国内10年来混煤研究综述及预测

国内10年来混煤研究综述及预测

范杜平1

（华中科技大学煤燃烧重点实验室 武汉 430074）

摘 要：综述了国内10年来混煤研究的情况——混煤掺烧配比和混煤热解与燃烧两个主要问题。根据相应的研究文献，总结了混煤掺烧配比和混煤热解与燃烧问题研究的大体框架；在此框架下，对国内近10年来研究情况的分析和讨论，得出今后研究的发展方向、亟待解决的问题和一些现象解释的可能方向。

关键词：混煤研究；混煤配比；热解与燃烧

随着动力配煤的开展，国内科研单位对配煤做了许多研究性的工作。为了使此课题的开展进一步得到完善，本文分析和讨论了近10年国内在此方面的研究成果，提出了国内在此研究中还存在的一些未解决问题，并得出国内在此方面的努力方向和一些现象解释的可能方向。

1、混煤掺烧配比问题

混煤掺烧配比的问题的研究主要针对不同的煤种进行混合，混合后的煤的煤质特性、着火特性、燃尽特性、结渣特性、可磨性与单煤种有什么样的关系，在我们确定这种关系之后我们又该怎样根据实际电厂的情况对不同的煤种进行配比，配成适合电厂燃烧的混煤。

图一国内混煤掺烧配比问题研究情况

混煤掺烧配比问题在国内研究情况归纳如图一所示。由于煤种的复杂性和多样性，对混1作者简介：范杜平（1979-），男，硕士研究生

煤的配比问题还没有得到完全解决，对特定的电厂的实际用煤的配比问题还必须依赖于特定的煤种。但是在10余年中国内的研究中出现了许多对混煤配比研究的新方法和新成果，文献[1]率先地运用模糊数学综合评价两种不同性能煤种的混煤着火性能，燃尽特性、结渣情况以及污染物的排放情况，从而确定优化其最佳的掺混比例的问题。这是国内第一篇比较系统地利用试验研究混煤的特性，并提出一种配比的方法。文献[2]介绍了燃煤成分对电站锅炉燃烧的影响，并在此基础上，提出了根据燃料成分确定燃煤最佳配比的方法；冯宝安等人[3]详细地论述了混煤应用与火电厂的作用，考虑电厂降低SO

排放的环保要求，提出了一种

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易于电厂操作的混煤配比确定方法。浙江大学抓住这个机会对混煤配比进行了详细的研究，其中汤龙华、周俊虎等人[4]提出非线性规划实现动力配煤的方法，在此基础上浙江大学师生成功地开发了动力配煤的专家系统，并且投入了生产。在这个时候混煤配比研究的主要框架基本确定下来，图一就是根据浙江大学的专家系统的框架来描绘国内混煤配比问题的研究情况和存在的问题。从该图我们可以看出，在专家系统确定下来之后我们需要做的工作主要集中在三个部分：

（1）非线性规划模型的求解问题。浙江大学和西安交大部分研究工作者已经做了部分工作，例如BP神经网络，灰色系统到最近的遗传算法[6][7][12][13]来研究非线性规划模型的求解问题，当然这些算法也可以用到后面将要提到的约束条件模块中去。这些先进的算法比常规算法[14]具有更大的优越性，其最大好处就是不依赖于混煤过程和混煤燃烧的具体模型。相反地其可以根据实际的（或者实时的）数据自动建立混煤过程的燃烧过程的数学模型，从而为研究混煤的物理化学机理提供了一个强有力的工具。该部分的工作随着先进算法的出现而不断地得到改善。

（2）目标函数的调整。根据市场经济的需要，把目标函数由原来的配煤得到的混煤综合性能改为满足同样发热量的条件下得到更为低廉的配煤煤种[11]，在适当的时候，还可以通过修改目标函数来满足电站燃烧过程的单项指标。例如可污染物的排放、结渣问题作为混煤配比的目标函数以便进行考核。

（3）约束条件的调整。这一部分也是最为重要而且难度最大的一部分，在众多的煤种混合过程中，煤种到底会发生了什么变化，具体的定量的关系（包括煤质特性、着火特性、燃尽特性、结渣特性、排放性、可磨性）怎么确定，是否具有统一性？根据目前的研究情况来看，这项工作不容乐观，这归结于我们对煤燃烧的过程和煤混合过程还没有完全了解，理论上存在不足，试验也存在不确定性的因素。虽然我们可以借助先进的算法来解决实际生产的部分问题，但由于其混煤过程的机理还没有完全研究出来之前，对我们

的实际操作员将是一个不少的考验，一旦在实际操作中出现失误将对生产产生巨大的经济损失和带来安全隐患。可以这么说，一旦我们找出煤燃烧与煤混合的通用模型和理论依据，通过与试验或先进算法得出的模型进行对比验证了其正确性，混煤的配比问题将成不了问题。虽然煤燃烧与煤混合，一个是化学过程，一个是物理过程，但是这两个过程还存在一定的牵制关系[27]。

下面将重点概括一下国内在约束条件调整该部分中混煤燃烧特性和热解特性在国内的研究情况。

2、混煤燃烧特性与热解特性问题

图二混煤燃烧与热解特性在国内的研究情况

综合国内10年内对混煤热解与燃烧的研究情况，可以概括为图二所示的框架。从图二我们可以看出，国内对混煤的燃烧与热解特性的研究也主要集中在三部分：

（1）实验部分。通过大量的实验来研究不同配比混煤的燃烧与热解的情况，实验设备主要有热重分析仪、热天平、沉降炉等。而实验中可以设置不同的压强、升温速度、气氛、气氛流速、混煤比例[22][26]、煤粉颗粒与等温燃烧[19]来研究各参数对混煤燃烧与热解特性[20][24][25]的影响。该部分无可厚非是很重要的一部分，只要实验做准做对，并对实验中会出现的误差进行分析，才能为理论模型及其指标提供可靠的依据。该部分的工作还需工作者认真仔细地重复做大量的工作。

（2）指标部分。在实际生产的操作中，为了了解混煤的某项特性人为地定义的指标，例如着火点指标、燃尽性指标、稳燃性指标[21]和综合燃烧特性指标[16]等等。有些指标是在动力学理论的基础上推导出来的。虽然这部分工作是一个过渡性的工作，但是在目前没有完全掌

握燃烧与热解的全过程之前不失是一个好办法，而且能为理论建模提供一些参考的实用的数据和改进方向。

（3）模型部分。混煤燃烧与热解模型的理论研究是一个很头疼的问题。一是因为单煤种的燃烧与热解模型还存在不完善的地方，混煤的难度就更大了。二是因为理论研究的验证性问题也是一个不简单的问题。目前为止，对混煤的燃烧与热解模型的探讨主要集中在着火模型[18]、燃烧反应模型[17]和热解模型的工作上，而且动力学与热力学存在一定的差别导致要在前人研究的基础上来深入研究的困难。该部分的工作是空前难度最大的，也是最为重要的。只有这部分得到完全地解决，混煤燃烧与热解问题才算得到得到满意的答案。

3、框图出现但未进行研究的问题

在图一和图二框架模式下，可以发现国内有如下方面没有进行过实验研究和理论分析：（1）混煤可磨性因素；

（2）不同压强对热解与燃烧特性的影响；

（3）气氛速率对热解与燃烧特性的影响；

（4）燃烧反应被描述为一级反应[19][17]，如果是二级反应，结果如何？

（5）燃烧综合指标与升温速率、煤粉尺寸没有关系，能否建立一个与升温速率、煤粉尺寸有关的综合模型。

4、论文中出现的现象及其可能解释

针对大量文献对混煤的研究结果，有下列实验现象存在解释性的问题：

（1） 当两种结渣性较弱的单煤相混时，若混煤的比例不当，有可能出现强结渣性[22]；（2） 混煤的NO x生成有一定的波动，出现两个峰，而单煤只出现一个峰[22]；

（3） 混煤燃烧的各组分保持各自的燃烧特性，从燃烧速度的峰值（两个）体现出来[2]；（4） 烟煤与褐煤混合时，混煤的活化能随掺混比的变化曲线呈上凹型，混煤的活化能略比将单一煤活化能按比例加权平均值大，煤的着火性能更加接近活化能大的煤[20]；（5） 烟煤与褐煤混合时，混煤的活化能随掺混比的变化曲线微呈上凸型，混煤的活化能略比将单一煤活化能按比例加权平均值大，煤的着火性能更加接近活化能大的烟煤[21]；从（1）（2）（3）的问题中可以看出，混煤的燃烧特性与波的干涉现象相似，两个波峰相遇，会出现更大的波峰；波峰与波谷相遇，则出现相互抵消的现象；而一般情况，两波按照各自