摘 要：生物质工业固硫型煤可以改变原煤的性质，实现燃料的洁净燃烧。对生物质工业固硫型煤的煤质特性、燃烧特性、固硫特性进行了数值分析，并建立了优化配料数学模型，通过该模型可实现优化配料计算。
关键词：生物质固硫型煤；优化配料；煤质特性；燃烧特性；固硫特性
Optimizing mixing numerical analysison industry bio-briquette
of sulfur retention
JIN Huixin, WU Fuzhong, LI Shuie
(Material Science and Metallurgy Engineering College, Guizhou
University of Technology, Guiyang 550003, China)
Abstract:Briquette property is changed by adding biomass and sulfur retention additive, and clean combustion is realized. This paper analyzed biobriquette property, combustion character and sulfur retention through by the method of mumerical value. Optimizing mixing model on industry sulfur retention biobriquette is build andoptimizing mixing results can be obtained.
Keywords:industry biobriquette of sulfur retention; optimizing mixing; biobriquetteproperty; combustion character; sulfur retention character
0 引言
生物质的燃烧通常不会影响自然界碳的自然循环，即使不燃烧利用和不烧荒，生物质也会在自然消化过程中放出CO2，而由植物周期性的生长和衰亡维持自然界的平衡。基于这种认识，生物质能的开发利用受到许多国家的重视。美国国家科学院就能源转变问题作了预测：到2010年生物质能的转化利用量将达1985年总能耗量的20倍［1］。许多生物质，如农作物秸秆类，受本身物性的限制不能直接做工业燃料，而与煤一起制成生物质型煤，则可互相取长补短，提高各自的燃烧性能和热利用率；并通过节煤和生物质代煤的双重作用，减少主温室气体CO2的排放量，也能在型煤燃烧固硫的基础上进一步提高SO2的消减率。我国作为一个农业大国，开发和推广生物质型煤技术，对节约能源保护环境都具有巨大的社会效益和经济效益。生物质工业固硫型煤是由生物质、煤、固硫剂、添加剂在一定粒度下经高压成型的工业用型煤，是一种新型的洁净型燃料，可作为工业锅炉用煤或动力配煤的代用品。由于生物质工业固硫型煤除具有一般工业型煤的特点外，还具有比非生物质的原有各类工业型煤更良好的燃烧特性和成型特性，对煤种的适应性相当广泛，因此，生物质固硫型煤技术预计在不久的将来会得到广泛的应用。目前，人们对生物质型煤的燃烧特性和成型条件都作了大量的试验研究，为其工业化应用提供了有力的参考依据。生物质工业固硫型煤的组成和性能要求与其用途和使用方式密切相关，用途不同，所需求的机械强度和燃烧性能不同，选用的煤种、生物质和固硫剂等物料的物性、配比、粒度等也有所不同，因此，生物质工业固硫型煤如何合理配料，使其满足工业用煤的各项技术指标，是优化其燃烧性能的关键技术之一。
本文在总结前人经验的基础上，以工业优化配煤的理论为指导，对生物质工业固硫型煤的优化配料数值模型进行了理论分析并给出了优化配料计算机程序实现框图。
1数学模型及主要问题
生物质工业固硫型煤优化配料所要解决的问题是：在用户给出煤指标的基础上，确定所选用各原料的配比，以满足用户的要求并使型煤的某一目标达到最优或一组目标综合评价最优。我们以成本最低作为目标函数，以型煤的发热量、挥发分、硫分、水分、灰分、灰熔点、结渣特性、着火特性、燃烬特性、固硫率、原料粒度为控制指标，建立优化配料数学模型：
上述模型目标函数中，Z为型煤成本，n为参配的原料数，Ci为第i种原料的成本，Xi为第i种原料的配比。约束条件中的各函数fq, fv, fs, fm, fa, fT, ft, fr, fD, fd, fη分别表示型煤的发热量、挥发分、硫分、水分、灰分、灰熔点、着火特性、渣特性、燃烬特性、原料粒度、固硫率与相关因素的函数的关系，Qi、Mi、Ai、Vi、Si、Fi分别为第i种原料的发热量、全水分、灰分、挥发分、硫分、固定碳。
上述模型中，若各函数关系式已知，则求出最优配比不是问题。但问题的关键就在于对生物质工业固硫型煤的指标与各单种参配原料的各项指标之间的关系不太了解，就型煤的发热量、挥发分、硫分、水分、粒度可按各原料相应成分及指标的加权平均来代替，但固硫剂的加入对型煤的灰熔点、结渣特性、着火特性等燃烧特性都将会产生不同的影响，那么固硫剂的加入对型煤的燃烧特性会产生怎样的影响，这也是本模型最难解决的问题。大量文献都表明，生物质工业固硫型煤的燃烧特性并不是各组分相应指标的简单加和。要能得到较为合理的配料方案，首先必须寻求型煤煤质分析数据及燃烧特性的变化规律，给出各约束条件的函数关系式。
2生物质工业固硫型煤指标的数值分析
生物质工业固硫型煤的配比及整体煤质基本上是由所用原料决定的。生物质可视为配料中的单煤种，影响型煤的挥发分、热值、水分、硫分等指标；固硫剂是一种不可燃原料，固硫反应是一个复杂多变的过程，除分解出的气体进入烟气外，其反应产物及所含的灰分全部进入灰渣，影响型煤的灰熔点、结渣特性、着火温度等。因此，生物质工业固硫型煤各项指标的数值模型可从型煤煤质特性、燃烧特性和固硫特性方面进行分析。
2.1型煤煤质特性分析
型煤作为一种“人工新煤种”，其燃烧过程中一些特性同单煤一样，与煤质分析数据紧密相关，型煤的热值、挥发分、水分、硫分、灰分，粒度指标函数关系式可用各原料相应组分的加权平均法来确定，即各指标的函数关系可用以下通用式子来表示：
式中，Gj为型煤第j个指标的加权平均，Gij为第i种原料的第j个指标。
2.2型煤燃烧特性分析
生物质工业固硫型煤的燃烧特性主要是指燃料在燃烧过程中所表现出来的着火、燃烬、结渣等特性。燃料在燃烧过程中的表现不仅仅与其自身的性质有关，同时也受到燃烧条件的影响，其中燃料自身的特性是决定因素，而炉内的燃烧工况则是外部影响因素，对于工业炉窑有其特定的燃烧工况，我们只考虑在给定的燃烧工况下的型煤的燃烧特性。
(1) 灰熔点
不同煤种的无机矿物质含量差异很大，煤灰熔点也随之而有很大不同。煤灰中含有多种氧化物，如SiO2, Fe2O3, CaO, MgO, TiO2, KNaO等，一般认为煤灰中各氧化物决定了煤的灰熔点［2］。生物质的种类不同，其灰分中的矿物组成也有很大差异，木屑灰主要由铁和钙组成，其次为铝和镁；稻壳灰主要由硅和钾组成，其次为铝和钠［3］。固硫剂的种类不同，带入的矿物质成分不同。因此生物质固硫型煤的灰熔点随添加的生物质和固硫剂的种类及用量的多少而不同。各用煤部门和型号不同的锅炉对煤灰熔点的要求有所不同，例如，固态排渣锅炉用煤和气化用煤一般要求高灰熔点煤种，以防止生成熔渣；液态排渣锅炉或煤气发生炉均要求低灰熔点煤种，以防止排渣困难。因此，生物质工业固硫型煤的灰熔点，在优化配料中必须作为一个主要约束条件对型煤的性能进行调整。根据近300种国产煤的煤质分析数据的统计结果，煤灰的灰熔点由以下经验公式给出［1］：
式中的分子式代表灰渣中该成分的百分含量。生物质工业固硫型煤的灰熔点应在原料混合配置法的基础上，加上固硫组分所含的由过量钙和其他组分分析折算过来的氧化物量，重新求得灰分的组成，再按上述预测模型来计算灰熔点。
(2) 着火特性
生物质工业固硫型煤着火温度主要受型煤中燃料的性质、掺混比及外界的空气条件等影响。型煤在燃烧过程中，易燃的生物质率先着火放热，进而带动周围的焦炭燃烧。研究表明，对于不同的煤种，其热力着火温度与煤的挥发分和灰分的比值(V/A)有着密切的联系，V/A的比值增大，热力着火温度下降，由于固硫剂增加了型煤灰分的比值，给着火预测带来了困难。由于挥发分的析出，着火只是形成型煤稳定燃烧的必要条件，它引发煤焦的着火，煤焦的着火才是型煤稳定燃烧的充分条件，因此找到煤焦的着火规律就可以对型煤的着火特性进行比较正确的预测。根据资料显示，煤焦非均相着火温度与煤工业分析值之间的关系式为［2］：
式中，Vad、Mad、Cad分别为燃料工业分析值中的挥发分、水分和碳含量。着火特性指标Fz的物理意义可表述如下：由于燃料的挥发和内在水分发析出后在炭粒内部形成的孔隙程度，即(Vad+Mad)越大，则比表面积越大，炭的活性越大，越有利于着火；Cad越高，化学反应放出的热量越大，着火就越容易。
(3) 燃烬特性
型煤稳定着火后便进入燃烬阶段，型煤燃烬性能的好坏直接影响到其燃烧效率的高低。生物质型煤在燃烧过程中是多孔球燃烧，有利于氧向内和燃烧产物向外扩散，有利于加速传热传质和保证充分燃烧。固硫剂可能会影响型煤的燃烧速度，但在保证充分燃烧条件下，固硫剂对型煤的燃烬率不会发生太大影响。因此，燃烬率与型煤工业分析数据之间的关系可以用下式预测［2］：
式中，Bc为燃烬率；Cad、Aad、Vad分别为型煤固定炭、灰分、挥发分，a、b、c、d为经验系数。燃烬率越高，则表明型煤的燃烬性能越好。
(4) 结渣特性
生物质型煤中的生物质燃料在燃烧过程中优先燃去，形成正在燃烧着的多孔形煤球体，此时供氧充分，传热传质强烈，能保证煤焦充分燃烧，灰渣中残碳含量低，同时，多孔形的燃烧球体使灰渣难于粘结成块，并且生物质炭化后留下孔隙起到膨化疏松作用，使固硫剂颗粒内部不易发生烧结，甚至使孔隙率反而增加，这一性质使强粘结性灰渣的煤制成的型煤能顺利实现层状燃烧，使灰渣粘结成片造成通风不良的情况大大改善［47］。因此，生物质工业固硫型煤的结渣特性指标在配料中可以不作为主要约束条件。
2.3固硫特性分析
目前对型煤固硫率的评价通常采用下式［1］：
式中，Rs为固硫率；n
