲线和DTG曲线来确定着火点，进而对煤的着火特性进行比较也是研究者常用的方法。

一般常见的在热天平上定义着火点的方法有：TG-DTG法、温度曲线突变法、DTG曲线法、TG 曲线分界点法和TG-DTG曲线分界点法[18]。

在对混煤的着火特性研究中，有学者采用热天平对混煤的着火温度进行分析。

曾汉才等(1996年) [19]通过热天平分析了黄陵烟煤和阳沁无烟煤的混煤特性，认为混煤的着火特性是各组分煤特性相互影响的结果。

郭嘉等(1993年)[20]在一维沉降炉上对晋城无烟煤、河南贫煤和临汾烟煤三种煤的混煤着火温度进行了测定研究，发现在无烟煤中掺入少于50%的贫煤或烟煤，可以明显改善着火性能，而继续增加掺烧煤的比例，着火温度的变化趋于平缓。

侯栋岐等(1995年)[21, 22]通过对混煤的着火指数的测量发现，两种煤质特性相差较大的煤混合后，煤粉气流着火指数并不符合两单煤的加权平均值，而是明显地靠近单煤中较低着火指数的数值，混煤的着火特性趋于易着火的单
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煤。

曾汉才等(1993年)[19]和邱建荣等(1997年)[23]采用一维沉降炉也得到了类似的结论。

他们还认为采用工业分析的挥发份来对混煤着火特性进行判别并不合适，因为试验证明混煤的着火特性要较同挥发份单煤的着火特性差，他们提出了等效挥发份的概念，即采用在一维沉降炉上得到的着火指数来对混煤的挥发份量进行修正，以期能与单煤的挥发份进行比较，所得到的等效挥发份要较混煤的实际挥发份小。

周光华等(1995年)[24]提出了混煤的当量挥发份的概念，即将测得的混煤的着火温度在单煤的挥发份与着火温度曲线上反推出的挥发份称为混煤的当量挥发份。

这一挥发份数值与等效挥发份一样较混煤的实际挥发份小。

采用着火反推法可以判断一个煤样是否为混煤或单煤，在此基础上，可以对来煤进行监测和分析。

总之，对混煤着火特性的研究中，普遍认为混煤中各组分煤是相互影响的。

1.3.2 混煤燃尽特性研究
对于燃煤锅炉尤其大型电站锅炉来说，煤粉的燃尽特性将直接影响锅炉的燃烧效率和运行经济性。

而煤粉的燃尽性能直接取决于炭粒的燃尽，炭粒的反应速率则受诸多因素的影响。

最近的研究证明，并不是颗粒的粒径越大其所需的燃尽时间越长，存在一个煤燃尽时间最长的粒径[16]。

邱建荣等(1993年)对晋城污染煤、潞安贫煤和临汾烟煤及其混煤在沉降炉和一维燃烧炉上的燃尽特性进行了试验得出，无烟煤中掺烧贫煤或烟煤后，在不采用分级燃烧的条件下，性能差异越大的两种煤混合后其燃尽性能越差；而采用分级燃烧后，混煤的燃尽性能有所提高。

采用分级燃烧与不分级燃烧时混煤的燃尽特性的变化规律与H.Maier等人[25, 26]的研究结果相似。

邱建荣等分析认为这是由于不分级燃烧时高挥发份煤的抢风使低挥发份煤缺氧造成燃尽困难，建议电厂在燃烧混煤时采用分级配风、降低煤粉细度及选择最佳掺烧率等方法来强化混煤的后期燃尽。

候栋岐等[21]采用热天平对干燥无灰基焦样进行了研究，发现混煤煤焦的热分析燃尽率曲线处于两个单煤煤焦燃尽率曲线之间，但不是加权平均关系，而是比较靠近难燃尽的单煤，因此认为，难燃尽煤中掺入易燃尽的煤改善其燃尽特性的效果不会太显著。

陈冬林[67]等也对烟煤与无烟煤的混煤进行研究，认为混煤的燃尽时间取决于其中无烟煤的燃尽时间，并认为无烟煤掺入烟煤后对燃尽特性没有多大改善。

总之，对混煤燃尽特性的研究在国内缺乏大型半工业化实验台研究，所得的结论
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也是认为混煤的燃尽特性较偏于难燃煤。

1.3.3 混煤结渣特性研究
由于结渣特性直接关系到锅炉机组运行的安全性，因此，对煤结渣特性进行研究受到国内外众多学者的重视。

目前混煤的结渣特性的研究强烈依赖单煤的结渣特性研究。

因此，这里首先对单煤结渣特性进行一下总结。

燃料特性、锅炉结构和运行方式是决定锅炉结渣的三大要素。

同一个煤种在不同锅炉和不同运行工况下结渣程度是不同的。

这三者相互影响，使结渣问题复杂化[27~31]，而三者中，对燃料特性的研究是锅炉设计和运行的主要依据，因此，对燃料结渣特性的研究受到许多重视。

对易结渣煤质的判别，一直受到许多学者的关注，并提出了许多的判别指数和判别方法。

从大的方面来分，主要分为灰熔点型结渣指数法、灰成分型结渣指数法、灰粘度型结渣指数法、特种方法和综合判别方法[32~38]。

下面分别进行介绍: A: 灰熔融型结渣指数法
灰的熔融特性是评定煤灰结渣性能的一个重要准则。

目前世界上大多数国家测定煤灰的熔融性以角锥法作为标准方法。

判别煤灰熔融性习惯上采用灰熔点(软化温度ST)。

哈尔滨成套设备研究所根据实际结渣情况对250种中国煤进行判别发现，用软化温度不同来判定煤的结渣性并配以灰成分判别的分辨率约为65%。

B．灰成分型结渣指数法
由于灰的熔融特性主要是由灰中各成分的综合作用结果产生的，因而许多学者致力于用灰的成分来判别煤的结渣特性。

目前国内外采用的灰成分判别指数有；碱酸比、硅铝比、硅比、铁钙比、结渣指数、沾污指数和结渣温度等。

据研究，灰成分型结渣指数的分辨率只有30%左右。

因此，一般要与其他判别方法结合使用，作为辅助判别手段。

美国曾对130台300MW及以上容量锅炉进行了各种结渣指数的调研，结果表明，没有一项可以完全正确预报结渣倾向，其中软化温度、硅铝比分辨率最高，这是针对美国煤情况。

哈成套所根据实际情况对250种中国煤进行的判别，其分辨率为65%。

哈锅炉厂与哈工大对我国褐煤研究结果认为，软化温度和硅铝比两项综合指标分辨率可达74%。

结果见表1-1。

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表1-1 灰熔融温度和灰成分判别结渣情况
C: 灰粘度型结渣指数法
用灰粘度来预示结渣特性有相当的准确度。

因为从理论上讲，只有当一部分灰粒的粘度足以使其附着在壁面上，才有可能在炉膛壁面上产生结渣。

西安热工院已将此法用于大容量锅炉设计。

另外由不同气氛粘温特性曲线计算出的粘度结渣指数Rn被认为是预测各类煤灰结渣倾向较为可靠的指标之一。

由于测量材料的限制，国内主要采用还原气氛下的粘度。

西安热工院曾对30余种煤进行了单一还原气氛粘温特性测定，并得到了单一还原气氛下粘度结渣指数Rn 。

D: 研究煤结渣的特种方法
近年来采用先进的设备对煤结渣特性进行研究，就形成了研究煤结渣的特种方法。

判别的准确性有待于进一步研究。

主要有：热显微镜法、重力筛分法、渣型对比法、热平衡相图法和电子探针扫描电镜法。

热显微镜法：用热显微镜可以测定煤的加热过程中的形态和产生的釉质。

釉质及其球径越大(表面张力也越大)，则结渣性越强。

反之，在加热过程中不产生釉质或变形不大的煤种，则结渣性不强。

这是一种判别煤结渣特性的新方法。

重力筛分法：在煤的研磨过程中，各种矿物质可能发生偏析，密度不同的煤粉其成分就存在一定差异。

重组分筛分物中Fe2O3；含量较大的为易结渣煤种，而轻组分中碱金属含量较高者为易沾污煤种。

用重力筛分法来深入判别灰的结渣特性也是一种新的方法。

渣型对比法：实验在一维火焰炉上进行，用硅碳棒插到煤粉火焰的各个区域中，让灰渣结到碳化硅棒上，然后视其所结灰渣的特性进行分类，进而研究煤灰的结渣特性。

热平衡相图法：由灰成分中主要数种氧化物构成三元或四元相图，通过相图来预。