（热能工程专业论文）基于智能技术的混煤特性预测及配煤优化模型研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于近年来火电用煤日趋紧张，煤价上涨、煤源复杂多变等因素 造成大部分火力发电厂不得不采用混煤掺烧的燃煤方式。燃用煤偏离 锅炉设计煤种的现象普遍存在，锅炉煤质不稳造成锅炉效率降低、燃 用设备安全可靠性降低和燃煤污染物排放加重。因此研究混配煤煤质 特性和着火特性对充分利用地方劣质煤和实现锅炉的混煤优化掺烧 具有重要的意义。 针对湖南本地煤煤质差的特点，选用了多种湖南地方煤和外省煤 进行动力配煤研究，对选用单煤和混煤进行了低位发热量测定、元素 分析、工业分析和热重实验，掌握了单煤种的煤质特性和着火特性。 通过混煤煤质线性加权值与实验值相比较，发现混煤煤质与单煤煤质 之间不是简单的线性加权关系，而是呈现非线性的规律。 根据煤质实验数据，利用g r n n 神经网络建立了混煤的煤质特 性、着火温度和着火稳燃特性指数预测模型，并分别对各预测模型的 预测性能进行了研究，确立了网络参数和模型结构。最后对混煤煤质 特性、着火温度和着火稳燃特性指数进行预测，预测的平均相对误差 均在5 以内。 在此基础上，针对本文研究的煤质数据库建立了动力配煤优化模 型，采用遗传算法对模型进行求解，在优化模型约束条件中应用了混 煤煤质预测模型求得混配煤煤质，得到煤价最低符合约束条件的优化 配煤方案，并结合实验研究和模型预测验证了优化混煤在煤质特性、 着火特性、煤价等方面较单煤都有了很大改善，能够实现混煤掺烧的 优化目的。 关键词：混煤，g r n n 神经网络，预测，遗传算法，优化 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o s to ff o s s i l f i r e dp o w e rp l a n t sh a v et ob u mt h e b l e n d e dc o a l sd u et om a n yf a c t o r ss u c ha st e n s e n e s so fc o a l sb u r n i n g ， r i s i n go fc o a lp r i c ea sw e l la sc o m p l i c a t e da n dv a r i a b l eo fc o a ls o u r c ec t c h o w e v e r , i ti sau n i v e r s a lp h e n o m e n o nt h a tc o a l - f i r e dd e v a i a t e sf r o mt h e c o a l so fb o i l e rd e s i g n i n g i na d d i t i o n ，u n s t a b l ec o a lp r o p e r t i e sc a u s e l o w e rb o i l e re f f i c i e n c y , r e d u c et h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc o m b u s t i o n e q u i p m e n ta n di n c r e a s ep o l l u t a n te m i s s i o n s t h e r e f o r e ，t os t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb l e n d e dc o a l sa n di g n i t i o nh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei n m a k i n gf u l lu s eo ft h el o c a li n f e r i o rc o a l sa n da c h i e v i n go p t i m i z a t i o no f b l e n d e dc o a l sc o m b u s t i o ni nt h eb o i l e r i nt h i st h e s i s ，v a r i o u sk i n d so fl o c a lc o a l si nh u n a na n dc o a l sf r o m o t h e rp r o v i n c e sa r eu s e di nt h ep o w e rc o a lb l e n d i n gs t u d ya c c o r d i n gt o t h e p o o rq u a l i t yo fl o c a lc o a l s e x p e r i m e n t so fn e tc a l o r i f i cv a l u e d e t e r m i n a t i o n ，e l e m e n t a l ，i n d u s t r y , a n dt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i sa re d o n ef o rt h es i n g l ea n db l e n d e dc o a l ss e l e c t e d ，c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e c o a l sa n di g n i t i o na r em a s t e r e d c o m p a r i n gl i n e a rw e i g h t e dv a l u e st ot h e e x p e r i m e n t a lv a l u e so fb l e n d e dc o a l ，w eo b v e r s et h a ti ti st h en o n l i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i n g l ea n db l e n d e dc o a l sr a t h e rt h a ns i m p l el i n e a r w e i g h t e d b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ep r e d i c t i o nm o d e l so fq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c ，i g n i t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ep a r a m e t e ro fi g n i t i o na n d c o m b u s t i o ns t a b i l i z e dc h a r a c t e rf o rb l e n d e dc o a l sa r ee s t a b l i s h e db yu s i n g g r n nn e t w o r k m o r e o v e r , t h ef o r e c a s tp e r f o r m a n c eo fm o d e l sa r e i n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y , a p p r o p r i a t en e t w o r kp a r a m e t e r sa n dm o d e l s t r u c t u r e sa r eo b t a i n e d i nt h e e n d ，q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c ，i g n i t i o n t e m p e r a t u r ea n dt h ep a r a m e t e ro fi g n i t i o na n dc o m b u s t i o ns t a b i l i z e d c h a r a c t e ro fb l e n d e dc o a l sa r ep r e d i c t e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lt h e a v e r a g er e l a t i v ee l r o r sa r el e s st h a n5p e r c e n t s n o nt h eb a s i so ft h ec o a l s d a t a b a s ei nt h i st h e s i s ，p o w e rc o a lb l e n d i n g o p t i m i z a t i o nm o d e li sb u i l ta n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h m si sa d o p t e di nt h e m o d e l f r o mt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h e o p t i m i z a t i o nm o d e li n c o m b i n a t i o nw i t ht h e p r e d i c t i o n m o d e lo fb l e n d e dc o a l s q u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c ，w eo b t a i nt h eo p t i m u mc o a lb l e n d i n gp l a nw i t ht h el o w e s t b l e n d e dc o a l sp r i c ei na c c o r d a n t ew i t hc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s i ti sv e r i f i e d t h a tc o a lq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c ，i g n i t i o nc h a r a c t e ra n dt h ep a r a m e t e ro f i g n i t i o na n dc o m b u s t i o ns t a b i l i z e dc h a r a c t e ra sw e l la sp r i c eo ft h e o p t i m u mb l e n d e dc o a l sh a v eb e a e rs u p e r i o r i t yt h a nt h es i n g l ec o a l s t h e o p t i m i z a t i o np u r p o s eo ft h eb l e n d e dc o a l sc o m b u s t i o nc a nb ea c h i e v e d k e yw o r d s ：b l e n d e dc o a l ，g r n nn e t w o r k , p r e d i c t i o n ，g e n e t i c a l g o r i t h m ，o p t i m i z a t i o n h i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特j j , l d n 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名：丞丕趁日期：耸旺月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：毒应兰么l 导师签名： 日期：绰咀月丛日 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 第一章国内煤炭资源及动力配煤技术综述 1 1引言 能源是人类社会存在与发展的物质基础。2 0 0 多年来，建立在煤炭、石油、 天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，人们 在物质和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料带来的 严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间 的政治经济纠纷。因此，人类必须寻求一种新的、高效、清洁、安全、可靠的能 源利用方法。 我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境 保护要求的严峻挑战。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主 多元化发展；加强环境保护，开展煤清洁化利用；采取综合措施，保障能源安全； 依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等，是我国长期的能源发展战略， 也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措施。 2 1 世纪，煤作为一种能源，究竟是否还会像2 0 世纪一样占有如此重要的地 位，回答是肯定的【1 1 。我国是一个发展中国家，国力有限，应该大力发展符合自 身实际情况的具有中国特色的洁净煤技术。洁净煤技术【2 】是指在煤炭加工和利 用过程中旨在减少环境污染和提高利用效率的由加工、燃烧、转化和污染控制等 新技术组成的技术体系。我国煤炭消耗量大，洗选率低，能源利用率低，单位能 耗产生的污染大，这些都决定了开发和应用洁净煤技术是我国未来能源发展的必 由之路【3 1 。 中国洁净煤技术的核心【4 5 】是提高效率和减少污染，从而使煤炭成为洁净、 高效、可靠的能源。其主要研究领域包括：煤炭加工技术，煤炭燃烧技术，煤炭 转化技术，污染物排放控制和废弃物处理技术。其中动力配煤技术和循环流化床 燃烧技术是目前国内研究应用的比较多的两种技术【6 】。 1 2 国内煤炭资源及其在能源消费结构中的地位 1 2 1 国内煤炭资源概况 中国是以煤为主要能源的国家。2 0 0 5 年，资源总量为5 5 9 6 5 6 3 亿吨，资源 保有量1 0 0 7 7 亿吨，含煤面积5 5 万平方公里，资源探明率1 8 ，经济可开发的 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 剩余可采储量11 4 5 亿吨，在探明的化石能源储量中煤炭占9 4 3 。 中国是世界上第一大产煤国，煤种比较齐全，但是消耗量大，人均占有少， 地区不均，北方煤质优于南方煤。我国主要有1 3 个大型煤炭基地分布( 如图1 1 所示) ：山西( 晋北、晋中、晋西) 、神东、蒙东、冀中、鲁西、河南、两淮、宁 东、黄陇、陕北和云贵基地。其中晋北、晋中、晋西三大基地产煤量最大，且产 煤量最大的五省分别是山西、内蒙、河南、山东和陕西 7 1 。 0 图1 1 中国大型煤炭基地资源储量( 单位：亿吨) 到目前为止，煤炭在能源消费结构中占有主导地位：从整个世界的能源消费 结构看，在一次能源消费中，石油占4 0 ，煤炭占2 7 ，天然气占2 3 2 ，核能 占7 3 ，水电占2 6 ；而在中国的能源消费结构中，2 0 0 6 年煤炭资源占比为 7 6 8 f 8 1 。全国每年用于直接燃烧的动力煤约占煤炭总消费量的8 0 ，其中发电 约占3 2 ，工业锅炉、炉窑约3 5 ，民用及其他l o 以上。虽然我国将发展核 电，但今后几十年时间内煤炭为主要能源的结构仍然不会被改变【9 】。 1 2 2 湖南省煤炭资源概述 湖南省煤炭资源探明储量为3 1 6 亿吨，工业储量1 9 4 亿吨，居全国第1 8 位【i u j 。 湖南省煤种主要由无烟煤和烟煤组成。其中无烟煤约占探明储量的6 2 5 9 ，煤质 以新化至双峰一带最好；烟煤占探明储量的3 4 4 0 ，其中炼焦用烟煤占2 8 0 ， 高灰分劣质烟煤占5 6 ( 主要分布在湘南) ；贫煤占探明储量的3 0 0 。全省除岳 阳外，其它1 3 个市州均有探明储量，总含煤面积达5 万平方公里。煤炭分布极不 平衡，主要分布在娄底、郴州和衡阳3 市【l l 】( 见表1 1 ) 。湖南省煤炭资源中无烟 2 砌 筋 坫 加 5 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 煤的煤质一般较好，发热量多在4 0 0 0 大卡以上，但着火温度和燃尽温度高，烟煤 大多含硫较高，其中高灰、高硫煤主要分布在湘西和湘北地区。 表1 1 湖南省煤炭资源分布表 研究结果表明【1 2 1 ，湖南省电厂锅炉用煤的着火温度z 集中在4 7 0 - 5 4 0 ， 着火温度按高低排列顺序为无烟煤、劣质烟煤、贫煤和烟煤【。湖南省无烟煤 的着火温度一般为5 2 4 - 5 4 0 ，最高的可达至u 6 3 7 ，耒阳地区无烟煤着火温度 比金竹山地区无烟煤着火温度稍高。无烟煤的燃尽温度一般为9 0 0 - - - 9 5 0 ，最 高可达到1 0 3 9 。总体上看，湖南省无烟煤燃烧的基本特点是着火温度高、燃尽 特性差。湖南省劣质烟煤的着火温度一般集中在4 3 0 - - 5 0 0 c ，燃尽温度一般集中 在7 0 0 - - 8 0 0 。湖南省劣质烟煤的燃烧特性整体上也呈现着火性能不良、燃尽特 性差的特点。劣质烟煤燃烧特性差是由于惰性气体、灰分质量分数过高引起。高 灰分劣质烟煤的着火温度远高于普通烟煤，有的甚至达到无烟煤的水平。 湖南能源消费也以煤炭为主。2 0 0 3 年湖南一次能源消费中煤炭占7 6 7 ，石 油、水电分别占1 6 3 、7 0 。从终端能源的消费情况看，2 0 0 3 年原煤消费占 终端消费量的5 0 8 。电力、焦炭、柴油、汽油消费分别占终端能源消费量的 1 6 4 、9 8 、7 0 和5 3 。湖南以煤为主的能源消费结构将长期存在。根据 煤炭资源消耗及消耗结构态势的分析，“十五”期末( 2 0 0 5 年) ，全省煤炭消耗总 量为4 5 1 8 万吨，火电的煤炭消费量为1 5 8 4 万吨，占总量的3 5 ，到“十一五”末 3 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 ( 2 0 1 0 年) ，全省煤炭需求量为6 4 4 3 万吨，火力发电原煤需求量为2 7 4 4 万吨，占 总量的4 2 6 【1 3 1 。 1 3 动力配煤的意义及发展现状 中国是以煤炭为主要能源的国家，是目前世界上最大的煤炭生产国和消费 国。全国每年用于直接燃烧的动力煤约占煤炭总消费量的8 0 ，与发达国家相比， 我国发电煤耗平均高3 0 ，工业锅炉热效率平均低于1 5 - 2 0 。我国窑炉、民 用燃煤效率多在2 0 - - 3 0 ，全国大气污染中近7 0 的烟尘及9 0 以上的c 0 2 来自 燃煤【1 4 1 。由于燃煤供应品种多，质量不均一、不稳定，煤质不适应燃煤设备的 要求导致我国煤炭燃烧效率低、污染排放严重。 改善燃煤现状的技术途径是根据燃煤特性，有针对性地采用燃前加工技术 ( 如选煤、配煤、水煤浆等) 、先进的燃烧技术和燃后净化技术来达到高效洁净燃 烧的目的。而先进的燃烧技术和烟气净化需要对锅炉进行大量的技术改造，其费 用昂贵【1 5 1 。因此，在大力发展煤炭洗选，提高商品煤质量的同时，积极发展动力 配煤技术，提高动力用煤的配煤比重，是一种符合当前我国技术、经济水平和煤 炭产销状况的有效措施。 1 3 1 动力配煤的意义 当前，我国煤炭燃用过程中主要存在三个方面的问题【_ 7 】： 1 ) 煤炭热能利用率低。在我国，煤的热能利用率在电厂仅为3 3 3 4 ，工业 锅炉仅为5 5 6 0 ，工业窑炉则更低至2 0 3 0 ，造成煤炭热能利用率低的原因主 要是由于燃煤来源渠道多、煤种杂，质量不稳定，偏离锅炉等燃烧设备的设计煤 种所造成的。 2 ) 煤炭燃用设备安全性、可靠性低。据统计，由于锅炉着火、燃烧、磨损 及腐蚀等问题引起的电站锅炉事故占电站总事故的4 0 以上。 3 ) 燃煤污染物排放严重。 动力配煤属洁净煤技术范畴。动力配煤的主要目的是将各种性质不同的煤炭 按一定比例进行混配，从而产生所谓的新煤种，又称动力配煤产品，以满足各种 指定锅炉或窑炉的使用要求。也就是说，混煤的煤质基本达到发电煤粉锅炉或工 业锅炉的设计煤种的煤质要求。煤质对燃煤电厂的安全和经济运行至关重要，煤 质的改变将给锅炉，乃至整个电厂带来很多的问题，主要表现在以下几个方面 6 j ：煤质的下降或燃煤的某些参数变化，可能造成锅炉机组的某些设备不能满 负荷运行而限制锅炉出力；煤质下降使电厂的煤耗和厂用电率上升；煤质的下降 4 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 导致燃煤可用率下降；煤质下降使检修和维护费用大幅度上升；煤质下降使环保 方面的费用上升。另外，煤的特性很大程度上决定了煤的价格。因此，选用何种 的煤质从而使火力发电厂的经济效益达到最佳，在厂网分开，竞价上网的今天就 成了当前各电厂急待解决的重大问题之一。 我国火力发电用煤约占原煤消耗的三分之一，而且发电用煤量的比例还会逐 渐提高。由于煤耗量增大，运输能力不足，国家又要求火电站尽量燃用劣质煤， 因此许多大型电站必须燃用混配煤。据统计有超过5 0 e 1 7 】的电厂烧非设计煤种或 混配煤。因此，积极发展动力混配煤技术，提高动力用煤的配煤比重是一种符合 当前我国煤炭资源状况的有效措施。 湖南火力发电厂近年来煤、电、油、运矛盾突出，电煤供应持续紧张、煤质 下降、价格大幅上扬，给我省各火力发电厂燃料成本控制带来巨大压力。燃煤供 应体现三个明显的变化趋势【1 3 】：一是煤种多变，因煤炭的产、运、销及电力生 产情况的变化，供应的煤种煤质相差悬殊。二是掺烧本地劣质煤的比例增大，随 着地方煤窑产量增长，供应电力生产的劣质煤逐年增多。三是计划外采购、来煤 加工等多渠道进煤及煤炭市场的开放使电厂有可能同时购进多个煤种，以供混 配。 动力配煤就是要发挥各个单种煤的特点，相互取长补短，使原本不适合单烧 的煤，经过合理配制，制成一个新煤种，使煤质与锅炉特点相适应，并能保证混 配煤质量有相对的稳定性。由于配煤中尽量扩大储量比较丰富的煤种的比例，故 可以节约优质煤，做到物尽其用。要达到上述目的需要深入地研究如何设计和优 化配煤方案及其系统，为大型电站提供合理的掺烧比例。而这些工作都要以对煤 质的正确分析和评价为基础，于是燃煤的煤质特性和混煤煤质预测的研究显得格 外重要。 动力配煤技术作为适合我国国情的一项洁净煤燃烧技术，受到了广泛的重 视。1 9 9 7 年4 月煤炭工业洁净工程技术研究中心与中国煤炭学会共同召开了“发 展动力配煤专家座谈会 ，与会的各位院士、专家及代表们对如何加强动力配煤 的研究与应用取得了共识，并提出了以下建议：动力配煤是应予优先发展的洁净 煤技术之一，应集中力量对动力配煤相关的基础理论和应用技术进行更广泛、更 深入的研究，开发动力配煤工程技术中实用的软、硬件，改进、完善和提高现有 的动力配煤技术；要制订动力配煤发展的总体规划；认真贯彻执行煤炭法， 保证动力配煤的稳定、健康发展。在现有条件下，要提高锅炉热效率，就必须保 证锅炉达到正常高效运行，必须恰当选择适宜的燃煤煤质特性与燃烧特性与锅炉 设计参数相匹配。不同特性的煤，适应不同的锅炉设计参数。配煤技术的原则， 就是恰当地满足不同类型锅炉、工业窑炉设计参数的要求，使煤得到充分燃烧， 5 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 燃烧稳定，避免结渣，达到锅炉额定出力和满负荷运行，提高燃烧效率及锅炉热 效率。 综上所述，我国发展动力配煤技术主要有以下几个意义： 1 ) 保证混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 ) 充分利用劣质煤或当地现有煤炭资源，减少煤炭运输压力； 3 ) 调节燃煤中硫及其它有害物质的含量、满足环保要求； 4 ) 通过各掺混煤特性的取长补短，保证燃煤质量的稳定，使用煤设备正常、 高效运行。 1 3 2国外动力配煤技术发展及相关研究现状 国外由于煤炭生产和消费隶属于不同的经营者，使用者根据锅炉设计煤质购 煤，生产者按所产煤质供煤，因此配煤是在煤矿，中转单位和煤处理厂完成的。 通常采用低硫分( 或低灰分) 煤的混配燃烧，以减少s o , 的排放，降低锅炉的结 渣、沾污和积灰，或者充分利用中、低热值煤与高热值煤混配，保证燃煤的低位 发热量，控制燃煤的灰分。从事配煤技术研究较早的国家有美国、德国、日本、 英国、西班牙、荷兰和加拿大等国家。配煤技术从早期的在电厂直接采用仓混、 库混、带混或炉内混合等方式，发展到现在的采用在线检测技术、微机控制技术 对性能各异的煤种进行煤厂集中优化配置【1 9 2 0 】。 美国动力用煤大部分为优质煤，在煤粉炉中燃烧方面不成问题，故将研究的 重点放在其他方面，特别是污染物的排放控制，对混煤的研究也是如此。因此， 美国在采用混煤方法降低s o x 的排放方面进行了较为深入的研究。东部、中部 煤含硫较多，分别为1 8 一- - 3 8 和2 5 5 o ；而西部煤含硫少，约为0 3 1 5 。东部和中部的电厂须使用西部煤或采用脱硫装置，才能满足s o x 排放要 求。采用东部、中部煤掺烧西部煤，既可以减少运费与脱硫装置，又能满足排放 要求【2 l ，冽。研究表明，东、中部高硫煤( 含硫3 1 ) 中仅掺烧1 0 的西部低硫 煤( 含硫0 3 ) ，比单烧高硫煤运行费用低6 0 ，混煤的效果显著。与此同时， 也考虑了解决其他一些问题，如：用混煤的办法保证含灰量和发热量稳定。保证 煤质稳定，既可降低现役电厂的运行费用，又可降低新电厂的投资和运行费用。 如拉比德( l a b a d i e ) 联合电厂的配煤系统，用低硫煤与高硫煤相配，限制煤炭 硫分的上限，可以节约大量的低硫煤，减少石灰石吸附剂用量，每年可节约4 8 0 0 万美元；其配煤工艺常采用仓配和堆配。 德国混煤燃烧技术的发展起于7 0 年代初。近几年，德国对混煤的燃烧特性 及燃烧混煤的各种燃烧室和燃烧器以及配煤设备进行了较为深入的研究，如德国 的v r k u h u 研究了混煤的着火性和可磨性，并对燃用混煤的电站的初投资和运 6 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 行经济性进行了分析【2 3 1 。德国的j z e l k o w s k i 等人研究了不同氧浓度下不同细度 的混煤着火情况，主要结论如下：混煤的掺混比例对煤的着火点有一定影响；在 低氧环境中，混煤的着火特性随掺混比例变化的趋势是不同的；对于粗颗粒煤， 不同的氧浓度下，掺混比例的变化对着火性的影响明显。 日本配煤主要是为了节约煤炭，减少运输费用。日本是一个资源短缺的国家， 燃料依赖进口，为了减少运输费用，近几年开始扩大利用发热量高的无烟煤等低 挥发分煤，因而出现了在粉煤锅炉中混烧无烟煤和石油焦等低挥发分燃料的倾向 【2 4 1 。然而，传统的水平燃烧锅炉燃烧混煤时会出现各种各样的问题，这样就促 使了日本燃烧界对混煤的特性及燃烧技术进行了深入研究，有些混煤燃烧的技术 已推广应用，例如石川岛播磨重工业公司对原来烟煤和混煤水平燃烧的锅炉进行 了应用反应管的试验和应用燃烧试验炉的试验，充分地掌握了低挥发分煤混烧时 的燃烧特性，在此基础上设计了混烧低挥发分煤的5 3 0 t h 锅炉。目前，日本针 对混烧不同煤种时出现的污染物增加及未燃损失增加等问题正在进行更深入的 研究。 西班牙的劣质煤储量较多。为充分利用这些煤，也采用掺烧方法，西班牙的 j o a q u i ng a n z a l e sb i a s 在研究低挥发分煤燃烧时，也研究了混煤的燃烧特性。西 班牙的一些劣质煤，灰分含量为1 6 , 5 5 ，平均为4 5 ，研究表明，造成发电 设备可用率下降的主要原因是锅炉结渣和磨煤机磨损。还有一个问题是某些高灰 分煤的挥发分可燃物含量低，因此难以燃烧，可采用高挥发分煤与低挥发分煤的 混合燃料进行锅炉试烧，混合煤的挥发分为1 2 1 6 ，灰分小于4 5 。研究结果 说明：当采用混合燃料时，由于燃烧效率和可用率提高，带来了好的经济效益【2 5 1 。 英国利用混煤燃烧可以将燃煤的灰分含量限制在1 7 以下，收到了减轻或消 除结渣的良好效果。 综上所述，国外混煤( 配煤) 技术已取得不少研究成果，但在理论研究方面 也有待深入，特别是在煤的煤质参数( 如煤的发热量、煤的挥发分、煤的灰融点 等) 的线性可加性、配煤的最佳数学模型、配煤的燃烧特性等方面的研究尚需进 一步加强和探索。 1 3 3国内动力配煤技术发展及相关研究现状 我国煤炭资源丰富，混煤使用情况与国外不同。动力用煤包括从烟煤、劣质 烟煤、贫煤、褐煤到无烟煤的各种煤种。这些煤在火电厂中常被应用，各种煤之 间的特性差异明显，即使同一种煤，随产地、矿点、地质条件及开采、运输、储 存等的不同，其煤质特性也有差别，再加上实际用煤时，有些电厂还掺烧各类洗 中煤和煤矸石等劣质燃料，更增大了实际用煤的变化幅度，偏离了设计煤种。众 7 中南大学硕士学位论文 第一章 国内煤炭资源及动力配煤技术概述 所周知，锅炉是根据给定的煤种设计制造的。设计煤种不同，锅炉的炉型、结构、 燃烧器及燃烧系统的形式将不同，有的甚至影响燃料输送系统、锅炉辅机和附属 设备的选型。当实际燃用煤种与设计煤种差别明显时，锅炉出力和效率影响较大， 给设备的安全经济运行带来各种各样的问题。 由于诸多因素存在，从根本上解决煤质问题，使锅炉都烧设计煤种是不现实 的。目前来看，采用不同煤种混合配煤，则是解决锅炉煤质问题的一个行之有效 的方法。国内有些电厂对不同煤种混烧进行了一定研究，并取得了一定成效；但 也有不少电厂配煤不合理，并不是科学地按一定比例进行配比，存在的问题没有 得到解决；即使改造锅炉去适应煤种，依然不能适应煤种的变化。因此，开展动 力配煤研究，探讨混煤煤质特性与单煤之间的关系，找出合理的优化配煤方案己 成为当前亟待解决的问题。 中国动力配煤技术开始于2 0 世纪7 0 年代末期，上海燃料公司针对当时煤炭 供应紧张，质量很不稳定和浪费严重的情况，将几种煤加工成“混合煤 供应用 户，收到良好效果。此后，配煤技术开始推广。8 0 年代，北京物资学院和沈阳 市燃料利用研究所等单位进行了“动力配煤优化配方研究，利用线性规划原理 对动力配煤优化配方进行了最优化计算，并编制出了相应的计算机软件。目前， 我国已建成较大规模的动力配煤生产线，配煤能力约为5 0 0 0 万吨年。据统计， 燃用动力配煤比燃用单种煤的t s p ( t i m es e r i e sp r o c e s s o r ) 排放量降低4 1 ，s o z 排放量降低2 6 7 ，节煤率提高6 8 。总之，动力配煤技术可以把劣质煤充分 利用起来，变害为利，变废为宝，增加有效能源，充分发挥能源的作用，为保障 可持续发展开辟新途径。 由于混煤使用越来越广泛，我国近年来对混煤开展了更多的研究工作，如煤 炭科学院北京煤化所、浙江大学、西安热工所、哈尔滨发电设备成套设计研究所、 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室和株洲洗煤厂等单位对混煤( 动力配煤) 进 行了更加深入地研究。 煤炭科学院北京煤化所提出了动力配煤优化配方的数学模型，并开发了动力 配煤优化配方的应用软件。 浙江大学热能工程研究所对动力配煤中煤质指标的线性可加性进行了研究， 指出动力配煤的某些煤化指标是非线性可加的，并把神经网络方法应用于动力配 煤，探索了动力配煤的新的技术和方法，且对性能各异的数十种无烟煤、烟煤、 褐煤及混煤的热解、着火、燃烧、结渣、固硫及助燃特性进行了研究，提出如下 观点 2 6 11 ) 混煤特性与各组成单煤之间并非是简单的加权关系，而是具有复杂 的非线性特征。应用神经网络理论、模糊数学等数学手段可以满意地描述这种非 线性特征，并以此建立优化配煤的数学模型。通过求解此模型可以得到比加权平 8 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 均方法更准确、更符合实际的配煤方案。2 ) 开发和应用电厂优化配煤专家系统 可以指导电厂的配煤生产，优化锅炉的运行以及加强煤场的管理，这是电厂动力 配煤技术进一步发展的方向。 西安热工所在研究劣质煤燃烧和锅炉改造时对电厂混煤特性，结渣特性进行 了研究。他们使用热天平、一维火焰燃烧炉等试验装置，研究了晋东南无烟煤及 其混煤的燃烧特性，试验结果表明：阳心无烟煤在2 0 m w 及其以上容量锅炉机 组燃用时掺入3 0 潞安贫煤或2 0 黄陵烟煤，其火焰稳定性会得到较大提高， 锅炉的机械不完全燃烧损失比单烧阳心无烟煤有所减少，但掺入黄陵烟煤炉内结 渣趋势增强，故实际应用时推荐采用掺潞安贫煤【2 7 】。 哈尔滨发电设备成套设计研究所等国内的有关单位的专家在大量调查研究 的基础上指出：性质相近的煤种，如褐煤与长烟煤混合对燃烧可靠性和经济性影 响不大，可按任何比例掺烧；燃烧性能有一定差异的煤种，如褐煤与焦煤掺烧时， 虽可稳定燃烧，但对经济性及其他参数有影响，通过实验确定最佳掺烧比；燃烧 性能相差悬殊的煤种，如褐煤与贫煤混合，会使经济性大幅度下降，在一般情况 下不宜采用。 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室对混煤的挥发分析出规律、混煤的着火 特性、燃烧的燃尽特性、混煤的结渣特性、混煤的硫和氮的析出特性等进行了研 究，建立了混煤燃烧的数学模型，预测混煤的燃尽度。 综上所述，国内对动力配煤己开展了相关研究，并取得了一定的成绩。但针 对湖南地方煤的混煤煤质特性、着火燃烧特性和优化配煤问题研究尚少。由于混 煤与单煤之间的非线性关系客观存在，因此混煤的各种实测数据必然反映了这种 非线性关系并隐含着混煤与单煤之间关系的内在机理规律，用线性拟合或者多项 式拟合只是对其内在规律的一种简单揭示。目前日益兴起的神经网络技术对实现 非线性映射，尤其是解决输入对输出影响的具体机制不太清楚的“黑箱 问题显 得极为有效，是解决混煤非线性问题的有效方法，但相关理论研究有待进一步深 入。目前，引进神经网络和遗传算法等非线性理论对混煤特性预测模型和优化模 型开展研究是国内动力配煤的重要研究方向。 1 4 本文主要研究内容 本论文以中南大学与湖南某电厂合作的应用项目“多煤种适应性研究”为依 托，针对该电厂动力配煤技术展开研究。 研究工作采用神经网络和遗传算法理论，结合煤质基本数据、热重分析实验 和动力配煤原理建立非线性预测模型和配煤优化模型，掌握混煤煤质特性和着火 燃烧特性与各组成单煤之间内在的非线性规律，并寻求优化配煤方案，具体研究 9 中南大学硕士学位论文第一章国内煤炭资源及动力配煤技术概述 内容如下： 1 ) 选取湖南省内外1 5 种单煤分别进行发热量测定、煤质元素分析和煤质工 业分析，选取不同单煤种进行混煤配比，对各种混煤进行与单煤相同的化验分析， 并将分析结果与动力配煤加权平均值进行比较分析，发现混煤特性与单煤特性的 非线性规律。 2 ) 对各种单煤和混煤作热重分析并绘制t g 和d t g 曲线，研究各单混煤的 着火温度和着火稳定性，并计算得到单煤和混煤的着火、燃烧等判别指数。 3 ) 建立混煤煤质特性、着火温度和着火稳燃特性指数预测模型，利用神经 网络求解模型并优化网络结构和参数，提高预测精度。 4 ) 根据配煤的目标函数和约束条件建立动力配煤优化模型，采用煤质预测 模型对混煤煤质进行预测，采用遗传算法求解动力配煤优化模型得到最优混煤方 案。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章混煤煤质特性和着火燃烧特性实验研究 第二章混煤煤质特性和着火燃烧特性实验研究 2 1单煤煤质特性及混煤方案 火电用煤日益紧张，湖南大部分火力发电厂燃用煤都偏离锅炉设计煤种，混 煤掺烧的现象普遍存在。特别是近几年煤价上涨，电厂燃用煤不得不采用北方优 质煤掺烧煤种杂、煤质差的湖南本地煤，以解决燃煤紧张问题和降低发电成本。 动力配煤研究中混煤煤质特性对火电厂的经济效益有重大的影响，准确的掌握燃 用煤的煤质参数能更好地实现混煤的掺烧，以适应实际生产中的需要，并提高锅 炉热效率、节约资源以及减少污染。 2 1 1 单煤的元素分析 煤是由多种有机物质和无机物质混合组成的十分复杂的固体碳氢燃料。煤中 有机物质主要有碳( c ) 、氢( h ) 、氧( o ) 、氮( n ) 四种元素组成，还有一些元素则组 成煤中的无机物质，主要有硫( s ) 、磷( p ) 以及稀有元素等。 碳是煤中有机质的主导成分，也是主要的可燃物质。一般说来，煤中碳含量 越多，煤的发热量也越大。但是纯碳的着火和燃烧都比较困难，因此含碳量高的 煤难以着火和燃尽，但其发热量较高，所以无烟煤属于难燃煤种。 氢也是煤中重要的可燃元素。氢的发热量最高，燃烧时每千克氢的发热量可 高达1 2 0 3 7 0k j ，是纯碳发热量的4 倍【2 引。煤中氢含量一般是随煤的变质程度加 深而减少。正因为如此，变质程度最深的是无烟煤，其发热量还不如某些优质的 烟煤。 氧是煤中不可燃元素。煤的氧含量也随煤的变质程度加深而减少。例如，在 泥炭中氧含量高达3 0 - - 4 0 ，褐煤中含量为1 0 - - 3 0 ，而在烟煤中为2 1 9 ，无烟煤中则更少，小于2 。 煤中氮含量较少，仅为1 3 ，煤中氮主要来自成煤植物。在煤燃烧时氮 常生成对环境污染很大的氮氧化物。 硫是煤中的有害元素之一。动力用煤中的硫在煤燃烧过程中形成s 0 2 ，s c h 不仅腐蚀金属设备，而且还是造成大气污染的“公害。煤作为我国的主要能源， 因其大量燃烧造成对环境的污染，使全国大气呈煤烟型污染，燃煤排放到大气的 固态粉尘及s 0 2 分别占5 0 和8 0 p a 上【2 9 1 。因此，在动力配煤过程中必须考虑 配煤硫分的高低，以满足用户和保护环境的需要。可见，煤的硫分是评价动力用 中南大学硕士学位论文 第二章混煤煤质特性和着火燃烧特性实验研究 煤质量的又一煤质参数。 针对湖南火电厂燃用煤采用优质煤掺烧本地煤的状况，结合湖南某电厂的实 际燃煤情况选取1 5 种单煤作元素分析，数据见表2 1 ，其中外地矿7 种，分别为： 汝州、潞安、浦白、郑煤、洛阳兴燃、平煤和贵州水城；湖南本地矿8 种，分别 为：荷叶、娄底万通、金竹山、长沙矿业、湘中燃料、讯润、双板桥和娄底经建。 表2 1 单煤煤样的元素分析数据 根据表2 1 ，从煤的元素成分角度分析，湖南本地煤含硫、氮元素较高，燃 烧将带来更大的污染和腐蚀；部分外省矿，如潞安煤的碳和氢含量高、且含硫少， 其燃烧热值高，属优质煤。 2 1 2 单煤的发热量和工业分析 煤质特性参数包括很多，除元素分析成分( 碳、氢、氧、氮、硫) 外，对电 厂影响较大的有：煤的发热量和煤的工业分析成分( 水分、挥发分、灰分和固定 碳) ；其影响情况如下： 1 ) 发热量 燃料的发热量是单位质量或容积的燃料完全燃烧时所放出的热量，是煤质分 析的重要指标之一。作为动力用煤，煤的发热量越高，经济价值越大。煤的发热 量是设计锅炉时的一个重要数据，也是燃烧好坏的一个重要标志。如果烧用的煤 发热量比原设计选用的煤种低，理论燃烧温度必然下降，炉内温度水平降低。这 样，不但不利于煤粉的着火和烧烬，而且会导致机械不完全燃烧及排烟损失的增 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章混煤煤质特性和着火燃烧特性实验研究 加，锅炉热效率下降。 2 ) 水分 含水分高的煤发热量低，不易着火、燃烧，而且在燃烧过程中水分的汽化要 吸取热量，降低炉膛温度，使锅炉的效率下降，还易在低温处腐蚀设备。煤的水 分高还易使制粉设备难以工作，需要用高温空气或烟气进行干燥。 3 ) 灰分 灰分是指煤完全燃烧后其中矿物质的固体残余物。灰分的来源，一是形成煤 的植物本身的矿物质和成煤过程中进入的外来矿物杂质，二是开采运输过程中掺 杂进来的灰、沙、土等矿物质。煤的灰分几乎在煤的开采、加工、利用的全部场 所都带来不利影响。灰分含量高的煤不仅使发热量减少，而且影响煤的着火和燃 烧，灰分每增加1 ，燃料消耗即增加1 【3 0 】。由于燃烧的烟气中飞灰浓度大， 使受热面易受污染而影响传热，降低效率，同时使受热面易受磨损而减少寿命。 4 ) 挥发分 失去水分的煤样，在隔绝空气下加热至8 5 0 ( 士2 0 ) ，使燃料中有机物分 解而析出的气体产物，成为挥发分。挥发分主要是由各种碳氢化合物、氢、一氧 化碳、硫化氢等可燃气体所组成，此外，还有少量的氧、二氧化碳、氮等不可燃 气体。一般来说，挥发分含量随煤化程度提高而减少。挥发分燃烧时放出的热量 取决于挥发分的成分。不同燃料的挥发分发热量差别很大，它与挥发分中氧的含 量有关，因而也与煤的煤化程度有关。含氧少、质量高的无烟煤和贫煤的挥发分， 发热量很高；褐煤挥发分的发热量很低。挥发分着火温度较低，使煤容易着火。 在电厂中煤的空气干燥基挥发分和干燥无灰基挥发分常作为燃煤着火好 坏的初步派别参数。 对1 5 种实验单煤作发热量测定和工业分析，数据见表2 2 。 表2 2 单煤煤样的发热量和工业分析数据 煤样名称 发热量水分 灰分厶挥发分挥发分 纰。 一 汝州 1 5 9 50 9 4 4 3 7 81 2 5 42 2 6 8 山西潞安 2 3 0 90 7 62 4 7 11 2 7 21 7 0 7 浦白 2 0 2 80 5l3 2 2 71 4 9 62 2 2 6 荷叶1 8 5 0 1 7 2 ， 3 8 8 87 8 41 3 2 0 娄底万通 1 8 3 82 0 93 6 2 8 7 6 l 1 2 3 5 郑煤 2 0 6 91 1 43 0 5 81 1 0 51 6 1 8 洛阳兴燃 2 1 2 9 0 9 4 2 8 9 81 2 2 31 7 4 5 湖南金竹山1 6 8 3 2 ”4 1 1 7 5 9 0 1 0 4 7 长