利用Excel的“规划求解”功能实现动力配煤方案的优化

1 问题的提出 煤炭是中国的主要能源，它在全国能源生产中的比重近几年来一直占 76%以上。到 2010 年全国生产原煤已超过 33 亿吨，占世界原煤产量的 1/2 强。在中国每年生产的这 么多商品煤中，主要供燃煤电厂使用，其用量约占全国商品煤的 50%，水泥、玻璃、陶 瓷等建材业的用煤量也占全国的 20%以上。供炼焦使用的洗精煤也占全国商品煤的 15% 以上,供热用煤也约占 6%。总之，中国的商品煤直接或间接作为动力用煤占 80%以上。 由于中国煤炭资源不仅地区分布不平衡， 而且各地的煤炭类别及其硫分、 灰分、 挥发分、 发热量和灰熔融性等指标的差异也大。 故很少有单种煤的性能能完全满足不同动力煤用 户的需要。 目前我国火电厂普遍存在实际来煤与设计煤种脱节的现象， 有的电厂来煤的煤种多 达十种以上，燃煤供应品种多、质量不稳定，由于不同煤种的煤质特性存在差别，这必 然影响到锅炉和脱硫系统的安全经济运行。也是当前燃烧效率低、污染严重的重要原因 之一。因此必须对实际来煤进行混配掺烧，使其各项煤质指标达到锅炉设计要求和国家 环保标准。 2 动力配煤意义 2.1 符合国家政策 动力配煤项目的建设符合国家能源发展方向，能够满足用户节能与环保的要求，是 非常具有前景的洁净煤技术之一。市场潜力巨大，具有广泛的应用前景。 目前，国家已出台多项政策，明确指出要大力发展动力配煤技术，发布的有关支持 发展动力配煤的文件意见(2005 年以后)主要如下。 ①国务院文件(国发〔2005〕18 号)， 《国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意
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见》 推进洁净煤技术产业化发展。国家发展和改革委员会要制定规划，完善政策，组织 建设示范工程，并给予一定资金支持，推动洁净煤技术和产业化发展。大力发展洗煤、 配煤和型煤技术，提高煤炭洗选加工程度。……采用先进的燃煤和环保技术，提高煤炭 利用效率，减少污染物排放。 大力开展煤炭节约和有效利用。积极引导合理用煤、节约用煤和有效用煤，努力缓 解当前煤炭供求紧张状况，解决煤炭产需长期矛盾。……依靠科技进步和创新，推广先 进的节煤设备、工艺和技术。强化科学管理，减少煤炭生产、流通、消费等环节的损失 和浪费。制定有利于节约用煤的经济政策、技术标准和法规，利用经济、法律和必要的 行政手段， 实行全面、 严格的节煤措施， 在全社会形成节约用煤和合理用煤的良好环境。 ②国家发展改革委、国家环保总局(发改能源〔2007〕1456 号)《关于印发煤炭工业 节能减排工作意见的通知》 积极发展动力配煤，在煤矿、港口等煤炭集散地建设动力煤配煤厂，适应不同类型 用户需要，以提高燃烧效率，减少污染物排放。 ③国务院文件(国发〔2011〕26 号)， 《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的 通知》 推广煤炭清洁利用，提高原煤入洗比例，加快煤层气开发利用。 ④国家发展和改革委员会（发改能源〔2012〕640 号） ， 《煤炭工业发展“十二五” 规划》 大力发展煤炭洗选加工。大中型煤矿要配套建设选煤厂，鼓励在小型煤矿集中矿区 建设群矿选煤厂。在大型煤炭基地重点建设一批具有国际先进水平的大型选煤厂。采用 先进技术和设备改造现有选煤厂。推广先进的型煤生产应用技术，加强褐煤提质技术的 研发和示范，完善煤炭产品质量和利用技术装备标准，提高炼焦精煤、高炉喷吹用煤产 品质量和利用效率，提高动力煤入选比例。 在煤炭生产、消费集中地和主要中转地，建设具备储存、加工、配送等功能的煤炭 物流园区。 建设锦州港、唐山港、天津港、黄葬港、青岛港等北方港口煤炭码头，增加煤炭堆 存规模，形成一批储配煤基地，提高煤炭下水能力。 2.2 满足我国(区域)能源需求 虽然我国煤炭资源丰富，但地域分布极不平衡，华北及西北地区约占我国动力煤资
利用 Excel 的“规划求解”功能 实现动力配煤方案的优化
新疆华电昌吉热电二期有限责任公司
[摘 点。 [关键词]动力配煤、规划求解、方案、优化
成志刚
要]在能源消费总量逐年攀升和环保压力日趋严峻的形式下，优化火电行业动力配煤具有
现实意义。利用Excel提供的“规划求解”功能，即可实现动力配煤方案的优化，具有简单易行的优
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种物流资源得到高效率利用，获得最佳收益。对于燃煤用户而言，只需保持少量库存， 从而节省了物流成本。 3 配煤目标的煤质要求 动力煤主要用于电力锅炉、工业锅炉、水泥窑炉等各工业领域，其中电力锅炉和工 业锅炉用煤量约占 80%以上，也是应用动力配煤最多的领域。配煤目标的煤质要求主要 有以下几方面。 3.1 全水分 全水分的高低对煤的应用影响很大，一般来说，要求煤的全水分越低越好。但在 实际应用中煤的全水分不可能很低。煤炭开采和运输过程中要喷水防尘，这是外水分的 主要来源；褐煤、长焰煤、不黏煤等年轻煤，含有大量的内水。 对电力用煤来说，煤炭全水分高不利于制粉和燃烧，全水分高的煤其收到基低位发 热量就大大降低，直接影响了煤炭的质量。另外，也必须认识到，煤炭全水分是一个变 数，也就是说，煤炭在输送、储存、加工(配煤)过程中，它们的全水分会发生变化。 3.2 灰分 煤中灰分增加，煤中可燃成分相对减少，降低了发热量；当煤燃烧时，煤中矿物 质转化成灰分，并会熔融，它要吸收热量，并由排渣带走大量的物理显热；灰分多，使 理论燃烧温度降低，而且煤粒表面往往形成灰分外壳，妨碍煤中可燃质和氧气接触，使 煤不易燃尽，增加不完全燃烧热损失；灰分多，还会使炉膛温度下降，燃烧不稳定，也 增加不完全燃烧热损失；灰分多，灰粒随烟气流过受热面时，如果烟速高，会磨损受热 面，如果烟速低，会形成受热面积灰，降低传热效果，并使排烟温度升高，增加排烟热 损失，降低锅炉效率；灰分多，也会产生炉内结渣，同时会腐蚀金属；灰分多，增加煤 粉制备的能量消耗；灰分还是造成环境污染的根源。显然，灰分是煤中的有害成分，因 此煤炭的灰分应该越低越好。 3.3 挥发分 煤的挥发分是最重要的煤质指标之一。它关系到煤的种类，煤的着火温度、燃尽 温度、反应性以及制粉时的安全性。挥发分也是锅炉设计的主要依据之一，一般来说， 各种锅炉对燃煤的挥发分均有一定要求，不符合挥发分要求的煤不能直接使用。 因挥发分而配煤是所有配煤中最复杂，难度也最大的一种。因为通过配煤得到的新 煤炭，表面上看其挥发分与设计煤种没有明显的差别，而实质上这两种煤炭在燃烧性能 方面有可能有明显的差别而不能应用。研究和实践均证实，不同挥发分的煤组合后进行
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源的 80%，特别集中在以下几个地区:山西((25. 54%)、内蒙古(22.34%、陕西(15.90%)、 新疆(9.67%)。对于我国经济发达地区，如长江三角洲地区、珠江三角洲地区，经济发 展迅速，能源需求持续增长，但能源自给能力严重不足，煤炭市场供求缺口极大，是我 国煤炭净调进的重点地区。 虽然我国煤炭供求总体平衡，但在严重缺煤的经济发达地区[如华东、华南沿海省 (市、区)]煤炭市场供不应求。在今后一段时间内，我国煤炭供求将在总体平衡的基础 上趋于宽松，但由于存在产、运、需结构性矛盾和一些不确定因素，仍有可能会出现部 分品种、区域和时段性矛盾。 我国煤炭品种齐全，但差异性较大，动力煤不同产品如原煤、混煤、粒煤、粉煤、 末煤、低质煤、洗煤厂副产品等多元化趋势明显，优质动力煤偏少，水分、灰分、挥发 分、发热量、全硫含量、灰熔点及燃烧特性煤质指标差异性较大。 动力配煤是解决煤炭生产地域与需求地域分离矛盾的有效途径。在煤炭消费终端， 利用动力配煤技术，将不同地区生产的煤炭加工成质量稳定、可靠均匀的产品，满足自 身质量上和数量上的要求。 2.3 满足燃煤产需的对路供应 我国燃煤热能利用率普遍较低，目前工业锅炉效率仅为 60%左右，比国外先进水平 低 15%～20%，工业窑炉则低 20%～30%，电力锅炉也低 10%～20%。造成煤炭热能利用率 低的因素很多，其中主要因素之一是实际供应锅炉的煤质与锅炉设计时的煤质不匹配。 造成燃煤效率降低，出力下降，电力机组不能满发，发电煤耗和助燃油量增加，燃料费 用和发电成本增加等问题，这些问题引起的锅炉事故占总事故的 40%以上。以往还采取 过“削足适履”的办法，改变炉型去适应多变的煤质，改造工作量大，费用高，在多变 的煤质情况下其效果可想而知。 利用动力配煤技术，使市场来煤通过科学配煤加工，调整煤质使其满足用户燃煤设 备的燃煤质量要求， 从而达到提高热效率、 节约燃煤的目的， 实现燃煤产需的对路供应。 2.4 满足燃煤用户对煤质均匀性和稳定性要求 我国煤炭资源品种和质量千差万别，煤矿生产地远离煤炭消费地，消费结构呈现多 元化，终端用户对煤质要求各不相同。煤炭从生产到消费过程中，难于实现分采、分装、 分运、分储，中途混淆现象严重，使煤炭质量极不稳定。而且由于受到煤炭市场供应的 变化和限制，用户采购渠道多、煤种杂、质量不稳定，经常偏离锅炉等燃烧设备对煤炭的燃烧性能和锅炉的燃烧效率有明显的影响。因 此，在进行挥发分配煤时，除了考虑理论计算得出的配煤挥发分满足要求，还要考虑挥 发分的高低层次的梯级配合， 最重要的是应通过燃烧试验来验证该配煤是否在确定的锅 炉中适用。 3.4 发热量 煤的发热量的高低是评价动力煤质量的主要参数之一，燃煤就是利用煤炭燃烧时 发出的热量。以往配煤大多是为了调节发热量，通过配煤可以使煤炭的发热量稳定，同 时可以降低煤炭的成本。因此，因发热量配煤是目前配煤的主要目的。 锅炉对煤炭的发热量有较严格要求，发热量过高会损坏锅炉，而发热量过低，会使 燃烧不稳定，甚至熄火。从燃烧效率和环境保护的角度来说，煤炭的发热量应该越高越 好，但由于煤炭资源、煤炭生产、煤炭洗选能力、使用成本、煤炭流通等原因，一般烟 煤锅炉使用的煤炭低位发热量(Qnet,ar)为 20.91%～23.OOMJ/kg。 3.5 硫分 煤中硫分是有害物质，在煤炭燃烧的过程中生成 SO2, SO2 不仅腐蚀金属设备，而
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燃煤锅炉的安全经济运行对煤质均匀性和稳定性要求较为严格， 动力配煤技术应用 已成为确保向用户供应质量稳定燃煤的重要手段， 利用先进的动力配煤技术生产出均匀 稳定的配煤产品有利于改善用户锅炉燃烧状况， 提高燃烧效率， 有利于锅炉的经济运行， 有效保证用户用煤安全。 2.5 满足燃煤用户环保要求，缓解区域环境压力 煤炭燃烧时产生 SO2、NOx、烟尘及其他有害物质，燃煤污染物排放是我国大气污染 的主要来源。控制燃煤污染物的排放，保护环境已刻不容缓，国家为此制定了一系列的 法规和措施，除限制高硫、高灰煤的开采和使用外，要求加速发展和使用配煤、选煤、 型煤等洁净煤技术，以保护日益恶化的生态环境。分析目前技术现状和经济条件，配煤 技术是成熟可行的燃前加工技术，弥补了煤炭洗选无法全面调控煤质指标的不足。如高 硫煤单独燃烧时，二氧化硫排放的浓度较高，不仅污染大气环境，而且还腐蚀用煤设备 和管线，缩短用煤设备整体使用寿命，如将高硫煤与低硫煤相混配，使配煤硫分降至 1% 以下甚至 0.8%以下，使得二氧化硫排放总量及烟气中的二氧化硫浓度均能达到环保要 求，在获得良好的环境效益同时，又为高硫煤资源拓宽了利用途径，既合理利用我国煤 炭资源，又符合国家节能减排要求。 利用不同品质煤炭的煤质差异，通过科学配煤，严格控制入炉煤的污染物含量，再 辅助应用燃前固硫技术，实施高附加值配煤，逐步以混配洁净煤取代原煤，将在有效提 高燃煤使用能效的同时，降低燃煤用户对环境的影响。 2.6 原本不能直接利用的原料煤资源通过配煤加工，满足下游客户的各项需求，通 过合理配煤为低质廉价煤的拓宽应用途径，并使高价优质煤得到更有效的利用。 例如我国有些地区还赋存有相当数量的高灰高硫低质煤、洗选性差的炼焦煤资源， 无法通过洗选有效降低其灰分和硫分，既不能作为炼焦配煤用，也无法直接作为动力煤 用，在利用上有很大不便，造成了资源浪费。利用动力配煤技术，利用不同煤炭资源的 差异性，实现煤质的优势互补，再结合高效固硫剂、助燃剂的使用，生产出既能满足用 户锅炉燃烧性能要求又能满足环保要求的燃料煤，为合理利用我国高灰高硫低质煤、洗 选性差的炼焦煤资源提供可行途径。 2.7 有利于高效利用物流资源 当前大宗量煤炭贸易的关键环节是稀缺的铁路、港口等物流资源，由于煤炭生产端 和消费端在数量及质量上的不匹配，这些资源往往未能得到有效利用。从整体优化角度 出发，动力配煤技术的应用结合高效的管理，灵活应用自身动态物流和仓储资源，使各