基于灰色理论对煤燃烧特性的分析研究

刘伟伟， 付丽君， 孙　宇

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.黑龙江省电力科学研究院，黑龙江哈尔滨150030）

基于灰色理论对煤燃烧特性的分析研究

刘伟伟1， 付丽君2， 孙宇1

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.黑龙江省电力科学研究院，黑龙江哈尔滨150030）

本文对我国东北地区常用的六种代表性原煤和四种不同配比的混煤进行了物理化学特性研究。通过实验研究了十种煤的特性，包括水分、灰分、挥发分、碳、氢、氮、硫、哈氏可磨系数、煤灰真相对密度、煤灰成分等，并对所选十种煤种采用灰色关联及层次分析法从工业分析、元素分析、发热量、煤的物理特性、煤灰化学成分及其高温特性五个方面对煤进行综合评价，为电厂根据运行条件选择合适经济的煤种提供了依据。

煤的特性； 燃烧； 灰色关联分析； 综合评价

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.003

0　引言

目前，中国无论在能源资源赋存以及能源工业生产布局上，还是在煤炭市场供需的分析以及煤炭资源与国内生产总值的关系上，都显现出煤炭资源对中国经济发展的重要性。与此相适应的产生了可持续发展理论、循环经济理论，特别是近几年来低碳经济概念的发展，引领煤炭资源朝着绿色、清洁、高效的可持续方向发展［1］。但是我国是世界上唯一以煤为主要能源的大国，这样的能源构成在今后相当长的一段时期内不会发生根本性改变［2］。煤炭在我国最主要的利用方式就是燃烧，特别是火力发电厂的燃烧。

我国大部分电厂都是以烟煤为设计煤种。近年来，由于原煤供不应求，特别是烟煤，这就造成电厂很难继续使用设计煤种，改烧混煤或者掺烧褐煤及煤泥。在今后，混煤或掺烧的使用将更为广泛，因此研究不同配比混煤的理化特性在燃烧中的作用具有重要意义。

本文运用灰色层次分析理论首次对常用煤种及混合煤种的特性进行多层次、多指标综合评判，为火力发电厂根据不同条件和要求选择经济合适的煤种提供决策依据。灰色系统理论综合评价原理简单，评价结果客观可靠，在建模、控制、预测和决策等方面均具有明显的优势，灰色关联分析作为灰色理论的一个重要组成部分，已广泛用于许多科学领域［3］。

1　试验方法

根据电力行业标准并结合目前大多数电厂对设计煤种的要求，对六种代表性煤以及四种不同配比的混煤进行工业分析、元素分析、发热量、煤的物理特性以及煤灰化学成分分析和高温特性等进行检测分析。这十种煤分别是S1、S2、S3、S4、S5、S6，烟煤褐煤1∶1（S7），俄煤褐煤1∶2（S8），俄煤褐煤1∶1（S9），俄煤褐煤2∶1（S10）。

2　试验结果与分析

2.1煤的工业分析

煤的工业分析包括水分、灰分、挥发分、固定碳。煤中的水分和灰分都是煤中有害杂质，煤中水分和灰分越多，可燃物成分相对越少，发热量越低［4］。煤中的挥发分对煤的着火和燃烧有着重要影响。十种煤的工业分析测试结果见表1。

表1　十种煤的工业分析测试结果　%

由表1可知，S3、S5、S6的水分较小，S2、S4、S8的水分较大，表明其会受蒸发影响吸收部分热量，而且易使烟气量增大，从而增加了排烟热损失和引风机热耗电量；S2、S4、S8的灰分较小，S3、S5、S6、S9的灰分较大，表明S3、S5、S6、S9不仅严重污染和破坏环境，也给锅炉设备造成重大磨损，缩短了设备的使用寿命；S6、S7、S8、S10的固定碳较大，表明其可燃物成分较大。

2.2煤的元素分析

煤的元素分析包括碳、氢、氮、硫、氧五种元素，其中碳和氢是产生热量的主要来源，其含量决定了发热量的高低［4］。十种煤的元素分析测试结果见表2。

表2　十种煤的元素分析测试结果　%

由表2可知，S2、S4、S5的含碳量和含氢量较小，S1、S6、S8、S10的含碳量较大，S1、S9、S10的含氢量较大，表明S2、S4、S5燃烧产生的热量相对较小，S1、S10燃烧热量相对较大；氮在锅炉燃烧时产生氮氧化物，随着烟气排除，增加环境污染，而S4、S5、S7含氮量相对较低，利于环境保护；S5和S7含氧量较低，煤中含氧量的增大会造成碳和氢的相对组成成分减少，因此可以看出S5和S7由于含氧量较低，增大了煤中碳和氢的相对组成成分，利于燃烧；S4和S5的含硫量较小，S3的含硫量较大，硫不仅随烟气排除产生二氧化硫，形成酸雨，破坏环境，而且煤中的黄铁矿硫增高，造成灰熔融性降低，促使锅炉结渣，因此含硫量较低的S4和S5，有利于环境保护和延长锅炉使用周期。

2.3煤的发热量

发热量是煤炭作为燃料利用的一个重要特性指标，它对于电力安全生产和经济运行具有重要的意义［4］。发热量不仅作为计价、核算发电成本和计算能源利用效率的依据，更是计算炉膛热负荷及计算物料平衡的重要参数。十种煤的发热量测试结果见表3。

表3　十种煤的发热量测试结果　MJ/kg

由表3可知，S2、S4的发热量较小，S1、S6的发热量较大，因此若从煤的变质程度和经济效益考虑，S1和S6这两种煤相对较好，有利于降低发电企业的煤耗量。

2.4煤及煤灰的物理特性

煤及煤灰的物理特性主要包括煤的哈氏可磨指数、冲刷磨损指数、堆积密度以及煤灰真相对密度、安息角。十种煤的物理特性测试结果见表4。

表4　十种煤的物理特性测试结果

由表4可知，S1、S4、S6的哈氏可磨指数较小，S2的哈氏可磨指数较大，表明S2最易破碎，S1、S4、S6相对不易破碎；煤灰的安息角大小与煤灰的粒径、筛分组成和水分有关，由表可知，S3、S9的安息角较小，S4、S7的安息角较大。

煤的冲刷磨损指数是煤在被金属磨件破碎时，煤对金属磨损件表面的磨损程度。由表4可知，S2、S4的冲刷磨损指数较小，S5、S6的冲刷磨损指数较大，表明S5、S6对金属磨件磨损性较强，S2、S4对金属磨件磨损性不强；从表中可知，S2、S4的堆积密度较小，S1、S5的堆积密度较大，表明S1、S5的变质程度较深。

2.5煤灰化学成分分析及其高温特性

煤灰成分分析与电力生产关系密切，同时给煤灰的综合利用提供参考依据。煤灰成分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、Na2O、K2O、P2O5等，其中SiO2、Al2O3、TiO2属于酸性氧化物，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O属于碱性氧化物。十种煤的煤灰成分分析见表5，十种煤的灰成分中的碱性氧化物和酸性氧化物的比值如图1所示。通过灰成分分析可计算出灰成分中的碱性氧化物和酸性氧化物的比值，比值越大说明锅炉结渣越严重。由图1可知，S6的碱性氧化物和酸性氧化物的比值较小，S8的碱性氧化物和酸性氧化物的比值较大，试验结果表明S8易导致锅炉严重结渣，冲灰管道结垢和腐蚀，而S6对锅炉设备的侵蚀程度相对较小。煤灰熔融性是动力用煤的重要特性之一，可分为变形、软化、半球和流动四个特征温度，但其中软化温度是其判断结渣的重要指标。十种煤的煤灰熔融性软化温度见表6。

表5　十种煤的煤灰成分分析测试结果　%

图1　灰成分中的碱性氧化物和酸性氧化物的比值

表6　十种煤的煤灰熔融性软化温度试验结果　℃

由表6可知，S2、S4、S7、S8、S9的软化温度小于1350℃，易造成炉膛结渣，且软化温度越小越易造成结渣，试验结果表明S2最易造成炉膛结渣。

3　综合评判煤的特性

3.1综合评判评价指标

本文根据东北火力发电厂燃煤的具体情况，从煤的工业分析、元素分析、发热量、煤及煤灰的物理特性、煤灰的化学成分分析及其高温特性五项指标来分析评价十种具体代表性的原煤，这五项指标还受十七种素影响。五项指标分别为工业分析（B1）、元素分析（B2）、发热量（B3）、煤及煤灰的物理特性（B4）、煤灰的化学成分分析及其高温特性（B5）；十七种素分别为水分（C1）、灰分（C2）、挥发分（C3）、固定碳（C4）、碳（C5）、氢（C6）、氮（C7）、氧（C8）、硫（C9）、低位热值（C10）、哈氏可磨指数（C11）、安息角（C12）、冲刷磨损指数（C13）、堆积密度（C14）、煤灰真相对密度（C15）、煤灰高温特性（C16）、煤灰成分分析（C17）。

3.2评价指标的量化

在评价指标中，需要对评价指标进行量化。根据无量纲处理后的数据计算出各关联系数组成的系数矩阵F：

F=■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■0.45　0.35　0.88　0.35　1　0.71　0.39　0.36　0.45　0.40 0.43　1　0.41　0.60　0.40　0.40　0.40　0.48　0.40　0.42 0.75　0.67　0.69　0.63　1　0.85　0.68　0.88　0.88　0.94 0.76　0.60　0.81　0.65　0.72　0.96　0.91　1　0.83　0.89 0.98　0.59　0.81　0.65　0.78　0.98　0.89　1　0.91　1 1　0.48　0.67　0.53　0.60　0.68　0.67　0.67　0.76　0.86 0.68　0.77　0.82　0.86　1　0.81　0.94　0.66　0.82　0.68 0.53　0.67　0.89　0.56　0.51　0.72　1　0.48　0.68　0.60 0.45　0.48　0.37　0.60　1　0.44　0.49　0.48　0.49　0.43 1　0.55　0.89　0.65　0.86　0.93　0.76　0.81　0.75　0.86 0.89　0.51　0.62　0.85　0.65　1　0.68　0.59　0.64　0.72 0.81　0.85　0.76　0.90　0.65　0.83　0.90　1　0.78　0.82 0.45　1　0.45　1　0.44　0.42　0.51　0.62　0.50　0.46 0.96　0.67　0.91　0.68　1　0.94　0.78　0.70　0.81　0.88 0.91　0.83　0.88　0.82　0.86　0.98　0.81　1　0.88　0.85 1　0.75　0.88　0.77　1　1　0.85　0.82　0.86　0.89 0.63　0.45　0.53　0.49　0.67　1　0.59　0.42　0.56　0.56■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■

3.3确定评价指标的权重

各评价指数对评价对象的影响不同，为了反应实际情况，采用层次分析法确定各评价指标权重系数。层次分析法是把17个评价因素进行两两比较，确定各个因素的对比值。由各因素的相互比较值构成判断矩阵。

对判断矩阵进行技术计算，求出最大特征值为17.2028，并计算出其对应的特征向量，最后对判断矩阵运用一致性指标进行检验。当判断矩阵具有满意一致性时，判断矩阵最大特征值对应的特征向量就是指标权重系数向量R。

经计算，第一层次的权重系数为：RA= （0.206，0.319，0.236，0.149，0.090）；第二层次的权重系数分别为：RB1=（0.28，0.28，0.28，0.16），RB2=（0.18，0.18，0.10，0.10，0.44），RB3=1，RB4=（0.39，0.13，0.22，0.13，0.13），RB5=（0.36，0.64）。

3.4灰色多层次综合评判的计算

由关联系数矩阵F，得到原煤工业分析、元素分析、发热量、煤及煤灰的物理特性、煤灰的化学成分分析及其高温特性5个方面的关联系数矩阵分别为F1、F2、F3、F4、F5。

利用5个关联系数矩阵和权重系数，计算出第二层的5个子项目综合评价结果为：

D1=RB1·F1=（0.58，0.66，0.68，0.55，0.79，0.70，0.56，0.64，0.62，0.64）

D2=RB2·F2=（0.68，0.55，0.60，0.62，0.84，0.65，0.69，0.63，0.67，0.65）

D3=RB3·F3=（1.00，0.55，0.89，0.65，0.86，0.93，0.76，0.81，0.75，0.86）

D4=RB4·F4=（0.79，0.72，0.67，0.86，0.68，0.84，0.70，0.72，0.68，0.71）

D5=RB5·F5=（0.76，0.56，0.66，0.59，0.85，1.00，0.68，0.56，0.67，0.68）

利用D1、D2、D3构造第一层次的评价矩阵为：

最后，经计算得出总评结果为：

D=RA·E=（0.759，0.597，0.701，0.646，0.811，0.786，0.680，0.682，0.680，0.709）。

4　结语

由上述计算结果，根据最大关联度原则对十种煤进行评价可知：仅从工业分析或元素分析评价结果来看，S5是最优的；仅考虑发热量，则选择S1，其低位发热量较高；从电厂设计除尘器参考数据评价，可考虑煤和煤灰的物理特性或煤灰成分和煤灰高温特性，S6是最佳选择的。

可见从不同方面评价煤的优劣会得到不同结果，故在评价原煤时需要全面衡量、综合考虑各方面因素。最后由总评价结果看出最符合电厂安全运行，且最具经济效益的煤应优选S5，这与试验结果和实际应用相吻合。

［1］煤炭科学研究总院北京煤化学研究所.煤质分析应用技术指南［M］.北京：中国标准出版社，1992.

［2］朱启林，甘泓，甘治国，等.我国水资源多目标决策应用研究简述［J］.水电能科学，2010，9（3）：20～23.

［3］肖新平，宋中民，李峰.灰技术基础及应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［4］方天沐，杜惠敏，李天荣.燃料分析技术问答［M］.北京：中国电力出版社，2005.

Study on Characteristics of Coal in the Combustion Test Based on Grey Theory

LUI Wei-wei1， FU Li-jun2， SUN Yu1
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.Heilongjiang Electric Power Research Institute，haerbin 150030，China）

Making a systemic study to physical and chemical properties with six kinds of representative coal and four kinds of blended coal，which is common used in northeast of china，proposes the characteristics of ten kinds of coal，which includes moisture，ash，volatile matter，carbon，hydrogen，nitrogen，sulfur，HIG，true relative density of ash，composition of ash，etc.And selected ten representative kinds of coals，according to a grey synthetic decision-making system with use of an analytic hierarchy process is introduced to evaluate the performance of coals form five main aspects，which were industry analysis，elemental analysis，calorific value，physical properties of coal，chemical composition and temperature of coal ash. The result shows that it can provide to choose a suitable and economical coal type according for operating conditions of power plant.

characteristics of coal； combustion； grey relational analysis； comprehensive evaluation

TK227.1

B

2095-3429（2015）02-0010-04

刘伟伟（1986-），男，江苏南通人，硕士，工程师，主要从事电力化学检测工作。

2015-01-06

2015-04-10