（工程热物理专业论文）用神经网络预测煤及配煤的着火特性.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国工业的快速增长，煤的消耗量增加，加上运输困难、煤矿分布不 均匀以及国家有关对燃煤锅炉尽量燃用劣质煤的政策等因素，造成电厂不可能长 期燃用单一煤种，而不得不燃用配煤。而煤的着火特性对锅炉的安全经济运行非 常重要，所以本文重点研究配煤的着火特性。 煤粉自身特性是影响着火特性的一个非常重要凶素，而着火特性和煤质之 间的内在关系是复杂的非线性关系，从某个单一煤质指标、人为经验或经验计算 公式往往不能准确地描述，为了解决这一问题，本文采用b p 神经网络，以大量 的煤质分析数据和热天平试验数据为基础，建立了三个神经网络模型，如下： 1 以单煤煤质和掺混比例为输入数据，配煤的相应的煤质为输出数据， 建立了通过单煤煤质预测配煤煤质的 申经网络模型。 2 分三种情况建立了工业分析、发热量和着火温度的b p 神经网络模 型。 3 分三种情况建立了工业分析、发热量和着火稳定性指标的b p 神经网 络模型。 结果表明，用b p 神经网络可以达到很高的预测精度，同时还可以比较输入 和输出的相关性。 本文还针对五组不同煤质相混的配煤的热分析曲线进行了分析，研究了配 煤的着火特性。并选取了1 0 个配煤对已建立的神经网络模型预测的正确性进行 了验证。 关键词：配煤b p 神经网络着火温度着火稳定性指标 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y si n d u s t y , t h ef a c t o r si n d u c e t h a tt h ep o w e rp l a n tc o m b u s t st h es i n g l ec o a li m p o s s i b l yf o ral o n gt i m e ，w h i c ha r e t h ei n c r e a s ew a s t a g eo fc o a l ，t h ed i f f i c u l t yt r a n s p o r t a t i o n ，t h ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t i n g o fc o a lm i n ea n dt h ep o l i c yo fn a t i o na b o u tt h a tp o w e rb o i l e rc o m b u s t si n f e r i o rc o a l ， t h e r e f o r e ，t h ep o w e rp l a n tm u s tc o m b u s t sb l e n d e dc o a l s h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fi g n i t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt ot h es a f em a de c o n o m i c a lb o i l e ro p e r a t i o n ，s ot h a tt h e a r t i c l er e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f b l e n d e dc o a l s i n g n i t i o n t h ec o a lc h a r a c t e r i s t i c si so n eo fv e r y i m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fi g n i t i o n ，b u ti ti s c o m p l e x n o n l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e n i n n e r r e l a t i o no fc o a lq u a l i t ya n di g n i t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hc a n n o tb ed e s c r i b e d e x a c t l yb yc e r t a i ns i n g l ec o a lq u a l i t yi n d e x ，t h ep e o p l e se x p e r i e n c ea n dt h ee m p i r i c f o r m u l a s f o rt h es a k eo f s o l v i n gt h i sp r o b l e m ，b pn e u r a ln e t w o r ki sa d o p t e di nt h i s a r t i c l e b a s e do nm a s sd a t ao fc o a la n a l y s i sa n dt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s ，t h e a r t i c l ee s t a b l i s h e st h r e em o d e l so f b pn e u r a ln e t w o r k ，a sf o l l o w s ： 1 、t h es i n g l ec o a tg r a d ea n dm i x e dp r o p o r t i o na r ei m p o r td a t a ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gb l e n d e dc o a l sg r a d ei se x p o r td a t a t h e r e f o r e ，t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e sb p n e u r a 】n e t w o r km o d e lw h i c hf o r e c a s tt h eb l e n d e dc o a l sg r a d et h r o u g hs i n g l ec o a l g r a d e 2 、1 1 1 i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t ot h r e ek i n d so f c o n d i t i o na n de s t a b l i s h e sb pn e u r a l n e t w o r km o d e lf r o mp r o x i m a t ea n a l y s i sa n dc a l o r i f i cv a l u et oi g n i t i o nt e m p e r a t u r e 3 、耵1 i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t ot h r e ek i n d so fc o n d i t i o na n de s t a b l i s h e sb pn e u r a l n e t w o r km o d e lf r o mp r o x i m a t ea n a l y s i sa n dc a l o r i f i cv a l u et oi g n i t i o ns t a b i l i t yi n d e x ， t h ep r e d i c t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h eh i g hp r e c i s i o no f p r e d i c t i o nc a l lb ea c h i e v e d b yu s i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h a tt h er e l a t i v i t yo fi n p u td a t aa n do u t p u td a t ac a n b ec o m p a r e db yu s i n gt h eb pn e u r a ln e t w o r kt o o t h ea r t i c l ea l s oa n a l y s e st h ef i v et h e r m a la n a l y s i sc u r v e so fb l e n d e dc o a l sm a d e u po fd i f f e r e n tc o a lg r a d e ，r e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i co fb l e n d e dc o a l si g n i t i o n ，a n d c h o o s e st e nb l e n d e dc o a l sv a l i d a t et h er e s u l to fe s t a b l i s h i n gb pn e u r a ln e t w o r k m o d e 】s k e yw o r d ：b l e n d e dc o a l s b pn e u r a ln e t w o r k i g n i t i o nt e m p e r a t u r e i g n i t i o ns t a b i l i t yi n d e x i i 学号量旦至堡鱼量堡! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人存导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：同砷 签字日期：z 护够年2 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： j 司砷 签字臼期：2 晒年2 月2 8 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 锄鹳：缈 签字日期：弘u 拜2 - 月7 p 日 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文 第一章中国煤炭资源状况和配煤研究的发展 1 1 中国煤炭资源丰富 第一节中国煤炭资源概述 化石能源是中国的主要能源，约占中国目前能源消费总量的9 3 。在化石 能资源中，按探明可开采储量比较，中国煤炭储量占世界第3 位，石油占第1 1 位，天然气占第2 l 位。中国煤炭、石油和天然气的可采储量见表1 1 。煤炭是 中国最丰富的化石能源，在化石燃料资源中占有绝对优势，按同等发热量计算， 是石油和天然气总和的1 2 倍。这就决定了我国以煤炭为主要能源的格局在短 期内不会改变。 表1 1 中国化石能源探明可采储量 探明地质储探明可采储占目前全国探明可采储量 能源资源量 量 的比例( 按同等发热量) 煤炭亿吨5 5 7 0 0 1 0 4 2 l2 0 4 09 2 7 石油亿吨1 0 2 l2 1 36 l 5 9 天然气万 4 7 6 2 ( 估算) 2 5 61 6 41 4 亿立方米 1 2 中国能源消费状况 从中国一次能源消费结构表1 2 来看，近几年随着能源结构调整，煤炭所 占比例逐步降低，油气所占比例快速升高。2 0 0 2 年中国一次能源消费结构与1 9 8 0 年相比，次能源消费结构中煤炭下降了6 1 个百分点，石油上升了2 7 个百分 点，天然气在能源消费结构中的比例略有下降，消费总量却有很大的上升。但总 体来看，煤炭所占比重仍然是最大的。专家预测2 0 2 0 年、2 0 5 0 年煤炭在一次能 源中的比重仍然在较高水平，分别为6 8 、5 0 左右。由此可见，在未来几十 年内煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资，具有不可替代性。煤炭工业 在国民经济中的基础地位，将是长期的和稳固的。 浙江大学硕士学位论文 表1 2 中国近几年一次能源消费结构 能源消费总量占能源消费总量的比例 年份 亿吨t c e 煤炭石油天然气 水电 1 9 8 06 ，0 37 2 22 0 73 14 o 1 9 8 5 76 77 5 817 12 24 9 1 9 9 0 9 8 77 6 21 6 ，62 15t 1 9 9 21 0 9 27 5 71 7 52 o4 8 1 9 9 41 2 2 77 5 01 7 41 95 7 1 9 9 61 3 8 9 7 4 7 1 8 o1 8 5 5 1 9 9 81 3 2 26 9 62 1 52 26 7 2 0 0 01 30 36 6 12 4 62 56 8 2 0 0 l1 3 ，4 96 5 12 4 62 56 8 2 0 0 21 4 86 6 12 3 42 77 7 1 3 中国煤炭生产和消费状况 中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在历经2 0 世纪9 0 年代后期煤 炭过剩后，通过管并压产、关闭小煤窑等一系列工作，在国民经济快速增长对能 源需求增长的强烈拉动下，近两年煤炭需求又出现了快速上升趋势，2 0 0 2 年全 国国内煤炭消费量达1 3 9 5 亿吨，2 0 0 3 年国内煤炭消费总量在】6 亿吨左右，中 国的煤炭消费量约占世界煤炭消费总量的1 4 。煤炭需求的增长带动了煤炭生 产的快速增长。2 0 0 2 年全国煤炭生产量为1 3 9 5 亿吨，2 0 0 3 年达到了1 6 亿吨以 上。 如此大量的煤炭消费主要集中在电力、建材，冶金和化工4 个主要耗煤行 业，2 0 0 2 年这4 个行业共消费煤炭1 0 7 8 亿吨，占全国煤炭消费总量的8 2 ， 其中发电及供热用煤7 2 亿吨，占总量的5 4 7 ；2 0 0 3 年4 个行业煤炭消费在 1 3 亿吨左右，其中电力用煤约为8 5 亿吨。2 0 0 3 年电力生产增幅创2 5 年来最高 水平，全国发电装机总容量达到3 8 6 亿千瓦，全国火电设备平均利用达到5 7 6 0 h ， 但仍不能满足电力消费增长的要求。在2 0 0 2 年全社会用电量增长超过1 0 的基 础上，2 0 0 3 年1 1 0 月全社会用电量达到1 5 3 万亿千瓦时，比2 0 0 2 年同期增 长1 5 3 3 ，有2 1 个地区先后出现拉闸限电情况。2 0 0 4 年全国用电量将达到2 0 9 万亿千瓦时，增长速度在“左右，2 0 0 5 年全国用电量将继续增长7 0 1 0 0 。从图1 1 可以看出，近五年中国发电量增长了一倍，而水电与核电的发电量 远远小于煤炭发电量。电力行业用煤连年成快速增长态势，是国内煤炭消费总量 增长= 的主要因素。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 中国电力增长与煤炭的关系 第二节电厂用煤存在的问题 众所周知，燃煤锅炉是根据特定煤种来进行设计的，各项保证值( 锅炉出 力、蒸汽参数，热效率等主要经济指标，炉膛运行可靠性，有害物排放生态指标 等) 只有燃用与设计煤种特性相符的煤种时，锅炉燃烧才能达到最佳效果。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。然而，电厂锅 炉在实际运行中燃煤特性往往超出了原设计煤种范围，这是我国供电煤耗高、锅 炉热效率低、环境污染严重的主要原因。 2 1 电厂燃烧非设计煤种的原因 1 ) 随着中国经济发展，工业特别是高耗能行业用能带动了全国用电的增长。全 国新建了大批以大容量发电机组为主的电厂，每天消耗大量的煤炭，单一矿 井的煤炭数量很难满足它们的要求。 2 ) 单一煤种的煤炭质量，如硫分、挥发分和灰熔融性等主要煤质指标难以达到 发电用煤粉锅炉设计的要求。就是同一矿区的煤质，不同矿井、不同煤层也 存在差别。 3 ) 为降低发电成本，电厂主动购买低价的商品煤，劣质煤比例增大。 4 ) 由于煤炭市场趋紧，目前电厂来煤渠道多、煤种复杂、质量不稳定，电厂不 得不有什么煤就购入什么煤，这样造成煤质的多样性。 浙江人学硕士学位论文 2 2 电厂燃烧非设计煤种出现的问题 2 2 1 对锅炉安全性和经济性的影响： 1 ) 锅炉出力下降。 2 ) 锅炉热损失增加，效率降低。 3 ) 燃烧不稳定，甚至熄火，燃尽程度差。 4 ) 锅炉炉膛结渣，腐蚀，积灰，影响锅炉运行的安全。 5 ) 增加大气污染：有资料显示，燃煤释放的s 0 ：占全国s 0 。排放总量的8 5 ， n o x 占6 0 ，烟尘占7 0 。燃煤排放的c 0 2 占耗能排放的c o ：总量的8 5 。 6 ) 燃料费用和发电成本增加。 2 2 2 对锅炉设备的影响 1 ) 烟气含灰量增加，也就增加了受热面的积灰、堵狄，造成烟气流通截面减少， 使得受热面的局部磨损增加。这对空气预热器的影响尤为严重。降低传热效 率，导致锅炉热损失增加。同时也增加了对吹灰装置的要求。 2 ) 有些电厂由于购买的煤发热量高于设计煤种，不仅使其得不到充分利用，有 时还会缩短锅炉寿命，有的甚至烧毁了燃煤设备，造成停产事故。 3 ) 锅炉不能满负荷运行，或者不能低负荷运行，起不到电网调峰作用。 4 ) 增加锅炉水冷壁的高温腐蚀。 j ) 可能造成省煤器、过热器或再热器超温爆管。 6 ) 磨煤机出力下降；给粉机长期处在最大处理状态下，故障增加。 7 ) 造成烟气飞灰含碳量增加，除尘器效率降低。 8 ) 燃烧室出渣困难。 第三节配煤技术的发展现状 实际供应的煤质与锅炉设计的煤质不相符，煤质过好，属“良材劣用”，既 浪费了资源又增加了用户的生产成本；煤质过差，锅炉难以正常运行。过去一直 采取以“改炉”去适应煤质，甚至新炉到位就改，国家每年花大量资金用以改炉。 但这种“削足适履”的措施既难以适应多变的煤质，又浪费了大量的资金，解决 这一问题的切实可行措施便是采用动力配煤技术。 浙江大学硕士学位论文 3 1 动力配煤技术 动力配煤技术是以煤化学、煤的燃烧动力学和煤质测试等学科和技术为基 础，将不同类别、不同质量的单种煤通过筛选、破碎，按不同比例混合和配入添 加剂等过程，提供可满足不同燃煤设备要求的煤炭产品的一种成本较低、易工业 化实施的技术。通过动力配煤，可充分发挥单种煤的煤质优点，克服单种煤的煤 质缺点，生产出与单煤动力用煤的化学组成、物理性质和燃烧特性完全不同的“新 煤种”，达到提高效率、节约煤炭和减少污染物排放的目的。 3 2 动力配煤技术的作用和意义 1 ) 在满足燃煤设备对煤质要求的前提下，采用动力配煤技术可最大限度利用低 值煤或充分利用当地现有煤炭资源，从而降低成本。 2 ) 保证燃煤特性与用煤设备设计参数相匹配，使炉况稳定，避免灰渣沾污或结 渣，达到锅炉额定出力和满负荷运行，降低飞灰、灰渣含碳量，提高燃烧效 率与锅炉热效率，节约煤炭。 3 ) 通过“均质化”来保证燃煤质量的稳定，易于燃煤充分燃烧，保证用煤设备 正常、高效运行。 4 ) 按不同地区对大气环境、水质的要求，将不同品质的煤相互配合，可以调节 煤中硫分及氮、氯、砷、氟等有害元素含量，减少s o 。、n 0 ，及有害元素的排 放，最大限度的满足环境保护要求，达到合理有效利用煤炭资源的目的。 3 3 动力配煤技术发展 3 3 1 国外配煤技术发展现状 国外的动力配煤技术主要用于燃煤电厂，通常是采用高、低硫分( 或灰分) 煤的混配燃烧，以减少s 0 2 的排放，降低锅炉的结渣、沾污和积灰，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( q n e t a r ) 和控制燃煤的灰 分。较早开展动力配煤研究的国家有美、德、日、英、加拿大、荷兰和西班牙等。 研究内容主要涉及到配煤混合系统和配煤混匀方法等，还对配煤的着火性能、结 渣性能对燃烧的影响以及采用配煤燃烧对降低n o 。和s o 。排放等做过研究。 在配煤方式方面，国外配煤一般采用仓混式、库混式、带混式或炉内直接混 合等形式，现已发展到依靠配煤理论，运用计算机指导煤厂和电厂的动力配煤。 计算机优化配煤，可以有效地控制入炉煤品质，保证锅炉的稳定运行，减轻结渣、 积灰、腐蚀和磨损。外国很多专家系统咨询软件都可以评价动力配煤对燃煤电厂 浙江大学硕士学位论文 运行的影响，估计所需费用，其中著名的应用软件包括c o m p l i a n c e a d v i s o r 和 c q i m 。 美国宾夕法尼亚电厂在使用了美国p r a x i c 公司的电厂优化配煤专家系统 ( c b a s ) 后，降低了发电成本，同时降低了s o 。和n o x 的排放，全年总计节约1 0 0 万美元；英国利用配煤技术，将灰分控制在1 7 以下，有效减轻了结渣；德国 通过褐煤和烟煤的配合，不仅消除了电厂燃烧褐煤，无法满负荷运行的状况，而 且燃烧更稳定，灰渣含碳量和出口烟气温度也下降了。这些都说明了，配煤技术 对提高锅炉经济性和安全性是非常有效的。 3 3 2 国内配煤技术发展现状 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“动力配煤优化配方及其深入研究”，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 排放量降低4 1 ，s o 。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。 国内对配煤特性进行深入研究的有浙江大学热能工程研究所、华中理工大学 煤燃烧国家重点实验室等，其中浙江大学热能工程研究所在对性能各异的数十种 无烟煤、褐煤及配煤的热解、着火、燃烧、结渣、固硫及助燃特性进行了广泛深 入的研究后提出如下观点： 1 ) 配煤特性与各组成单煤之间并非只是简单的加权关系，而且是具有复杂的非 线性特征。应用神经网络理论、模糊数学等手段可以较好的描述这种非线性 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 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的进一步发展方向。 3 4 动力配煤的深入研究 动力配煤可以节约能源、提高效率、减少燃煤污染，在电j 一实现动力配煤将 浙江大学硕士学位论文 是大势所趋，但动力配煤的发展还处在初始阶段，还需要对与动力配煤相关的基 础理论和应用技术进行更广泛、更深入的研究。 由于目前对煤混合燃烧的机理知之甚少，对配煤的煤质特性与组成单煤煤质 特性之间的关系知道的也不多，对配煤后的特性更缺乏足够的了解，当然每个组 成成分的燃烧性能差异较大时，会造成着火困难、燃烧不稳定、不完全燃烧使损 失急剧增加、锅炉效率大幅度下降，以及污染物排放量增加等。因此，需要我们 对配煤后的燃烧特性，即着火特性、燃尽特性、结渣特性和污染物生成排放特性 作细致的研究，才能全面的掌握配煤的特性，合理的提出适合锅炉燃烧的最佳配 煤。本文主要对配煤的着火特性进行了研究。 第四节煤粉燃烧特性研究的意义 在火力发电厂中，锅炉是三大主要设备之一，锅炉运行的安全性，直接关 系到电厂运行的安全。在发电厂事故中，大约有6 0 7 0 的事故是由锅炉引 起的，所以必须重视锅炉运行的安全性。 燃料特性是锅炉设计、运行的基础。对于不同的燃料，要相应采用不同的 燃烧设备和运行方式。对于锅炉设计及运行人员，必须了解锅炉燃料的性能、特 点，才能保证锅炉运行的安全性和经济性。动力燃料是指除了其燃烧放热可供利 用外，在其他方面没有更大经济价值的燃料，这主要是指劣质燃料。锅炉主要燃 用劣质燃料，所以我国的燃料政策规定电站锅炉以燃煤为主，并且应主要燃用劣 质煤。劣质煤的特点是：水分高( 可达1 0 1 5 ，褐煤甚至可高达3 0 4 0 ) ：灰分高( 可达4 0 5 0 ) ；热值低( 只有1 0 5 0 0 1 2 5 0 0 k j k g ) ；着火点 高和硫分高等。正如前面所述，劣质煤的这些特点直接影响到了锅炉的安全性， 并且我国煤种分布很不均匀，近几年煤炭供应又紧张，电厂燃用非设计煤种的现 象不可避免。在这种情况下，对煤粉燃烧特性的研究和准确把握就显得尤为迫切 和重要。 动力煤的燃烧特性是指煤的着火特性、挥发分释放特性、燃尽特性、热解 特性、表面积和孔隙特性、积灰结渣特性、磨损特性和污染物的排放特性等。对 于锅炉安全经济运行，最主要的是煤的着火稳定性、燃尽性和结渣特性。传统做 法为依据挥发分产率来评价煤的燃烧特性，即挥发分产率越高，其着火和燃尽性 能越好，这在一定程度上可以，但有些情况下往往与实际运行差异较大，特别是 挥发分产率相近的劣质贫煤，用传统方法有时会得到相反的结果。因为燃烧特性 除受化学因素影响外，由于相同化学成分的煤可能有不同的物理结构，所以还有 物理因素的影响。因此通过对燃烧特性的研究才能更好的判断它在锅炉中燃烧时 的安全性及经济性，并及时调整运行，使得锅炉效率最佳。 浙江大学硕士学位论文 第五节本文主要目的和内容 研究表明，配煤特性与各组成单煤之间并非只是简单的加权关系，而且是 具有复杂的非线性特征。很多研究者虽然对煤质和着火特性之间的关系进行了分 析研究，并提出了一些经验计算公式，但是由于煤种繁多，煤的结构复杂，这些 经验计算公式推广应用就受到了很大限制。在配煤的着火和燃烧稳定性方面要得 到准确和通用的规则是很难的，因为配煤虽然只是简单的物理混合，但是燃烧性 质并不是单煤燃烧性能的简单叠加。b p 神经网络为解决单煤和配煤煤质之间、 煤质和着火特性之间复杂的非线性问题提供了很好的方法。因此本文应用b p 神 经网络对煤质、着火温度及着火稳定性之间的关系建立起b 尸神经网络模型并用 其预测配煤的着火温度及着火稳定性。 目前研究煤燃烧特性的实验方法有很多，热分析法是国内外研究煤燃烧特 性最常用的方法之一，它具有试验时间短、试验方便、精度高、重合性好、结构 坚固、抗环境温度变化能力强等优点。本文试验采用的是n e t z s c hs t a4 4 9 c 型 热重分析仪，选取了在浙江省电厂经常使用的单煤、混煤，并根据需要进行了一 定的配比来进行研究。主要内容如下： 1 在规定工况下，通过热天平试验研究煤的着火特性。 2 利用b p 神经网络建立煤质、着火温度及着火稳定性指标的学习模型。 3 在己知两种单煤煤质的情况下，通过上述的煤质学习模型，先预测出配 煤煤质，然后再通过着火温度及着火稳定性指标的学习模型，预测出配 煤的着火温度及着火稳定性指标。经验证预测结果精度很高，说明可以 通过这种方法实现对配煤着火特性的准确预测。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 俞珠峰主编洁净煤技术发展及应用化学f 业出版社2 0 0 4 5 e 2 杨松君，陈怀珍主编动力煤利用技术中国标准出版社1 9 9 9 儿 3 刘天新，张敬运，张白邵主编中国物资出版社1 9 9 2 4 4 俞珠峰主编洁净煤技术发展及麻用化学t 业出版社2 0 0 45 5 王湘江“多煤种混煤燃烧问题的研究”华中科技大学硕十论文2 0 0 2 4 6 3 王爱华，蔡九菊等洁净煤技术进展与展望节能2 0 0 4 5 ( 2 6 2 ) 7 朱书全，戚家伟等我国洁净煤技术发展现状及其发展意义选煤技术2 0 0 3 1 2 8 李琼，刘毓宏洁净煤技术对提高我过煤炭合理利用的重要性广东化工2 0 0 3 3 9 陈鹏动力煤配煤技术基础煤炭学报1 9 9 7 1 0 1 0 谈仪，张萍动力配煤在燃煤电厂的应用前景上海电力学院学报2 0 0 1 3 ( 1 7 ) 1 1 卞志华煤质变差对锅炉设备及燃烧的影响华东电力1 9 9 6 1 0 1 2 钟辉，张军等配煤是稳定发电煤质的方法之一锅炉技术2 0 0 1 1 2 1 3 陈鹏编著中国煤炭性质、分类和利用化学工业出版社2 0 0 1 1 0 1 4 阮伟“优化配煤专家系统的研究以及电厂优化配煤数学模型的建立”浙江大学博 士学位论文 1 5 s o n i ah e l l e ，a l f r e d og o r d o n ，g u i l l e r m oa l f a r o ，x i m e n ag a r c i a , c l a u d i au l l o a c o a l b l e n dc o m b u s t i o n ：l i n kb e t w e e nu n b u m tc a r b o ni nf l ya s h e sa n dm a c e r a lc o m p o s i t i o n ”f u e l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y8 0 ( 2 0 0 3 ) 2 0 9 - 2 2 3 1 6 3h a b o u - c h a k r a ，u t n z f i n “m i c r o s t r u c t u r a lb l e n d i n go fc o a lt oe n h a n c ef l o w a b i l i t y ” p o w d e r t e c h n o l o g y1 1 1 ( 2 0 0 0 ) 2 0 0 - 2 0 9 9 浙江大学硕十学位论文 第二章用热天平研究煤的着火和燃烧稳定性 1 1 煤的燃烧过程 第一节煤的着火 煤是一种很复杂的固体碳氢燃料，除了含有水和矿物质外，其可燃成分主 要是碳和氢，并和所含的少量氧、氮、硫一起构成有机聚合物。在煤的加热过程 中，煤粒表面和缝隙罩的水分逐渐蒸发。接着随着温度的升高，煤中最易断裂的 链状或环状碳氢化合物释放出来，即有挥发分释放出来，挥发分的释放速度和煤 的特性、加热终温、加热速度有密切的关系。释放出来的挥发分和氧气相遇，达 到着火条件时就开始燃烧。形成光亮的空间气相火焰。当温度继续升高并使煤中 较难分解的碳氢化合物也析出、挥发以后，剩下的就是由很多微小晶粒组成的类 似于石墨结构的焦炭。挥发分燃烧将燃烧放热传递给焦炭，对焦炭进行预热。焦 炭的着火和燃尽是很困难的，常常在烧掉部分或大部分挥发分以后，才开始剧烈 的氧化反应，即炽热的焦炭与空气中的氧发生气固两相燃烧。 煤的这些燃烧阶段可能是顺序发生的，也可能各阶段相互交叉或者同步进 行，如挥发分析出过程可能在水分没有完全蒸发尽就开始，煤焦也可能在挥发分 没有完全析出前就开始着火燃烧。煤中可燃物的主体是固定碳，是释放热量的主 要来源，燃尽时间最长。煤焦的燃烧是煤燃烧过程中起决定作用的阶段，一般来 说煤从干燥、到挥发分析出及其大部分燃烧完，约占煤总燃烧时间的1 0 ，而 煤焦的燃烧占9 0 。 煤燃烧反应中的气体的燃烧过程，首先是氧气通过气流边界层在灰层中扩 散和在煤粒内部微孔中扩散，之后在煤表面发生化学吸附与氧化反应，解吸后的 反应产物通过内部微孔扩散到达煤的外表面，再继续扩散通过灰层，进而通过气 流边界层进入主气流进行扩散。 整个燃烧过程由化学反应时间和扩散时间构成。化学反应时间主要取决于 煤的本性( 成煤物质和变质程度) 和温度，扩散时间则主要取决于气流速度和灰 层厚度。煤的燃烧有两种典型的反应状态：在化学反应速率控制状态时，整个燃 烧反应速率受煤表面的氧化反应速度控制，反应时间主要幽化学反应时间决定i 在扩散速率控制状态时，整个燃烧反应速率取决于氧气扩散到煤粒反应表面上的 速率，而与温度无关。煤的燃烧状态也可能介于上述两者之问，提高温度和增强 气流速度都可以增加煤的燃烧反应速率。 浙江大学硕士学位论文 1 2 煤的着火机理 煤的热解在煤着火之前发生，热解过程中煤表面结构的变化直接影响着煤的 燃烧状况。一般来说，热解过程中随着挥发分的析出，煤中孔系不断发达，尤其 是形成了大量的微孔结构。微孔形成的同时，使内表面和粗糙度都有所增加，其 分形维数也因此而增大，这就为以后煤焦的着火提供了条件。 一般来说着火被描述为燃料与氧化剂达到一个连续反应的过程。经常用可见 火焰来鉴别着火。然而有时反应也能在低温下很慢地进行，没有可见火焰。有时 着火被定义为：当一个可燃物容积中热产生的速率超过热损失速率时，则着火便 发生。1 1 煤的着火模式分为均相着火、多相着火和均相一多相着火模式三种类型。 f a r a d a y 和l y e d 最早提出均相着火的思想，后由a n n a m a l a i 和d u r b e t a k i 通过火 焰层近似提出了完整的均相着火模型。所谓均相着火是指煤粒升温时，析出挥发 分，挥发分在空间达到一定的浓度和温度时，发生着火并燃尽。由于整个反应都 在气相中进行，因此称为均相着火。此模型被认为是煤的唯一的着火机理而长期 广泛地采用。 多相着火思想是由w h e e l e r 在1 9 1 2 年提出的，多相着火模型是由h o w a r d 和 e s s e n h i g h 提出的：煤的着火不一定是由挥发分先着火燃烧，然后引燃整个颗粒， 有时是在煤表面上直接着火，整个颗粒包括挥发分和焦炭同时以固相形式反应。 大量实验表明，在快速加热，小颗粒等情况下，倾向于多相着火。与均相反应相 比，多相反应具有两个重要的特征，即反应物分子的扩散和反应界面条件。煤颗 粒具有发达的孔隙结构，它一方面为气体反映物氧分子的扩散提供了路经，另一 方面孔隙结构所具有的巨大比表面积也使气固两相反应所需的界面条件得以满 足。 j u n d g e n 通过实验指出，在有的情况下，均相着火和多相着火同时存在，由 挥发分直接引燃碳的着火方式称为均相一多相联合着火方式。在一特定条件下， 究竟出现何种着火方式，则取决于颗粒表面的加热和挥发分释放速率的相对大 小。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。反之，着火若发生在颗粒周围的气体边界层中，称之为均相着火。 现在一般认为在煤粉锅炉中的燃料粒度、温度、氧浓度条件下，最常见的是 联合着火方式，即挥发分火焰直接引燃碳粒，整个碳粒几乎同时着火。 浙江大学硕十学位论文 第二节热重分析仪工作原理及研究成果 煤的燃烧特性对于煤粉锅炉的设计和安全经济运行极为重要，特别是煤粉的 着火和燃烧稳定性，这是影响锅炉安全运行的主要因素之一。近年来，国内外对 煤粉燃烧特性的试验研究主要采用特种分析方法，如热天平、热显微镜、着火指 数炉、沉降炉等。本文采用的是热天平分析方法，操作简单，试验结果重现性好。 热分析曲线综合了煤的反应性能，灰分、灰与可燃物结合特性，内部孔隙率及燃 烧过程中煤粒膨胀与孔隙度变化的影响，较完善地表达了煤的着火、燃烧及燃烬 特性，它对判断煤的燃烧特性有较确切的表达力及较高的分辨力。这些对研究煤 的燃烧特性是非常重要的，对于指导锅炉选型、设计及运行调整等都具有直接的 指导意义。 2 1 热重分析仪工作原理 真正将物理变化与热联系起来，还是在1 7 8 0 年英国h i g g i n s 在实验室加热 石灰过程中第一次用天平测量其重量变化开始，到1 7 8 6 年英国w e d g n o o d 在研 究粘土时测量得了一条热重曲线，1 8 8 7 年l e c h a t e l i e r 提出差热分析，至今热分 析技术己广泛应用于物理、化学、石油、化工、建材、橡胶、塑料、生化、高分 子合成、食品、地球化学等领域，形成了一门独立的科学。 热分析是用以描述物质相变的最重要的手段之一。热分析技术足研究物质 在加热或冷却过程中产生某些物理变化和化学变化的技术。根据国际热分析和量 热协会( i c t a c ) 命名委员会对“热分析”的定义为：“在程控温度下，测量物 质与温度关系的一类技术”。热分析技术的方法较多，比如：差热分析( d t a ) 是在程控温度下，测量物质和参比物之间的温度差与温度关系的技术；差示扫描 量热法( d s c ) 是在程控温度下，测量输入到物质和参比物之间的功率差与温度 关系的技术；热重分析( t g a ) 是在程控温度下，测量物质的质量与温度关系的 技术。其它尚有热膨胀法、热电学法、热光学法、热发生法、热磁法、导数热重 量分析、热机械分析( t m a ) 、质谱差示分析等等。热分析技术中应用最多的是 热重分析。 热天平是连续记录质量与温度的函数关系的仪器。一般以程序控制温度的 方式来加热或冷却样品，或使样品保持在某个恒定的温度，或进行某种程序的循 环。主要由记录天平、炉子、程序控制温度系统、记录仪和支撑器等组成。其中 最重要的组成部分是记录天平。样品的重量变化用扭转式微电天平来测量。当试 样因分解作用或化学反应发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中心的纽带同时 拉紧，光电检测元件的偏转输出变大，导致吸引线圈中电流的改变，在天平一端 浙江大学硕士学位论文 悬挂着一根位于吸引线圈中的磁棒，能通过自动调节线圈电流使天平梁保持平衡 状态，吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正比，由计算机自动采集数据 得到t g 和d t g 曲线。从这些曲线上可阻得到反应煤的特性指标，如着火温度、 活化能等，这些指标可以定量地描述煤的着火和燃烧相对难易程度。 2 2 用热重分析研究煤的着火特性的成果 国内利用热重法研究煤的燃烧特性始于7 0 年代末。1 9 7 9 年清华大学林灏教 授首先将热重分析方法用于煤的燃烧特性研究。通过热分析可以得到热重分析曲 线( t g a ) 、微商热重曲线( d t g ) 、差热分析曲线( d t a ) 。不同的煤种具有不 同曲线形状，也具有不同的特征值，因此就表示了不同的着火和燃烧性能。很多 学者通过曲线得到的特征值，如着火温度、燃尽温度、燃尽时间、最大失重温度、 最大失重率等，对其进行加工处理，得到评价煤种燃烧特性的各种指数，使得电 厂在燃煤之前就了解煤粉燃烧特性，可以很好的指导电厂用煤。但是这些通过不 同研究装置和不同研究方式得到的研究成果通常是有所差异的。主要研究成果如 下： l 、哈尔滨工业大学聂其红等提出挥发份释放特性指数d 1 9 j ，用来衡量挥发 份析出特性的好坏。其定义式为： n ( d w l d t ) 。 d = 土里竖。 ( 瓦。i 7 i ，：) 其中： i 为挥发份初析温度 7 j 。定义对应于( 咖州( 咖叫。2j 1 时的温度区间( 半峰宽) 从上式可以看出，( d w d t ) 。越大，挥发份析出越强烈，i 越小，挥发份析出温 度越低，半峰宽越小，挥发份释放高峰出现得越早、越集中，煤样的挥发析出特 性越好热解反应越易进行，而且对着火越有利，反之则不利于着火。 2 、西安热工所和哈成套所对9 0 个煤种进行了研究，提出采用可燃性指数c 来判别煤样的可燃性，定义可燃性判别指数： c = r i 。1 0 6 t , 2 并将c 与工业分析数据之间进行了拟和，拟和出c 与干燥无灰基挥发份之间 的关系： 浙江大学硕士学位论文 c = o 0 4 5 屹r + o 5 2 其中i 为开氏温标着火温度，r i 一为易燃峰最大反应速度 评价标准为： c 0 9 1 0 极难稳定区 c ( o - 9 1 4 ) 1 0 难稳定区 c ( 1 4 1 7 5 ) 1 0 中等稳定区 c ( 1 7 5 2 3 ) 1 0 “ 易稳定区 c 2 3 1 0 一 褐煤区。 同时他们也采用另外一方法来进行可燃性判断 c = 竺墼尔s o o 丁2 。 毕缫加5 0 0 ， z + 篙r 。 其中( d 协州s 。为最高燃烧速度左右8 0 区间的平均燃烧速度，该取法是考虑到 最大燃烧速度有时对燃烧表达的不全面，不同煤样的峰值锐钝不一。 3 、很多文献采用着火燃尽综合特性指数s 来衡量煤样的燃烧特性。定义综 合特性指数s 为： s ：! 坐! 竺! ：。! 坐! 竺蔓。 y ，i 在燃烧反应初期，可以认为化学反应在动力控制区，并可以近似的用a r r h e n i u s 定律表达燃烧速率： ( 射轨砷( 一寺) a 为指前因子，对上式求导并整理得： 一r而d瞄dw一(坐丁f1e d td t d r ii丁2 存着火点女h ： 浙江大学硕士学位论文 罢嘉i 警l = 孥l 专或者 rdl d 硝 i 万i l ! 坐! 竺上( 坐! 竺丘。：! 坐! 竺丘。( 坐! 竺蔓。 ( 西r 血) ；：， 瓦z 2 瓦 七式中( d w 7 州。表示平均燃烧速度，瓦为燃尽温度，式中等号左侧可以如下 r旦l 塑 进行解释，i 为反应活化能，表示煤的活性，e 值越小，反应能力越高，d 7 1i 讲i t ( 咖西) ：。 为燃烧速度在着火点处的变化率，值越大说明着火越强烈，( 砒，7 叫；：为燃烧 ( 咖础) ：。 速度峰值与着火时燃烧速度之比， 瓦 为平均燃烧速度与燃烬温度之比， 其值越大说明燃尽越快一e 述几项的乘积综合反应了煤粉的燃烧特性。 4 、相大光研究了煤的燃烧曲线，从动力学角度对煤的可燃性进行了分析， 燃烧反应初期，化学反应处于动力控制区【9 1 ，由燃烧动力学方程： 里e 旦d t l 坐l 。= 坐d t r ：，毒唧= ( 警 c f la e x p ( 一寺一一卜l 刮一：，f 唧