（热能工程专业论文）多煤种混煤燃烧问题的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ( 混煤燃烧是一个极其复杂的物理化学过程，在其煤粉燃烧过程中，各煤种的煤 粉之间相互影响，相互制约，使混煤表现出不同于单煤种的燃烧特性，即使两者 成分含量相同。影响混煤燃烧的因素较单一煤种多，其中，配比是混煤燃烧特性的 重要影响因素，确定合适的配比是电厂燃用混煤时首先需要解决的问题。除此之外， 锅炉在燃用混煤时，还需要对锅炉的运行方式进行必要的调整，力求达到“炉性与 煤性”的协调。广。 本文主要研究多煤种混煤的配比计算及混煤的燃烧特性，并就锅炉与混煤的适 应性进行分析，主要内容如下： 在热天平上进行混煤着火燃尽实验，得出三组实验混煤在不同配比下的t g a 和 d t g a 曲线，又测得相应配比下的煤灰软化温度。然后利用三组混煤的热天平实验 数据和煤灰软化温度，通过模糊数学法计算最佳混煤比；再从混煤成分含量要求的 角度考虑，建立混煤配比的多目标优化计算模型，计算混煤优化配比。 利用卧式炉研究不同配比下三组混煤的燃烧特性，发现在优化配比下混煤的燃 烧特性较接近最佳燃烧状态。建立b p 神经网络预测混煤的燃烧特性，并将结果与热 天平实验结果进行比较分析( 为下一步进行锅炉调整和改造提供依据。 将混煤应用于某电厂的1 1 4 锅炉，j 生降原设计煤种与优化配比下混煤的成分及锅 炉结构相关性指数进行比较之后提出锅炉结构改造与运行调整措施，利用模拟软 件比较各个措施对锅炉燃烧的影响程度，最后得出：锅炉可燃用这三组混煤，但要 进行必要的调整与改造。 关键词：混藤燃烧特 嵌着火、燃尽、结渣、神经网巅多目标优 华中科技大学硕士学位论文 a b t r a c t t h ec o m b u s t i o no fb l e n d e dc o a l si s a l l e x t r a o r d i n a r yc o m p l e xp h ) r s i c a l a n d c h e m i c a lp r o c e s s d u r i n gt h ec o m b u s t i o no ft h eb l e n d e dc o a l s ，t h ec o m p o n e n tc o a l sa f f e c t e a c ho t h e r , s ot h eb l e n d e dc o a l se x h i b i tt h ed i f f e r e n tc o m b u s t i o nc h a r a c t e r sf r o mt h es i n g l e c o a l o fc o u r s et h e r ea r em o r ef a c t o r st h a tc a na f f e c tt h ec o m b u s t i o no fb l e n d e dc o a l st h a n t h es i n g l ec o a l a m o n gt h e s ef a c t o r st h er a t i o no ft h ec o m p o n e n tc o a l si sm o s ti m p o r t a n t i ta l w a y sa f f e c t st h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r so ft h eb l e n d e dc o a l s ，s oi ts h o u l db et h ef i r s t p r o b l e m t ob es o l v e dw h e nt h eb l e n d e dc o a l sa r eu s e di np o w e rs t a t i o n a tt h es a n l et i m e ， i ti sn e c e s s a r yf o rt h eb o i l e rt ob ea 内u s t e do rr e c o n s t r u c t e dt oa d a p tt ot h eb l e n d e dc o a l s a f t e rt h er a t i o no ft h ec o m p o n e n tc o a l sw a sd e c i d e d n l ef i n a lg o a li st om a k et h eb l e n d e d c o a l sa n dt h eb o i l e rf i tw i t he a c ho t h e r t h j st h e s i si sf o c u s e do nt h eo p t i m i z a t i o nr a t i o no f b l e n d e dc o a l s t h e i rc o m b u s t i o n c h a r a c t e r sa n dt h ea d a p t a b i l i t yo ft h eb o i l e rw h e ni t sf u e li sc h a n g e dt ot h eb l e n d e dc o a l s t h em a i nc o n t e n t sa r e ： 肠et h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s d i f f e r e n t i a lt h e r m o g r a v i m e t r yw a so p e r a t e dw i t h t h r e ed i f f e r e n tb l e n d e dc o a l si ns e v e r a lr a t i o n s ，a l s og o tt h et 2t e m p e r a t u r e s t h e nt h e f u z z ym a t h e m a t i c s w a su s e dt oc o m p u t et h eo p t i m i z e dr a t i o no f b l e n d e dc o a l so nt h eb a s i s o ft h e s ee x p e r i m e n t sd a t a w ea l s ou s e dt h e o p t i m i z a t i o nc o m p u t a t i o nt oc o m p u t et h e r a t i o n t 1 1 i sw a yi sd i f f e r e n tf r o mt h ef u z z ym a t h e m a t i c sa n ds t a r t sf r o mt h ec o m p o s i t i o n o f c o m p o n e n t c o a l s a n a l y s i st h ee x p e r i m e n td a t ao nt h eh o r i z o n t a lb o i l e ra n df o u n dt h ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r sa r eb e t t e rn e a rt h eo p t i m i z a t i o nr a t i o n f o r e c a s tt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r so f t h eb l e n d e dc o a l st h r o u g ht h eb pn e u r a ln e t w o r k t h e n c o m p a r e d t h er e s u l to fn nw i t l lt h e t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i sd a t a t os u p p o r tt h ea d j u s t m e n ta n dt h er e c o n s t r u c t i o n u s i n g t h et h r e ec o m b i n a t i o nb l e n d e dc o a l si nt h en o 11b o i l e ro fa p o w e r s t a t i o n c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tb e t w e e nt h e “d e s i g n e dc o a l ”a n dt h eb l e n d e dc o a l s ，b r i n g i n g f o r w a r dt h em e a s u r e so f t h eb o i l e ra d j u s t m e n ta n dt h er e c o n s t r u c t i o n ，u s i n gt h ec o m p u t i n g s o f t w a r et of o r e c a s tt h ee f f e c to ft h e s em e a s u r e s f i n a l l yi tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e s e t i 华中科技大学硕士学位论文 i b l e n d e dc o a l sc a nb eu s e di nt h eb o i l e rb u ti t sn e c e s s a r yt om a k es o m e a d j u s t m e n ta n d t h e r e c o n s t r u c t i o no nt h eb o i l e r k e yw o r d s ： b l e n d e dc o a l sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r s i g n i t i o n b u r n o u t s l a g g i n g n e u r a ln e t w o r k o p t i m i z a t i o nc o m p u t a t i o n i i i 华中科技大学硕士学位论文 第一章混煤燃烧研究综述及其进展 1 1 混煤研究的背景 能源是人类赖以生存和发展的基础，而煤是当今世界利用最广泛的常规燃料， 尤其在我国，煤在能源消费中占绝对优势【13 ，而且在今后相当长的时期内仍会如此( 见 表i 1 ) ，我国的煤炭火力发电在电力生产中一直占主导地位。据国家的发展规划， 到2 0 0 0 年我国计划装机容量达到2 4 0 g w ，其中火电占7 7 ，而原煤产量1 4 亿吨中 用于火力发电的煤量就占5 3 亿吨【2 。由此可见，煤燃烧科学的研究对我国能源的发 展有直接影响，进而也影响到国民经济的发展。 表1 1 我国的能源构成( ) 年份煤炭石油天然气水能核能新能源 【1 9 8 5 7 2 82 0 92 04 3 【 2 0 0 07 0 01 9 54 、06 o2 2 0 5 06 0 - 7 05 o5 06 o1 0 2 05 近年来，我国经济发展迅速，国民用电量日益增加【3 1 ，要求电力工业迅速发展以 满足不断增长的能源需求( 见表1 2 ) 。火力发电是我国电力能源的主要来源，占总 装机的7 0 以上和总发电量的8 0 左右，其中燃煤发电又占9 0 以上，每年燃用煤 炭量约占全国煤炭产量的四分之一，是全国第用煤大户【4 】。 表1 2 我国电力发展概况与预测 年代1 9 9 52 0 0 02 0 1 02 0 2 02 0 5 0 能源生产总量( 亿吨标准煤)1 2 41 3 51 9 02 54 0 总发电量( 万亿度)1 o1 42 63 87 8 总装机( 亿千瓦)2 o2 95 7- 8 01 5 1 8 水电装机( 亿千瓦)0 4 906 51 1 51 6- 2 5 】 华中科技大学硕士学位论文 核电装机( 亿千瓦)0 0 2o 0 3 0 1o 3 2 0 可再生能源发电装机( 亿千瓦)o0 0 1 0 0 4o 11 o 煤年产量( 亿吨)1 3 o1 4 0 1 8 o2 2 o3 5 4 0 火电耗煤( 亿吨)4 0 5 51 01 32 m 之5 火电耗煤年产量( )3 0 83 9 3 5 5 65 9 16 0 一般来说，燃煤锅炉是根据特定煤种来进行设计，煤种不同，锅炉的炉型、结 构、燃烧器及燃烧系统的运行方式也不同，我们将设计锅炉时选定的燃用煤种称为 设计煤种。设计煤种是具体针对锅炉选择的，是锅炉的最佳燃用煤种。实际上，目 前越来越多的电厂在实际运行时很难坚持继续燃用设计煤种，为在节省成本的同时 又能维持原有运行效率，混煤掺烧常成为多数电厂的选择口1 。水电部曾对全国4 0 个 重点电厂1 3 1 台1 0 0 m w 及以上火电机组的锅炉实际用煤情况调查，发现实用煤种不 符、煤质多变或煤质变差的电厂占总数的7 0 ( 见表1 3 ) ，若按锅炉台数或锅炉容 量统计，煤质不符的也大约占7 0 。而且，在今后相当长的一段时间内，由于国家 的政策要求和其他原因，大量电厂不得不被迫使用大量混煤，混煤技术的应用将更 为广泛，对其技术的研究也变得更为重要。 原因分类 电厂数( 台) 煤 基本相符7 种 煤种不符，但基本适应5 差 经设备改进、运行调试及管理加强后能适应1 5 异 不符合且影响突出9 煤质差异煤种相符，煤质变差，影响突出。 4 燃用 按电厂数统计按锅炉台数统计按锅炉容量统计 情况 数台数容量t h 较好1 23 0 o4 l3 1 5 0 2 4 9 0 43 3 2 4 华中科技大学硕士学位论文 一般1 53 7 53 52 6 7 21 9 5 8 02 6 1 4 差1 33 2 55 54 1 9 83 0 4 3 04 0 6 2 混烧不同种类的煤在世界各国已变得越来越广泛，国外已有很多电厂用混煤来 解决电厂运行中出现的问题。如：在美国 6 】，为了达到规定的s o x 污染物排放要求， 用中部、东部煤掺烧西部煤，减少了s o x 的排放，又简化电厂设计，节省运行费用。 在德国，一些烧褐煤的电厂由于燃料的质量性能偏离设计特性，使电厂无法满负荷 运行，而将褐煤与烟煤混烧，提高低热值褐煤的利用价值。日本是煤燃料主要依靠 进口的国家，为减少运输费用，充分利用发热量高的无烟煤，采用了掺烧无烟煤和 石油焦等低挥发份燃料的掺合方式。在荷兰和英国，燃用混煤主要是用来降低锅炉 的结渣和腐蚀倾向等等。 1 2 我国广泛使用混煤的原因 在我国，混煤的应用主要有以下几个原因： 一、随着电力工业的发展，锅炉的容量越来越大，每台锅炉每天运行所消耗的 煤量越来越大，单个煤窑无法满足，为保证燃煤供应，电厂多用当地煤。加上小煤 窑的开采变得普遍，向电厂供应的煤种日趋繁多，煤质也好坏兼有，电厂想长期燃 用单一煤变得越来越难，燃煤情况变得复杂，燃用混煤已成为电厂自觉或不自觉的 选择。 另一方面，从燃煤的供应趋势来看，在我国应用混煤掺烧已成为必然。目前我 国火电厂的燃煤供应有三个明显变化：一是煤种多变，煤炭的生产、销售和供应及 电厂的生产情况时常变化，使得向电厂提供的煤种往往特性相差十分悬殊：二是劣 质煤比例增大，地方小煤窑的大量出现使电厂燃用的低质煤逐渐增多。三是计划外 采购、来煤加工多渠道及煤炭市场的开放，电厂可能同时购进多个煤种。这些原因 都使电厂所用的煤种多样化、多变化，因此电厂用煤应具有灵活性和兼容性，混煤 不失为一种有效方法，可见，混煤燃烧将成为我国电厂用煤的必然趋势，混煤研究 也显得日益重要。 二、随着电网容量不断增加，调峰任务日趋频繁，机组在较长时间内处于3 0 5 0 华中科技大学硕士学位论文 低负荷运行状态，燃用无烟煤的锅炉可利用掺烧高挥发分煤以保持锅炉低负荷燃烧 的稳定性。 三、目前我国发电用煤中劣质煤的比例较大，无烟煤和贫煤的数量占1 0 以上【7 】。 如果火电厂燃用混煤特别是多用劣质煤，将提高劣质煤的利用率，节约煤炭资源， 对缓解工业用煤紧张、稳定全国用煤格局有重要作用。其次，燃料费用在火电厂生 产成本中所占成本约为7 0 8 0 ，电厂在保证锅炉安全、经济运行的条件下，同时选 用几种煤搭配燃烧，可节省大量燃料费用。 四、我国运输紧张，一部分需要从外地运煤的电厂面i 临严重的燃料供应问题， 一些电厂被迫来什么煤就烧什么煤，为缓解运输压力，许多电厂就近购煤。如果当 地煤种与设计煤种不符时，常利用混煤改变燃煤特性，适应锅炉的运行。同时国家 政策也鼓励电厂多使用当地煤，混烧是电厂必然的选择。 五、混煤掺烧还可能成为解决锅炉结渣问题的一种有效方法，在了解煤炭熔融 特性的基础上，将熔融温度不同的煤灰按一定比例混合，得到比原煤种高或低的煤 灰熔点 8 9 】。应用于锅炉运行中，合适的配e e 可使某些具有低灰熔融性的煤种在固态 除渣炉上燃用也不会引起结渣：同理，只要选用合适的煤种、确定适当的配煤比例， 也能在液态排渣炉上燃用某些高熔融温度的煤种。因此混煤能改变煤种的结渣特性， 使煤种更加适应锅炉运行的需要，具有很大的实用价值。 还有另外一些原因迫使电厂燃用混煤，如：部分电厂燃用的原设计煤种n o x 、 s o x 排放量过高，污染物排放超出规定的标准，如果添置专门的脱硫脱硝设施，将 大大增加电厂的运行成本。利用配烧高低硫分的煤种可降低燃烧产生的污染物，不 仅达到环保要求，还简化电厂设计和节省资金。 1 3 混煤的掺烧方式 混煤的掺烧有多种方式可以选择，下面介绍几种常见的方式： 1 ) 煤场掺混 这种方式下，煤粉的混合在炉外完成，在煤粉投入锅炉燃烧之前，不同的煤种 预先在煤场进行混配。这要求电厂或燃料公司有足够的混煤、储煤场地，配有相应 的混煤设施，并掌握一定的混煤技术。 这种混煤方式在进入炉膛前，不同煤种的煤粉完全混合，送入每个燃烧器的煤 华中科技大学硕士学位论文 粉成分相同，只需变换输入的煤种，而煤粉输入系统与燃用单一煤种时一样。 2 ) 烧器分层混烧、炉内混烧 煤粉的混合在炉内完成：在不同的原煤仓内分别输入不同煤种，由不同的煤仓 接到不同的燃烧器喷口，即不同的燃烧器所燃用的煤种不同。这种混合方式可根据 锅炉的不同温度区域送入合适的煤种，以改善锅炉的燃烧环境，例如：将不易结渣 的煤送入易结渣区域的燃烧器( 燃烧器的中间二层) ，减小炉膛结渣问题发生的可能， 如石洞口电厂。 这种方式不需要专门的混煤设施，但煤粉输入系统比燃用单一煤种时复杂。 3 ) 种煤间隔燃烧 以上两种混煤方式是不同煤种的煤粉同时送入炉内，而这种方式是将不同煤种 的煤粉分时段送入。如：锅炉在燃用易结渣煤时所结的渣，可利用烧高熔点煤令其 自然脱落，如珠江电厂1 、2 号炉( 3 0 0 m w ) 。间隔混烧不需要另外添加混煤设施， 同时可利用单一煤种燃烧时的煤粉输入系统而无需进行系统改造，但它只能针对个 别特殊情况使用，而且两种煤的交替变换对锅炉的煤种适应性提出更高的要求。 现在已经有部分电厂和配煤公司建立了混煤资料数据库，并编制配煤专家系统， 能根据具体情况调整混煤的煤种搭配，进行优化配比，使混煤过程更加专业化。 1 4 燃用混煤时出现的问题 混煤的应用确实可以解决许多问题，但要注意：混煤并不只是一个简单的机械 混合过程，在实际燃烧时它所表现出来的性质要比单一煤的简单线形迭加复杂得多 【l 饥。混煤虽然在成分上能满足各项参数要求，但实际所表现出的燃烧性能由于不同 煤种在燃烧时发生相互影响而与燃用相同成分的单一煤种时大不相同，燃烧过程甚 为复杂，表现出的燃烧特性也随不同的配煤而各不相同。因此，掺烧时，各种煤的 颗粒在燃烧过程中相互影响、相互制约，发生复杂的物理、化学变化，表现出复杂 的燃烧特性。另外，混煤燃烧的影响因素很多，个别因素的细小变动有可能会使混 煤的外在特性表现出较大差异，而使混煤的煤质特性更加复杂，很难由单一煤种的 性能参数和各煤种的配比准确预知混煤的特性。 混煤燃烧时，如果煤种选择适当，并且混合均匀、配比合理、燃烧条件良好， 华中科技大学硕士学位论文 是能够最大可能的发挥煤种各自的优越性取长补短，使锅炉运行安全，创造良好 的经济价值：节省运费和燃料的费用，降低电厂运行成本；改善着火、稳定燃烧； 降低结渣，减少停炉事故；减少燃料燃烧后灰分的沉积；增强燃料使用的灵活性： 降低电厂的污染排放使其达到规定的标准等。另外，对煤窑或煤场来说，提供混煤 可以满足电厂对煤质的各种要求，又增强其产品的市场竞争力【1 1 】。 一般电厂在燃用混煤时，是在了解所选用的单一煤种的燃烧性能基础上，以原 使用煤种或设计煤种作为参考，选择搭配的煤种及确定混煤配比。然后根据锅炉平 时的运行经验，对其运行方式进行调整，以满足电厂的生产要求，但是，大多数电 厂对混煤燃烧特性还缺乏足够的了解，这使电厂在混烧时出现各种各样的问题，严 重影响锅炉运行。虽然许多电厂投入了大量的人力和物力，计算最佳配煤比，改进 炉膛结构，调整运行方式，以期望能从根本上消除这些隐患，但是，由于混煤燃烧 过程的复杂性及目前对混煤的本质特性缺乏足够系统的了解和深入的研究，还无法 从根本上消除混煤使用的盲目性，也就无法科学高效地燃用混煤，因此，针对锅炉 燃烧运行的混煤特性研究是必不可少的。 1 5 混煤的研究情况 国外早期电厂使用的混煤是在煤炭生产厂进行混合的，主要在煤矿、中转煤场 和专门的煤处理厂完成混合。煤矿混煤的目的是控制煤的发热量，尽可能多地利用 低级煤；中转煤场是为满足用户的不同需求进行混煤；而煤处理厂混煤是为了保持 稳定的发热量、灰分及矿物质，使其接近于现场用煤。后来随着电力工业的迅速发 展，混煤的应用越来越广泛，发现的问题越来越多，促使燃烧领域的研究工作者开 始研究混煤的燃烧特性。一方面通过试验总结各种规律，为电厂锅炉应用混煤提供 依据：一方面，开发配套的混煤燃烧技术和燃烧设备。比较早进行混煤研究的国家 有：美国、德国、日本、英国、荷兰、加拿大等。 美国燃用混煤主要用于控制高硫煤的燃烧污染物排放【l ”，因此，其在利用混烧 方法降低s o x 排放方面进行了较为深入的研究。同时也解决了其他的一些问题：保 证含灰量和发热量的稳定，既保证煤质特性的稳定，保证灰处理系统的高效运行， 又降低电厂的运行费用和投资费用：研究电站的混煤方法，使混煤的成分更均匀， 保持稳定的煤质，避免锅炉接渣、防止沾污。美国不仅对混煤的燃烧特性进行研究【l ， 华中科技大学硕士学位论文 还研究出各种有效的配煤方法、配煤设备，及在炉膛中直接混合燃烧的方法。 德国主要对混煤的燃烧特性、各种混煤燃烧室、燃烧器及配煤设备进行较为深 入的研究，取得一定成果。同时，还研究了多种混煤燃烧的低n o x 燃烧设备，设计 出不少适用于混煤燃烧的设备，并已在电站锅炉中实际应用。 日本为节约用煤，节省运输费用而使用混煤，传统的水平燃烧锅炉开始时不适 应混煤燃烧，因此主要针对混煤特性及混煤燃烧技术方面进行研究，有些技术已推 广应用，现对混烧时出现的污染物生成1 1 4 和燃尽损失增加问题进行更为深入的研究。 近年来，澳大利亚也进行了混煤的研究，对混煤的燃烧特性的试验方法进行了 系统总结，研究混煤的燃烧特性的有效预测参数，寻找可广泛用于电厂实际运行的 混煤特性评价指数【”】。 其他国家如荷兰、西班牙、英国、加拿大等国也对混煤燃烧的不同方面进行了 研究，主要有：利用混煤减轻了炉膛的结渣、腐蚀和沾污，提高劣质煤的燃烧效率 和可用率。 在国内，多年来广大锅炉工作人员为解决混煤燃烧问题作了大量工作。电厂也 采用一些措施适应混煤燃烧，如：调整燃烧系统的运行，如改进燃烧系统，采用新 型燃烧方法、改进锅炉和燃烧器的结构；调整送粉方式和配风方式；调整混煤配比， 提高煤粉混合均匀度等，这些措施也取得了一定效果，但只是暂时的或只是针对某 些锅炉进行的，并未从根本上解决混煤燃烧问题。虽然当前国内的有些电厂和有关 研究机构通过多年的不断摸索，提出许多有效的解决方法，达到基本上能与锅炉相 适应的目的。一些新建电厂甚至在设计时就尽可能地按较宽的煤种使用范围进行燃 烧设备的设计。但仍有不少电厂混烧不合理，盲目搭配混烧煤种，被动地来什么煤 就烧什么煤。为适应煤种的变化，一些电厂频繁地进行锅炉改造，不仅增加庞大的 改造费用，又没有达到适应煤种多变的目的，浪费了大量的人力、物力却没有解决 实际问题。 由于我国混煤使用的日益广泛，针对混煤燃烧出现的问题已有许多科研部单位 进行过相关的研究，如西安热工研究所、哈尔滨成套设计研究所、华中科技大学煤 燃烧国家重点实验室和浙江大学等单位以及一些电力生产部门自己的研究部都进行 过相关课题的研究。但大多数只涉及某一方面而没有理论化和系统化，这种情况与 我国混煤燃烧的广泛使用是极不相称的。针对这种情况，我国很有必要对混煤燃烧 华中科技大学硕士学位论文 进行系统深入的研究，以便于为大型电站优化掺烧提供理论依据，为电厂制订合理 的运行卡片提供有效参数，减少因混煤不合理而带来的经济损失和能量损耗。 1 6 混煤近期研究成果 混煤的研究主要包括以下方面：混煤的配置系统和配置方法、混煤的研磨、着 火特性和燃烧的稳定性、混煤焦碳的燃尽率、利用掺烧减轻炉膛结渣和结垢、混煤 污染物的排放、燃烧设备的改造及其对整个电厂的运行效率的影响等问题。其中混 煤煤种的选配和最佳配比的确定是电厂燃用混煤时首先需要解决的问题 1 6 】，由于混 煤的配比决定了混煤的成分，而混煤成分又是锅炉进行调整和改造的基础，因此只 有在混煤成分确定的基础上才能对锅炉进行其他方面的改造和调整。恰当的配比能 使混煤贴近锅炉运行的要求，扬长补短，发挥出各个煤种的最大优势。尤其是混煤 的结渣性，相同的煤种在不同的配比下有可能对应相差很大的熔点温度。 近两年的研究成果主要有以下几方面： l 、混煤在着火时各自保持了自己的着火特性【1 7 l ，即当外界加热温度达到混煤中 易着火煤的着火温度时，该煤种即着火燃烧。当两种煤着火特性差异较大时，实验 表明混煤的着火温度与混煤中易于着火煤的着火温度较接近。 2 、混煤的热解特性保持各自独立，两种燃烧特性相差较大的煤种相混时，混煤 的热解特性曲线出现两个曲峰。 3 、相混的两种煤燃烧特性差异较大时，会发生所谓的抢风现象【l ”，挥发分 低煤种的着火过程延迟，延长了混煤的燃烧时间，不利于混煤的燃尽，对锅炉运行 的配风要求也很苛刻，难以同时满足两种煤的燃烧需要。 4 、混煤的结渣特性复杂 1 8 - 2 2 】，存在低温共熔体现象。不同种煤混合后，其灰熔 点有时比两种单一煤的灰熔点都低，有时则比任何一种单一煤的灰熔点都高。甚至 于在相同的煤种不同的掺混比例下，表现出的结渣特性也大有区别。研究混煤的结 渣特性最好是从矿物学角度来进行，利用三相图预测混煤结渣特性比较准确【2 3 1 。 5 、两种性质差异较大的煤掺混时，不是烧不起来【2 4 1 ，而是从电厂的经济效益考 虑不可取。在煤种特性相差过大时，煤粉燃烧表现不稳定，容易受周围环境( 如配 风、煤粉细度、混合均匀度等) 的影响。而且如果单一煤种成分相差较大，配比的 细小变化可能会引起混煤成分的较大变化，在实际使用时，对混煤的配置精度和混 华中科技大学硕士学位论文 合均匀度要求较高，不便于电厂混煤的配置操作，增加了电厂混煤的配置成本。在 性能差异较大的无烟煤与烟煤相配时，从煤粒着火到炭粒完全燃尽需要更长的时间， 要求更高的煤粉细度，不利于降低锅炉燃尽损失【2 5 】。因此选配性能差异较大的煤种 既不稳定，又不经济。建议搭配特性相近的煤种，如无烟煤与贫煤、贫煤与相近的 烟煤相配等。 在混煤研究中，目前所用的特性判断参数是单煤种的特性参数，但混煤的燃 烧过程与单一煤不同，单一煤的评判标准必然与混煤的有所差异，因此，混煤特性 评判参数的选择及其评判标准也是需要进一步解决的问题。 而且，随着西部大开发，我国西部和西北部煤的应用扩大。西部煤多是灰熔点 低的煤种，应用于电厂锅炉时很可能利用混煤来调整煤的结渣特性，因此，西部煤 的应用和其混煤特性的研究有可能成为今后的研究重点。 1 7 本论文的主要内容 本文主要以多煤种混煤为研究对象，将两种或三种不同类别的煤混合均匀，对 其最佳配比、燃烧特性及锅炉改烧混煤后的调整和改造工作进行系统研究，为大型 电厂混煤燃烧锅炉的设计、结构改造、运行调整提供一定依据。 全文大致有以下几个方面的内容： 一、采用燃烧实验法确定最佳配煤比 二、利用优化混煤配比模型计算混煤优化配比 三、通过卧式炉燃烧实验研究混煤燃烧特性 四、应用神经网络对混煤的燃烧特性进行预测 五、某电厂1 2 5 m w 锅炉改烧混煤后的适应性评价 华中科技大学硕士学位论文 第二章热天平试验及混煤配比计算 2 1 实验煤种介绍 某电厂为s g - 4 2 0 1 3 7 一m 4 1 9 型超高压锅炉，系上海锅炉厂制造，主要用于配置 1 2 5 m w 机组。其设计采用同心正反双切圆燃烧炉膛和w r 燃烧器，原设计煤种为劣 质贫煤，但此电厂在实际运行时，所用煤并非为设计煤种，而且燃用煤种情况比较 复杂，煤矿来源比较多，其煤质也与锅炉的设计不相配。仅仅单说其主要燃用的娄 邵地区煤矿，同一地区不同煤井出产的煤种之间都存在差异。在这种情况下，电厂 要求锅炉能适应不同的燃煤品种，在不同的煤种转换之间锅炉运行也要过渡平稳。 从近期燃用煤种的统计中看出，电厂主要燃用的混煤组合有： a 、力达井( 贫煤) 、四古井( 无烟煤) 和槐元井( 烟煤) 的配烧； b 、马鞍山2 ”( 无烟煤) 和马鞍山1 4 ( 烟煤) 的配烧。 c 、新兴井( 贫煤) 和泉山井( 烟煤) 的配烧； 下表为研究煤种的有关分析数据： 表2 i单一煤种常规分析数据 煤种 v 甜 v d a f s tm tm a da 们q n e t k j ，k 窟 力达井( 贫煤) 7 6 41 2 3 3o 2 86 0 01 8 03 8 6 61 8 7 8 四古井( 无烟煤) 6 2 37 8 60 4 06 7 62 0 61 8 6 52 6 2 0 槐元井( 烟煤) 1 7 5 12 3 4 42 1 34 7 01 3 92 3 9 l2 4 6 4 马鞍山2 ( 无烟煤) 5 9 78 8 0o 9 16 0 61 8 33 0 3 62 2 0 5 马鞍山1 ( 烟煤)1 4 5 91 9 1 60 6 3 3 6 41 0 42 2 8 32 5 3 1 新兴井( 贫煤)1 0 - 3 91 4 4 6 0 6 56 1 01 8 22 6 3 42 3 2 7 泉山井( 烟煤) 1 1 2 32 1 1 81 0 84 4 61 3 24 5 6 71 6 1 3 华中科技大学硕士学位论文 表2 2 三组混煤在不同比例下的工业分析 煤种v a d v d a fs tm tm a da a dq n e t k j k g 力达井( 贫) ：槐元井( 烟) 四古井( 无烟) 1 0 ：9 01 6 4 42 2 1 11 9 54 8 71 4 42 4 3 92 4 4 3 2 0 ：8 01 5 3 72 0 7 71 7 75 0 41 5 02 4 8 62 4 2 l 3 0 ：7 0 1 4 2 91 9 4 31 5 95 2 01 5 52 5 3 42 4 0 0 5 0 ：5 01 2 1 51 6 7 5l 2 45 5 41 6 62 6 2 92 3 5 7 马鞍山2 。( 无烟) ：马鞍山i 。( 烟) 1 0 ：9 0 1 3 7 31 8 1 20 6 63 8 51 1 22 8 0 82 4 9 8 2 0 ：8 01 2 8 71 7 0 9o 6 94 1 21 2 02 8 3 42 4 8 6 3 0 ；7 01 2 0 01 6 0 6o 7 24 3 71 2 8 2 8 6 02 4 3 4 5 0 ：5 01 0 2 81 4 0 00 7 84 8 51 4 42 9 1 02 3 7 0 新兴井矿( 贫) ：泉山井矿( 烟) 1 0 ：9 01 1 1 52 0 5 11 0 44 6 2 1 2 44 3 7 41 6 8 4 2 0 ：8 01 1 0 6 1 9 8 40 9 94 7 91 4 24 1 8 01 7 5 6 3 0 ：7 0 1 0 9 81 9 ，1 70 9 44 9 51 6 03 9 8 61 8 2 8 5 0 ：5 0i 0 8 i 1 8 5 00 8 45 2 81 9 63 6 0 11 9 7 2 电厂由原设计的劣质贫煤转变为燃用烟煤与无烟煤、烟煤与贫煤的混煤，锅炉 的原设计不能较好地适应变化的混煤，煤种改变引起炉膛内煤粉的着火和燃烧过程 变化，炉内温度分布偏离原设计，导致炉膛出口飞灰含碳量增加，燃烬损失增大。 由于电厂燃用的煤种来源繁多、煤质不稳，使燃烧情况更加恶化。尽管在发现问题 后，此电厂采取了一些措施，如：对入炉煤的成分进行了控制( v d a f 1 7 ) ，适当 调整混煤配比等。这些措施虽然使燃烧也有所改善，由于没有进行优化配煤，加上 锅炉系统结构和运行问题，总体来看，效果并不明显，实际燃烧效果不甚理想( 飞 灰含碳量高达7 9 及以上，煤耗约3 9 0 9 k w h 左右) ，并没有完全解决问题。为查 华中科技大学硕士学位论文 明原因，从根本上改善燃烧和运行状况，节约用煤，需要确定最佳掺烧比，并提出 必要的技术改造措施，力求达到使煤耗降到3 7 0 9 k w h 左右，并使锅炉运行不结渣。 2 2 热天平实验 测试煤种燃烧特性的实验方法有很多，本文用静态热天平实验测出混煤的燃烧 特性参数，再分别用模糊数学计算法和混煤优化模型算出混煤最佳配比。 2 2 1 着火燃尽特性实验 热重法是在空气气氛下以3 0 k m i n 的升温速率加热坩埚中的煤样，用s t a 4 0 9 c 热天平分析仪随时间称取煤样的重量，并记录其温度的变化，所得的曲线为热重分 析曲线( t g a ) 2 6 o 将重量对时间求导后，则得到微商热重分析曲线( d t g a ) 。本 研究通过热重法得到三组混煤在不同掺混比下的热解和燃烧t g a 和d t g a 曲线，从 中归纳出一些特性参数用以比较不同比例混煤的着火特性与挥发分析出特性，为混 煤燃烧特性的进一步研究提供依据。通常由燃烧试验曲线可得到的特性参数有： 着火特征温度t i ( ) ； 燃烧最大失重率( d w d t ) 。( r a i n ) ； ( d w d t ) 。对应的温度t 。觚( ) 另外，定义可燃性指数为 c b = ( d w d t ) m t i 2 它所反映的是煤样在燃烧前期的反应能力。显然，c b 值大，可燃性越 表2 3混煤燃烧特性参数一览表 煤种t i ( ) ( d w dt ) 。 t m a xc b 1 0 6 ( m i n )( ) 力达井( 贫煤) ：槐元井( 烟煤) 四古井( 无烟煤) 1 0 ：9 03 5 0 _ 31 7 o5 7 6 24 3 8 2 0 ：8 03 8 0 31 6 86 0 4 13 9 4 3 0 ：7 04 1 0 21 6 56 3 1 73 5 4 华中科技大学硕士学位论文 5 0 ：5 0 4 4 4 81 8 o 6 2 6 43 4 9 马鞍山2 ( 无烟) ：马鞍山1 。( 烟) 1 0 ：9 0 3 2 2 1 1 9 55 7 0 55 5 0 2 0 ：8 0 3 3 4 41 8 o 5 8 1 o4 8 8 3 0 ：7 03 4 6 7 1 7 55 9 1 44 5 5 5 0 ；5 0 3 7 4 2 1 7 56 2 0 84 1 8 新兴井矿( 贫煤) ：泉山井矿( 烟煤) 1 0 ：9 0 3 8 1 7 1 6 55 7 5 83 8 5 2 0 ：8 0 3 8 3 81 6 6 5 8 3 63 8 4 3 0 ：7 03 8 4 0 1 7 05 8 9 4 3 7 3 5 0 ：5 0 4 1 4 71 7 o 5 8 6 33 6 0 l 一第一组混煤2 一第二组混煤3 一第三组混煤 图2 1t i 、c b 与掺烧比的关系 由上图可看出，随着无烟煤和贫煤中掺入烟煤的比例增加，混煤着火特征温度 t i 下降，着火变得容易；同时，可燃性指数增大，燃烧性能改善。因为烟煤的燃烧 特性较好，将其掺入无烟煤和贫煤中，可改善其着火和燃烧性能。三组混煤其改善 程度随煤种搭配的不同而不同，对以_ l z - 组混煤进行比较，第一、二组混煤的改善 程度比较大，说明当烟煤与无烟煤掺混时，相互之间对燃烧特性的影响较大。第三 组混煤的变化程度较小，由于贫煤的燃烧特性与烟煤的较接近，掺混对其两者的燃 华中科技大学硕士学位论文 烧性能的影响不大。 从三组混煤的t 。、c b 的变化程度来看，第一组混煤最大，第二组混煤最小。相 应地，三组混煤中第组的挥发分含量随烟煤的比例改变的变化度最大，引起混煤 的着火和燃烧特性变化最大，同一组混煤的挥发分含量变化对其着火和燃烧特性的 影响很大。 另外，在同样的掺烧比下，第三组贫煤与烟煤组成的混煤由于挥发分低，其着 火与燃尽比之第二组烟煤与无烟煤组成的混煤差一些，在不同混煤间比较，挥发分 含量对混煤的着火和燃烧特性有较大的影响。 2 2 2 结渣特性实验 结渣倾向的判别指标很多，在这里，我们采用常规的灰熔化特性温度判别法。 通常利用煤灰软化温度( t 2 ) 对不同的掺烧比的混煤进行比较判别【2 8 】，所测得的实 验结果如表2 4 ： 表2 4混煤煤灰熔化特性温度 煤种 t l t 2t 3 力迭井( 贫煤) ：槐元井( 烟煤) 四古井( 无烟煤) 1 0 ：9 01 1 3 01 2 2 01 3 3 0 2 0 ：8 01 2 0 01 3 l o1 4 1 0 3 0 ：7 01 2 6 01 4 0 01 4 8 0 5 0 ：5 01 4 9 0 1 5 0 0 1 5 0 0 马鞍山( 无烟煤) ：马鞍山i 。( 烟煤) l o ：9 01 2 8 01 4 2 01 5 0 0 2 0 ：8 01 3 7 01 4 6 0 1 5 0 0 3 0 ：7 01 4 5 01 5 0 0 1 5 0 0 5 0 ：5 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 新兴井矿( 贫煤) ：泉山井矿( 烟煤) 1 0 ：9 01 3 9 01 4 4 01 4 8 0 2 0 ：8 01 4 6 01 5 0 0 1 5 0 0 华中科技大学硕士学位论文 3 0 ：7 0 1 5 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 5 0 ：5 01 3 4 01 4 3 0 1 5 0 0 从上表可看出，三组混煤的煤灰软化温度大致上随烟煤的掺混比例增加而降低 但第三组混煤的软化温度变化趋势发生改变，虽然其温度的变化范围不大。软化温 度的变化显示出，前两组混煤随烟煤掺混比例增加变得易结渣，虽然同时混煤的灰 分含量降低。第三组混煤的灰分含量随烟煤的掺混比例增加而增加，但其煤灰软化 温度先增后减。三组混煤的灰分变化和混煤灰的软化温度变化趋势并不致，从上 看出，混煤的结渣特性的变化趋势复杂，不能单从掺混的煤种和灰分含量判断混煤 的结渣性。 2 3 混煤最佳掺混比的确定 2 3 1 计算原理及应用 从以上的试验结果可以看出，混煤的掺烧比例会影响到混煤的着火特性、燃烧 特性和煤灰结渣特性 2 9 - 3 1 ，直观地说，混煤配比会影响到混煤的着火温度、燃尽率 和结渣程度。因此，在确定混煤的最佳掺烧比时，必须全面考虑着火、燃尽和结渣 特性，本文采用模糊数学的方法对实验煤的掺烧比进行综合评判，在前面实验研究 的基础上，从煤质本身的特性出发，同时考虑混煤的着火、燃尽和结渣情况，确定 - - - t f t 实验煤的最佳掺混比 1 0 】，为电厂燃用混煤时确定混煤混配比提供参考。 模糊综合评判的基本步骤如下： 建立因素集：u = f u l ，u 2 ，u r n 建立权重集：a = a l ，a 2 ，a m 建立单因素模糊评判矩阵r 模糊综合评判：b = a * r 评判指标的处理 ( i ) 确定因素集 即将影响评判对象的m 个因素抽象综合成一个普通集合u ，即将混煤抽象的燃 华中科技大学硕士学位论文 烧特性综合成具体的评判数据。 根据混煤的上述试验研究，确定因素集为： u = 着火温度，可燃性指数，软化温度t 2 ( 2 ) 确定备择集( 抉择评语集) 将评判对象可能被做出的各种评判标准抽象为一个集合v 。对于锅炉燃用混煤 来说，可划分为适宜和不适宜，即抉择评语集为： v - - - 适宜，不适宜， 为了计算方便，这里依据混煤实验测取的数据的最大最小值作为基准来确定等 级指标。如：结渣特性评判以煤灰软化温度为评判标准，第一组混煤的煤灰软化温 度以烟煤的不同比例为1 2 2 0 c 、1 3 1 0 c 、1 4 0 0 ( 2 、 1 5 0 0 c ，软化温度低不利于防治 结渣，因此将1 2 2 0 c 划分为不适宜，而将1 5 0 0 c 封j 分为适宜。同理得到其余指标。 ( 3 ) 确定单因素评判矩阵r 即从因素u i 出发进行单独评判，以确定评判对象对备择集元素的隶属度，用各 择集的一个