燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2012.11.016 第34卷第11期 北京科技大学学报 Vol.34 No.11 2012年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2012 燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 段旭琴蒙格泰✉金龙哲段 建 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xiaomengdexin(@yahoo.cm 摘要在归纳和比较常用高炉喷吹配煤方法的基础上，以计算法配煤的思想为指导，提出了以实现最佳燃烧效果为目标的 混煤模型.通过曲线拟合得到混煤着火点随高挥发分煤种配比增大而减小的关系曲线，混煤着火点下降速率减小到某一较小 值时的混煤比例即为该煤种组合燃烧效果最佳的比例.应用该方法对四组不同煤种组合混煤进行配比优化，经静态燃烧性实 验证明，该计算法所得结果准确可靠，有一定实用性 关键词高炉：燃料喷吹：煤燃烧：混煤：计算方法 分类号TK224.1 Computational methods of coal blending for the best combustion in mixed coal injection DUAN Xu-qin,MENG Ge-tai,JIN Long-zhe,DUAN Jian School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xiaomengdexin@yahoo.en ABSTRACT In compliance with the computational principle of coal blending,a coal blending model for the best combustion was put forward based on summing up and comparing some common coal blending methods.A curve to describe the relation between the ignition point of mixed coal and the proportion of high-volatile coal was obtained by curve-fitting.It is found that the proportion of high-volatile coal at which the descent rate of the ignition point of mixed coal reaches to a certain tiny value is considered as the optimum proportion. This method was used to optimize the proportion of high-volatile coal in four different groups of mixed coal and it is proved by static buring experiment that the computed results are accurate,reliable and practical. KEY WORDS blast furnace:fuel injection;coal combustion:coal blending:computational methods 目前，在高炉喷吹领域研究煤粉燃烧性主要集 火性能的影响，找寻规律，优化混煤配方，实现混煤 中在煤粉的燃尽特性方面，而对其着火特性的研究 喷吹燃烧效果最佳 很少.煤的着火特性衡量标准称为着火温度，是确 定制粉系统磨煤机入口及各部位温度的重要依 1常用高炉喷吹煤配煤方法 据0，因而是煤粉喷吹安全的重要因素之一，在指 由于煤源、喷吹工艺条件各不相同，各个企业的 导煤粉配比方面也有很大的价值.在高炉喷吹混煤 混煤方案也不尽相同.目前常用的配煤方法主要 条件下，不同的煤种进入直吹管后其点燃时间不同， 有：(1)通过实验配煤)：(2)使用计算的方法指导 着火点低的会先行被点燃，因而多种煤组成的混合 配煤四：(3)根据煤的工业分析结果配煤.这些 煤粉其着火特性必然会发生变化风.分析混煤的着 方法各有利弊，企业常根据自己的需求配合使用. 火特性是研究混煤燃烧机理、探寻优化配煤依据的 其中通过计算确定配比是较为科学的方法，在配煤 重要环节. 研究中使用比较普遍，其将高炉喷吹煤要求的指标 本文从燃烧角度考察混煤中改变单煤配比对着 转化为数学模型，通过数学的方法求解.但是，由 收稿日期：201107-31

第 34 卷 第 11 期 2012 年 11 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 11 Nov． 2012 燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 段旭琴 蒙格泰 金龙哲 段 建 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: xiaomengdexin@ yahoo． cn 摘 要 在归纳和比较常用高炉喷吹配煤方法的基础上，以计算法配煤的思想为指导，提出了以实现最佳燃烧效果为目标的 混煤模型． 通过曲线拟合得到混煤着火点随高挥发分煤种配比增大而减小的关系曲线，混煤着火点下降速率减小到某一较小 值时的混煤比例即为该煤种组合燃烧效果最佳的比例． 应用该方法对四组不同煤种组合混煤进行配比优化，经静态燃烧性实 验证明，该计算法所得结果准确可靠，有一定实用性． 关键词 高炉; 燃料喷吹; 煤燃烧; 混煤; 计算方法 分类号 TK224. 1 Computational methods of coal blending for the best combustion in mixed coal injection DUAN Xu-qin，MENG Ge-tai ，JIN Long-zhe，DUAN Jian School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: xiaomengdexin@ yahoo． cn ABSTRACT In compliance with the computational principle of coal blending，a coal blending model for the best combustion was put forward based on summing up and comparing some common coal blending methods． A curve to describe the relation between the ignition point of mixed coal and the proportion of high-volatile coal was obtained by curve-fitting． It is found that the proportion of high-volatile coal at which the descent rate of the ignition point of mixed coal reaches to a certain tiny value is considered as the optimum proportion． This method was used to optimize the proportion of high-volatile coal in four different groups of mixed coal and it is proved by static burning experiment that the computed results are accurate，reliable and practical． KEY WORDS blast furnace; fuel injection; coal combustion; coal blending; computational methods 收稿日期: 2011--07--31 目前，在高炉喷吹领域研究煤粉燃烧性主要集 中在煤粉的燃尽特性方面，而对其着火特性的研究 很少． 煤的着火特性衡量标准称为着火温度，是确 定制粉系统磨煤机入口及各部位温度的重要依 据［1］，因而是煤粉喷吹安全的重要因素之一，在指 导煤粉配比方面也有很大的价值． 在高炉喷吹混煤 条件下，不同的煤种进入直吹管后其点燃时间不同， 着火点低的会先行被点燃，因而多种煤组成的混合 煤粉其着火特性必然会发生变化［2］． 分析混煤的着 火特性是研究混煤燃烧机理、探寻优化配煤依据的 重要环节． 本文从燃烧角度考察混煤中改变单煤配比对着 火性能的影响，找寻规律，优化混煤配方，实现混煤 喷吹燃烧效果最佳． 1 常用高炉喷吹煤配煤方法 由于煤源、喷吹工艺条件各不相同，各个企业的 混煤方案也不尽相同． 目前常用的配煤方法主要 有: ( 1) 通过实验配煤［3］; ( 2) 使用计算的方法指导 配煤［4］; ( 3) 根据煤的工业分析结果配煤［5］． 这些 方法各有利弊，企业常根据自己的需求配合使用． 其中通过计算确定配比是较为科学的方法，在配煤 研究中使用比较普遍，其将高炉喷吹煤要求的指标 转化为数学模型，通过数学的方法求解［6］． 但是，由 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.11.016

·1320· 北京科技大学学报 第34卷 于混合煤的煤质指标中存在非线性指标，方程组的 的分析煤样与固体亚硝酸钠均匀混合干燥后装入玻 约束条件由过程而不是由函数表达式描述)，所以 璃试管，将试管插入加热器中，以一定速度加热，引 这个方程组的求解过程较为复杂. 起煤样爆燃.实验制备了原样和氧化样，进行平行 测定，以增加对比性圆 2混煤最佳燃烧效果实验 本研究根据江西省新余钢铁厂实际投入高炉中 本研究在计算法配煤思想的指导下回，提出了 使用的煤粉情况，以四种无烟煤和一种高挥发分印 以与煤的燃烧效果关系密切的着火温度T和高挥 尼烟煤为研究对象，将四种无烟煤与印尼烟煤按不 发分煤配比两个物理量建立的数学模型，以混煤燃 同的比例混合，得到四组24个混煤样品，分别测定 烧特性确定混煤配比的新方法 各组合样品的着火点和挥发分.表1为实验中印尼 2.1混煤配比计算主要思想 烟煤与无烟煤单煤的工业分析和着火点测定数据， 以无烟煤、高挥发分烟煤为对象，取着火温度 其中煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳的质量分数 T、烟煤配比为配煤指标，计算其最佳配煤方案.着 分别用符号Md、Aa、Va和FCa表示. 火温度为非线性指标，首先对着火温度与煤配比的 表1单煤工业分析及若火点 关系曲线进行拟合.由于拟合结果直接影响规划 Table 1 Proximate analysis and ignition temperature of single coal 解，为了保证规划解的合理性，经过多种函数实验， % 取图形最接近的函数使用. 编 煤样 着火点 Aa Var FCd 混合煤具有最低着火温度时高挥发分煤配比通 号 名称 温度/℃ 常为100%，显然无法作为约束条件用于求解.因此 0* 印尼烟煤 24.16 8.74 47.1036.61 303 取着火温度降低幅度减小时的配比为高挥发分烟煤 1 耒阳无烟煤 1.0512.90 5.9681.05 393 配入量上限.根据切线原理，曲线切线与横轴负半 2 永城无烟煤 0.88 9.78 8.95 81.42 384 轴夹角α大小表明了着火温度降低幅度，计算中取 3# 马田墟无烟煤 2.9913.00 6.1779.19 378 α为某一角度，其对应的挥发分含量为配比时的挥 4皖北无烟煤 0.9810.82 9.7879.67 303 发分上限.继续增大高挥发分煤对降低着火温度的 作用不大，却增加了安全隐患，见图1. 3 实验结果与分析 3.1混煤着火点与混煤配比的关系 表2为24组混煤配方的挥发分产率及着火点 测量值.四种无烟煤与印尼烟煤按比例混合，其比 例变化与着火点温度的关系曲线见图2 实验结果表明：印尼烟煤的比例由10%变为 20%时着火点没有太大变化，个别配方甚至出现印 尼烟煤比例提高而着火点不变或升高的现象，如3 印尼煤配比 号、20号混煤分别较2号、19号着火点高，而13号、 图1混煤配比计算模型 14号虽提高挥发分但着火点没有变化.分析原因 Fig.1 Model for calculating the proportion of mixed coal 如下 对拟合出的温度配比关系式求一阶导数并解不 首先，由于煤是非均相的矿物或岩石，其可燃成 等式 分C、H、0、S和N等物质在煤中并不是均匀分布 T'≤-tana, 的，因此加热时，燃点可能不稳定回：其次，天气和 可得出混合煤着火特征温度及其对应的高挥发分煤 湿度等变化影响，该项实验的燃点测定值允许在 配比范围.因此，在实施新煤种配煤时，只需以约束 ±7℃波动，如果测定混煤，则可能在±10℃摆动： 条件方程组结合最佳的燃烧效果便可得到较为准确 再次，单煤测定时印尼烟煤出现过最低着火点 实用的成分比例配方. 290℃，但经多次实验本文取了其出现频率最高的 2.2指标测定 着火点均值303℃，即如果印尼烟煤由于内部矿物 着火点测定根据国家标准GB/T18511一2001 质分布不均或由于环境温度和湿度影响，则可能出 《煤的着火温度测定方法》进行，将粒度小于0.2mm 现以上情况

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 于混合煤的煤质指标中存在非线性指标，方程组的 约束条件由过程而不是由函数表达式描述［7］，所以 这个方程组的求解过程较为复杂． 2 混煤最佳燃烧效果实验 本研究在计算法配煤思想的指导下［2］，提出了 以与煤的燃烧效果关系密切的着火温度 T 和高挥 发分煤配比两个物理量建立的数学模型，以混煤燃 烧特性确定混煤配比的新方法． 2. 1 混煤配比计算主要思想 以无烟煤、高挥发分烟煤为对象，取着火温度 T、烟煤配比为配煤指标，计算其最佳配煤方案． 着 火温度为非线性指标，首先对着火温度与煤配比的 关系曲线进行拟合． 由于拟合结果直接影响规划 解，为了保证规划解的合理性，经过多种函数实验， 取图形最接近的函数使用． 混合煤具有最低着火温度时高挥发分煤配比通 常为 100% ，显然无法作为约束条件用于求解． 因此 取着火温度降低幅度减小时的配比为高挥发分烟煤 配入量上限． 根据切线原理，曲线切线与横轴负半 轴夹角 α 大小表明了着火温度降低幅度，计算中取 α 为某一角度，其对应的挥发分含量为配比时的挥 发分上限． 继续增大高挥发分煤对降低着火温度的 作用不大，却增加了安全隐患，见图 1． 图 1 混煤配比计算模型 Fig． 1 Model for calculating the proportion of mixed coal 对拟合出的温度配比关系式求一阶导数并解不 等式 T'≤ － tanα， 可得出混合煤着火特征温度及其对应的高挥发分煤 配比范围． 因此，在实施新煤种配煤时，只需以约束 条件方程组结合最佳的燃烧效果便可得到较为准确 实用的成分比例配方． 2. 2 指标测定 着火点测定根据国家标准 GB /T 18511—2001 《煤的着火温度测定方法》进行，将粒度小于 0. 2 mm 的分析煤样与固体亚硝酸钠均匀混合干燥后装入玻 璃试管，将试管插入加热器中，以一定速度加热，引 起煤样爆燃． 实验制备了原样和氧化样，进行平行 测定，以增加对比性［8］． 本研究根据江西省新余钢铁厂实际投入高炉中 使用的煤粉情况，以四种无烟煤和一种高挥发分印 尼烟煤为研究对象，将四种无烟煤与印尼烟煤按不 同的比例混合，得到四组 24 个混煤样品，分别测定 各组合样品的着火点和挥发分． 表 1 为实验中印尼 烟煤与无烟煤单煤的工业分析和着火点测定数据， 其中煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳的质量分数 分别用符号 Mad、Ad、Vdaf和 FCad表示． 表 1 单煤工业分析及着火点 Table 1 Proximate analysis and ignition temperature of single coal % 编 号 煤样 名称 Mad Ad Vdaf FCad 着火点 温度/℃ 0# 印尼烟煤 24. 16 8. 74 47. 10 36. 61 303 1# 耒阳无烟煤 1. 05 12. 90 5. 96 81. 05 393 2# 永城无烟煤 0. 88 9. 78 8. 95 81. 42 384 3# 马田墟无烟煤 2. 99 13. 00 6. 17 79. 19 378 4# 皖北无烟煤 0. 98 10. 82 9. 78 79. 67 303 3 实验结果与分析 3. 1 混煤着火点与混煤配比的关系 表 2 为 24 组混煤配方的挥发分产率及着火点 测量值． 四种无烟煤与印尼烟煤按比例混合，其比 例变化与着火点温度的关系曲线见图 2． 实验结果表明: 印尼烟煤的比例由 10% 变为 20% 时着火点没有太大变化，个别配方甚至出现印 尼烟煤比例提高而着火点不变或升高的现象，如 3 号、20 号混煤分别较 2 号、19 号着火点高，而 13 号、 14 号虽提高挥发分但着火点没有变化． 分析原因 如下． 首先，由于煤是非均相的矿物或岩石，其可燃成 分 C、H、O、S 和 N 等物质在煤中并不是均匀分布 的，因此加热时，燃点可能不稳定［9］; 其次，天气和 湿度等变化影响，该项实验的燃点测定值允许在 !7 ℃波动，如果测定混煤，则可能在!10 ℃ 摆动［8］; 再次，单煤测定时印尼烟煤出现过最低着火点 290 ℃，但经多次实验本文取了其出现频率最高的 着火点均值 303 ℃，即如果印尼烟煤由于内部矿物 质分布不均或由于环境温度和湿度影响，则可能出 现以上情况． ·1320·

第11期 段旭琴等：燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 ·1321· 表2混煤挥发分产率及着火点实验数据 Table 2 Volatile matter yield and ignition temperature of mixed coal 配方 若火点 配方 着火点 组别 配方组成（质量分数）/% Vi1% 组别 配方组成（质量分数）/% Vaut 1% 序号 温度/℃ 序号 温度/℃ 1 010 145 2*45 11.12 386 13 010 1*45 4*45 11.78 385 2 0*15 142.5 2*42.5 11.95 384 14 0°15 142.5 4*42.5 12.33 385 3 0*20 140 2*40 14.69 389 15 0°20 1*40 4*40 15.13 382 1组 3组 025 1#37.52*37.517.00 302 6 0°25 1t37.54*37.5 17.99 340 030 1*35 2*35 17.95 286 0°30 135 4*35 18.68 332 6 035 132.5232.5 22.18 286 18 035 132.54*32.521.82 329 010 345 2*45 11.30 389 19 0°10 345 4*45 11.86 381 0*15 342.52*42.5 12.13 385 20 0°15 3*42.5 4*42.5 12.52 383 0*20 3*40 2*40 15.00 382 21 0°20 3*40 4*40 15.37 375 4组 025 337.5237.5 17.12 342 22 025 337.5 4*37.5 18.24 301 11 030 3#35 2*35 18.46 333 23 0*30 335 4*35 20.64 295 12 035 332.5232.5 21.90 330 24 0*35 332.54*32.5 24.02 300 400 混煤最佳燃烧效果的印尼烟煤比例 380 首先，使用最小二乘法对着火温度与印尼烟煤 F360 配比的关系曲线进行拟合。数据共有六个点，故最 高可拟合五次多项式，但是多项式拟合中，当拟合次 340 2组 数较高时，其正规方程组往往是病态的，阶数越高病 对320 3组 态越严重，因此对该组数据应分段，降低多项式的阶 4组 300 数以保证计算精度.由图2可见，印尼煤比例 280 10%~20%间曲线变化平缓，20%之后混煤着火点 10 15 20 25 30 35 印尼煤比例% 大幅下降，对于求解最佳混煤比例，仅对后四点进行 图2混煤若火点与印尼煤比例的关系 拟合即可，此时多项式为三次，亦符合拟合精度的要 Fig.2 Relations between the ignition temperature of mixed coal and 求.由于着火温度与烟煤配比相差三个数量级，为 the proportion of Indonesian coal 了使曲线弯曲走势的斜率变化更明显，取配煤百分 当印尼烟煤比例由20%提高到25%时，混煤的 比的分子部分，即配比数值扩大100倍. 着火点均大幅下降，表明燃烧性有显著的提高 以第3组实验数据(13号~18号混煤，见表3) 印尼烟煤比例由25%继续提高，混煤着火点继 为例，具体过程如下 续降低但趋势变缓，到30%后基本趋于平缓. x∈20,35]，设拟合曲线方程为 基于以上实验结果，结合文献0]，本文认为 y=ao +ax+ax2+ax, 高挥发分烟煤比例对混煤着火温度的影响有以下规 得正规方程组 93500 律：混煤着火点的变化是非线性的，且存在明显变化 4 110 3150 110 3150 93500 2861250 的临界点：高挥发分煤的比例小于某一值时，其比例 3150 93500 2861250 89787500 变化对混煤着火点影响较小，混煤着火点与占主要 L93500 2961250 89787500 2875406250 成分的低挥发分煤保持一致；高挥发分煤比例超过 某一值时，混煤着火点随着其比例的增大而迅速、大 ao 1383 幅降低；此后高挥发分煤比例持续加大到某一值后， a, 37615 比例变化对混煤着火点的影响又变小，最终趋于 dz 1067125 平缓. a3」 31438375 3.2最佳燃烧效果混煤配比计算 解得a0=1470,a1=-110.53,a2=3.58,a3= 根据实验结果，应用之前提出的混煤模型计算 -0.0387

第 11 期 段旭琴等: 燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 表 2 混煤挥发分产率及着火点实验数据 Table 2 Volatile matter yield and ignition temperature of mixed coal 组别 配方 序号 配方组成( 质量分数) /% Vdaf /% 着火点 温度/℃ 1 0# 10 1# 45 2# 45 11. 12 386 2 0# 15 1# 42. 5 2# 42. 5 11. 95 384 1 组 3 0# 20 1# 40 2# 40 14. 69 389 4 0# 25 1# 37. 5 2# 37. 5 17. 00 302 5 0# 30 1# 35 2# 35 17. 95 286 6 0# 35 1# 32. 5 2# 32. 5 22. 18 286 7 0# 10 3# 45 2# 45 11. 30 389 8 0# 15 3# 42. 5 2# 42. 5 12. 13 385 2 组 9 0# 20 3# 40 2# 40 15. 00 382 10 0# 25 3# 37. 5 2# 37. 5 17. 12 342 11 0# 30 3# 35 2# 35 18. 46 333 12 0# 35 3# 32. 5 2# 32. 5 21. 90 330 组别 配方 序号 配方组成( 质量分数) /% Vdaf /% 着火点 温度/℃ 13 0# 10 1# 45 4# 45 11. 78 385 14 0# 15 1# 42. 5 4# 42. 5 12. 33 385 3 组 15 0# 20 1# 40 4# 40 15. 13 382 16 0# 25 1# 37. 5 4# 37. 5 17. 99 340 17 0# 30 1# 35 4# 35 18. 68 332 18 0# 35 1# 32. 5 4# 32. 5 21. 82 329 19 0# 10 3# 45 4# 45 11. 86 381 20 0# 15 3# 42. 5 4# 42. 5 12. 52 383 4 组 21 0# 20 3# 40 4# 40 15. 37 375 22 0# 25 3# 37. 5 4# 37. 5 18. 24 301 23 0# 30 3# 35 4# 35 20. 64 295 24 0# 35 3# 32. 5 4# 32. 5 24. 02 300 图 2 混煤着火点与印尼煤比例的关系 Fig． 2 Relations between the ignition temperature of mixed coal and the proportion of Indonesian coal 当印尼烟煤比例由 20% 提高到 25% 时，混煤的 着火点均大幅下降，表明燃烧性有显著的提高． 印尼烟煤比例由 25% 继续提高，混煤着火点继 续降低但趋势变缓，到 30% 后基本趋于平缓． 基于以上实验结果，结合文献［10］，本文认为 高挥发分烟煤比例对混煤着火温度的影响有以下规 律: 混煤着火点的变化是非线性的，且存在明显变化 的临界点; 高挥发分煤的比例小于某一值时，其比例 变化对混煤着火点影响较小，混煤着火点与占主要 成分的低挥发分煤保持一致; 高挥发分煤比例超过 某一值时，混煤着火点随着其比例的增大而迅速、大 幅降低; 此后高挥发分煤比例持续加大到某一值后， 比例变化对混煤着火点的影响又变小，最终趋于 平缓． 3. 2 最佳燃烧效果混煤配比计算 根据实验结果，应用之前提出的混煤模型计算 混煤最佳燃烧效果的印尼烟煤比例． 首先，使用最小二乘法对着火温度与印尼烟煤 配比的关系曲线进行拟合． 数据共有六个点，故最 高可拟合五次多项式，但是多项式拟合中，当拟合次 数较高时，其正规方程组往往是病态的，阶数越高病 态越严重，因此对该组数据应分段，降低多项式的阶 数以保证计算精度． 由 图 2 可 见，印 尼 煤 比 例 10% ～ 20% 间曲线变化平缓，20% 之后混煤着火点 大幅下降，对于求解最佳混煤比例，仅对后四点进行 拟合即可，此时多项式为三次，亦符合拟合精度的要 求． 由于着火温度与烟煤配比相差三个数量级，为 了使曲线弯曲走势的斜率变化更明显，取配煤百分 比的分子部分，即配比数值扩大 100 倍． 以第 3 组实验数据( 13 号 ～ 18 号混煤，见表 3) 为例，具体过程如下． x∈［20，35］，设拟合曲线方程为 y = a0 + a1 x + a2 x 2 + a3 x 3 ， 得正规方程组 4 110 3 150 93 500 110 3 150 93 500 2 861 250 3150 93 500 2 861 250 89 787 500            93 500 2 961 250 89 787 500 2 875 406 250 · a0 a1 a2 a            3  = 1 383 37 615 1 067 125            31 438 375 ， 解得 a0 = 1 470，a1 = － 110. 53，a2 = 3. 58，a3 = － 0. 038 7． ·1321·

·1322· 北京科技大学学报 第34卷 表3第3组实验数据 Table 3 Experimental data of Group 3 i x d x xyI xiy 0 20 382 400 8000 160000 3200000 64000000 7640 152800 3056000 1 25 340 625 15625 390625 9765625 244140625 8500 212500 5312500 30 332 900 27000 810000 24300000 729000000 9960 298800 8964000 3 35 329 1225 42875 1500625 52521875 1838265625 11515 403025 14105875 110 1383 3150 93500 2861250 89787500 2875406250 37615 1067125 31438375 故拟合多项式为 尼煤对改善混煤燃烧的效果己不明显，此时的比例 T3=1470-110.53x+3.58x2-0.0387x3.(1) 为最佳 残差R=1,说明拟合精度很好，符合要求，见 T=-110.53+7.16x-0.1161x2. (2) 图3. 可解得，当x=30.835时，T3mx=-0.1390. 390 习惯上，用斜率与X轴负向所成角度α来描述 380 更为直观， 370 a=-arctanT:=7.90 360 350 理论上，α角取到最小值时，可保证燃烧效果最 340 佳，但通过大量实验的经验看，α角往往不需要取到 330 最小值，混煤燃烧性就可以达到满意的效果.因此 一般以α=10°计算最佳配比更为合理，即 20253035 40 印尼烟煤比例/% T5=-tana=-tanl0°=-0.1763. 图3第3组混煤若火点与印尼煤比例拟合曲线 代入式(2)求解，取较小解，得x=30.268.对于该 Fig.3 Fitting curve between the ignition temperature of mixed coal 组混煤当印尼烟煤的比例为30.27%时燃烧效果 and the proportion of Indonesian coal for Group 3 最佳 对式(1)求一阶导数，得到曲线切线的斜率随 同样方法，对第1、2和4组数据计算，得拟合公 印尼煤配比的变化方程，其物理意义为混煤着火点 式，见图4.解得第1、2和4组印尼煤最佳比例分别 降低的速率（切线斜率的绝对值）.由图可明显看 为29.38%、30.48%和27.87%. 出，随着印尼煤比例的增大，曲线切线斜率逐渐变大 T1=2547-216.97x+6.92x2-0.0733x3, (负值，绝对值变小)，在区间25,35]内达到最大值 T2=1352-97.562x+3.12x2-0.0333x3, 时，混煤着火点降低速率最小，此时即可认为增大印 T4=2491-216.6x+7.06x2-0.076x3 390 390 390r 380(a) b) 370 380 380 370 360 370 350 360 350 340 360 330 340 350 330 340 320 310 290 300 28 320 152025303540 52025303540 2905202530350 印尼烟煤比例% 印尼烟煤比例% 印尼闲煤比例% 图4混煤若火点与印尼煤比例拟合曲线.(a)第1组：(b)第2组：()第4组 Fig.4 Fitting curves between the ignition temperature of mixed coal and the proportion of Indonesian coal:(a)Group 1:(b)Group 2:(c)Group 4 3.3计算结果验证 一般情况下，企业配煤设备的计量精度不高，不 静态燃烧性实验通过测定不同煤种在缓慢升温 可能严格按照计算出的烟煤比例进行配煤，通常取 过程中于若干特定温度点的燃烧率，表征各种煤的 尾数为5或0的整数值.因此将第1组的六个配方 燃烧性能 煤粉在差热天平中进行静态燃烧性实验.该实验的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 表 3 第 3 组实验数据 Table 3 Experimental data of Group 3 i xi yi x2 i x3 i x4 i x5 i x6 i xi yi x2 i yi x3 i yi 0 20 382 400 8 000 160 000 3 200 000 64 000 000 7 640 152 800 3 056 000 1 25 340 625 15 625 390 625 9 765 625 244 140 625 8 500 212 500 5 312 500 2 30 332 900 27 000 810 000 24 300 000 729 000 000 9 960 298 800 8 964 000 3 35 329 1 225 42 875 1 500 625 52 521 875 1 838 265 625 11 515 403 025 14 105 875 ∑ 110 1 383 3 150 93 500 2 861 250 89 787 500 2 875 406 250 37 615 1 067 125 31 438 375 故拟合多项式为 T3 = 1 470 － 110. 53x + 3. 58x 2 － 0. 038 7x 3 ． ( 1) 残差 R2 = 1，说明拟合精度很好，符合要求，见 图 3． 图 3 第 3 组混煤着火点与印尼煤比例拟合曲线 Fig． 3 Fitting curve between the ignition temperature of mixed coal and the proportion of Indonesian coal for Group 3 对式( 1) 求一阶导数，得到曲线切线的斜率随 印尼煤配比的变化方程，其物理意义为混煤着火点 降低的速率( 切线斜率的绝对值) ． 由图可明显看 出，随着印尼煤比例的增大，曲线切线斜率逐渐变大 ( 负值，绝对值变小) ，在区间［25，35］内达到最大值 时，混煤着火点降低速率最小，此时即可认为增大印 尼煤对改善混煤燃烧的效果已不明显，此时的比例 为最佳． T' 3 = － 110. 53 + 7. 16x － 0. 116 1x 2 ． ( 2) 可解得，当 x = 30. 835 时，T' 3max = – 0. 139 0． 习惯上，用斜率与 X 轴负向所成角度 α 来描述 更为直观， α = － arctanT' 3 = 7. 9°． 理论上，α 角取到最小值时，可保证燃烧效果最 佳，但通过大量实验的经验看，α 角往往不需要取到 最小值，混煤燃烧性就可以达到满意的效果． 因此 一般以 α = 10°计算最佳配比更为合理，即 T' 3 = － tanα = － tan10° = － 0. 176 3． 代入式( 2) 求解，取较小解，得 x = 30. 268． 对于该 组混煤当印尼烟煤的比例为 30. 27% 时燃烧效果 最佳． 同样方法，对第 1、2 和 4 组数据计算，得拟合公 式，见图 4． 解得第 1、2 和 4 组印尼煤最佳比例分别 为 29. 38% 、30. 48% 和 27. 87% ． T1 = 2 547 － 216. 97x + 6. 92x 2 － 0. 073 3x 3 ， T2 = 1 352 － 97. 562x + 3. 12x 2 － 0. 033 3x 3 ， T4 = 2 491 － 216. 6x + 7. 06x 2 － 0. 076x 3 ． 图 4 混煤着火点与印尼煤比例拟合曲线 . ( a) 第 1 组; ( b) 第 2 组; ( c) 第 4 组 Fig． 4 Fitting curves between the ignition temperature of mixed coal and the proportion of Indonesian coal: ( a) Group 1; ( b) Group 2; ( c) Group 4 3. 3 计算结果验证 静态燃烧性实验通过测定不同煤种在缓慢升温 过程中于若干特定温度点的燃烧率，表征各种煤的 燃烧性能． 一般情况下，企业配煤设备的计量精度不高，不 可能严格按照计算出的烟煤比例进行配煤，通常取 尾数为 5 或 0 的整数值． 因此将第 1 组的六个配方 煤粉在差热天平中进行静态燃烧性实验． 该实验的 ·1322·

第11期 段旭琴等：燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 ·1323· 基本原理是，煤粉样品以一定的速度升温，温度变化 燃烧率.本次实验利用热分析测定煤粉燃烧至500 过程中煤粉燃烧产生样品质量变化导致热重曲线下 600、700和800℃时的燃烧率.通过实验得到第1 降.通过分析热重曲线，可以知道煤粉在多少温度 组六个配方煤粉在上述几个温度点的静态燃烧率， 时产生变化，并且根据失重量，可以计算该温度下的 见表4. 表4静态燃烧性实验结果 Table 4 Static combustibility test data 第1组 燃烧率/% 第1组 燃烧率/% 配方 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 配方 500℃ 600℃ 700℃ 800℃ 1 14.02 46.07 99.68 100 4 22.89 58.92 99.75 100 2 17.35 52.37 99.78 100 25.31 63.82 99.78 100 3 18.37 53.25 99.76 100 25.56 63.91 99.82 100 700℃与800℃时各组煤粉均基本燃尽，区分度 比无烟煤要低￥150~200左右：但该煤易自燃，实 不大.从500℃与600℃时的燃烧率数据可明显看 验测得返回火焰长度大于400mm,属于强爆炸性 出印尼烟煤配比为30%时，混煤的燃烧率基本达到 煤，因而在安全方面有一定要求.四个配方均取到 最大且趋于稳定，与计算值29.38%基本一致 印尼煤比例为30%.其挥发分控制为18%~20%， 3.4用作高炉喷吹煤的可行性分析 既满足高炉喷吹的要求，又在安全的范围内.由表5 对选出的四个配方进行高炉喷吹煤的理化性能 看出，新配方在工业分析、硫分、发热量和可燃性方 和工艺性能实验，包括对四个配方煤粉进行工业分 面均与预期相符，可磨性方面原钢厂高炉煤粉是入 析、硫分测定、发热量测定和动态燃烧性测定，然后 炉煤粉，新配方在指标上符合喷吹煤要求.与新余 与钢铁厂6、7和8号高炉入炉喷吹煤粉进行性能对 钢铁二厂目前使用的喷煤配方相比，四个配方各项 比.见表5. 性能均优势明显，尤其燃烧率和挥发分明显提高，整 在我国市场上，印尼煤售价在￥700t1左右，相 体上达到了提高配方喷吹性能的目的 表5性能比较 Table 5 Performance comparison 配方序号 挥发分1% 灰分1% 疏分1% 发热量/(Mkg1) 可磨性，HGI 燃烧率/% 5 17.95 11.56 0.55 30.43 77.6 97.2 11 18.46 11.77 0.56 30.32 78.4 93.3 17 18.68 11.60 0.57 30.44 83.2 93.3 23 20.64 11.81 0.58 30.34 84.0 93.8 钢厂使用配方，6炉 9.39 12.68 0.57 30.03 79.2 84.9 钢厂使用配方，7*炉 10.17 13.65 0.59 29.64 80.0 84.4 钢厂使用配方，8炉 8.56 12.10 0.62 30.94 82.4 87.9 控制目标 18.0020.00 ≤12.00 ≤0.60 ≥30.00 75.0-100.0 100.0 4结论 的比例由30%继续增大，其着火点变化趋于平稳， 燃烧性趋于稳定 (1)对目前常用喷吹煤混煤方法进行了归纳和 (3)根据实验结果，应用本文研究的混煤模型 类比，通过计算配煤的方法提出了以混煤燃烧效果 计算出燃烧效果最佳的印尼烟煤比例.结合成本与 最佳为目标的混煤模型 安全方面的因素，可以较为全面地配出合适高炉喷 (2)基于实验结果，揭示出高挥发分烟煤比例 吹的煤粉. 对混煤着火温度的影响有以下规律：混煤着火点的 (4)经性能结果验证，新配方在工业分析、硫 变化是非线性的，且存在明显变化的临界点.对本 分、发热量、可燃性和可磨性方面均与预期相符，整 次实验中使用的印尼烟煤而言，这一个引起混煤跳 体上达到了提高配方配吹性能的目的.对比新配方 跃性变化的值就在25%和30%之间.当印尼烟煤 与新余钢铁二厂目前使用的喷煤配方，燃烧率和挥

第 11 期 段旭琴等: 燃烧效果最佳的混煤喷吹配比计算方法 基本原理是，煤粉样品以一定的速度升温，温度变化 过程中煤粉燃烧产生样品质量变化导致热重曲线下 降． 通过分析热重曲线，可以知道煤粉在多少温度 时产生变化，并且根据失重量，可以计算该温度下的 燃烧率． 本次实验利用热分析测定煤粉燃烧至 500、 600、700 和 800 ℃ 时的燃烧率． 通过实验得到第 1 组六个配方煤粉在上述几个温度点的静态燃烧率， 见表 4． 表 4 静态燃烧性实验结果 Table 4 Static combustibility test data 第 1 组 配方 燃烧率/% 500 ℃ 600 ℃ 700 ℃ 800 ℃ 1 14. 02 46. 07 99. 68 100 2 17. 35 52. 37 99. 78 100 3 18. 37 53. 25 99. 76 100 第 1 组 配方 燃烧率/% 500 ℃ 600 ℃ 700 ℃ 800 ℃ 4 22. 89 58. 92 99. 75 100 5 25. 31 63. 82 99. 78 100 6 25. 56 63. 91 99. 82 100 700 ℃与 800 ℃时各组煤粉均基本燃尽，区分度 不大． 从 500 ℃与 600 ℃ 时的燃烧率数据可明显看 出印尼烟煤配比为 30% 时，混煤的燃烧率基本达到 最大且趋于稳定，与计算值 29. 38% 基本一致． 3. 4 用作高炉喷吹煤的可行性分析 对选出的四个配方进行高炉喷吹煤的理化性能 和工艺性能实验，包括对四个配方煤粉进行工业分 析、硫分测定、发热量测定和动态燃烧性测定，然后 与钢铁厂 6、7 和 8 号高炉入炉喷吹煤粉进行性能对 比． 见表 5． 在我国市场上，印尼煤售价在 ￥ 700 t " 1 左右，相 比无烟煤要低 ￥ 150 ～ 200 左右; 但该煤易自燃，实 验测得返回火焰长度大于 400 mm，属于强爆炸性 煤，因而在安全方面有一定要求． 四个配方均取到 印尼煤比例为 30% ． 其挥发分控制为 18% ～ 20% ， 既满足高炉喷吹的要求，又在安全的范围内． 由表 5 看出，新配方在工业分析、硫分、发热量和可燃性方 面均与预期相符，可磨性方面原钢厂高炉煤粉是入 炉煤粉，新配方在指标上符合喷吹煤要求． 与新余 钢铁二厂目前使用的喷煤配方相比，四个配方各项 性能均优势明显，尤其燃烧率和挥发分明显提高，整 体上达到了提高配方喷吹性能的目的． 表 5 性能比较 Table 5 Performance comparison 配方序号 挥发分/% 灰分/% 硫分/% 发热量/( MJ·kg － 1 ) 可磨性，HGI 燃烧率/% 5 17. 95 11. 56 0. 55 30. 43 77. 6 97. 2 11 18. 46 11. 77 0. 56 30. 32 78. 4 93. 3 17 18. 68 11. 60 0. 57 30. 44 83. 2 93. 3 23 20. 64 11. 81 0. 58 30. 34 84. 0 93. 8 钢厂使用配方，6# 炉 9. 39 12. 68 0. 57 30. 03 79. 2 84. 9 钢厂使用配方，7# 炉 10. 17 13. 65 0. 59 29. 64 80. 0 84. 4 钢厂使用配方，8# 炉 8. 56 12. 10 0. 62 30. 94 82. 4 87. 9 控制目标 18. 00 ～ 20. 00 ≤12. 00 ≤0. 60 ≥30. 00 75. 0 ～ 100. 0 100. 0 4 结论 ( 1) 对目前常用喷吹煤混煤方法进行了归纳和 类比，通过计算配煤的方法提出了以混煤燃烧效果 最佳为目标的混煤模型． ( 2) 基于实验结果，揭示出高挥发分烟煤比例 对混煤着火温度的影响有以下规律: 混煤着火点的 变化是非线性的，且存在明显变化的临界点． 对本 次实验中使用的印尼烟煤而言，这一个引起混煤跳 跃性变化的值就在 25% 和 30% 之间． 当印尼烟煤 的比例由 30% 继续增大，其着火点变化趋于平稳， 燃烧性趋于稳定． ( 3) 根据实验结果，应用本文研究的混煤模型 计算出燃烧效果最佳的印尼烟煤比例． 结合成本与 安全方面的因素，可以较为全面地配出合适高炉喷 吹的煤粉． ( 4) 经性能结果验证，新配方在工业分析、硫 分、发热量、可燃性和可磨性方面均与预期相符，整 体上达到了提高配方配吹性能的目的． 对比新配方 与新余钢铁二厂目前使用的喷煤配方，燃烧率和挥 ·1323·

·1324· 北京科技大学学报 第34卷 发分明显提高 5]Zeng L D.Study on Combustion Characteristics and Engineering Application of Low Volatile Blended Coals [Dissertation].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2007 参考文献 (曾令大.低挥发分混煤的燃烧特性研究及工程应用[学位论 [1]Yan K H,Zhang JL,Qi C L,et al.Furnace body heat load of 文].武汉：华中科技大学，2007) TISCO 4350 m'blast fumace.J Univ Sci Technol Beijing,2010, [6]Sun Y,Wang C A,Liu J Y,et al.Research progress on blended 32(4):509 coal combustion.Power Syst Eng,2011,27(2):1 (闫魁红，张建良，祁成林，等.太钢4350m3高炉炉体热负荷 (孙云，王长安，刘京燕，等.混煤燃烧技术研究进展电站系 北京科技大学学报，2010,32(4)：509) 统工程，2011,27(2)：1) Wei C.The Optimization of Blended Coal and its Mechanism for [7]Chen W M.Poicer Coal Blending.Beijing:China Coal Industry BF Injection [Dissertation].Shenyang:Northeastern University, Publishing House,1999 2002 (陈文敏.动力配煤.北京：煤炭工业出版社，1999) (魏国.高炉混煤喷吹优化及机理研究[学位论文].沈阳：东 8] General Administration of Quality Supervision,Inspection and 北大学，2002) Quarantine of the People's Republic of China.GB 474-2008 3]Liu G W,Dong P,Han Y F,et al.Experimental study on com- Method for Preparation of Coal Sample.Beijing:China Standards bustion characteristics of coals under enriched-oxygen condition by Pres5,2008 thermo-gravimetrie analysis.Harbin Inst Technol,2011,43(1): (国家质量监督检验检疫总局.GB474一2008煤样的制备方 104 法.北京：中国标准出版社，2008) (刘国伟，董芃，韩亚芬，等.富氧条件下煤燃烧特性的热重分 9]Jiang X X.Chemistry of Coal.Beijing:Coal Industry Press,2007 析实验研究.哈尔滨工业大学学报，2011,43(1)：104) (姜晓霞.煤化学.北京：煤炭工业出版社，2007) 4]Guo J,Zeng H C.Fuzzy optimization of mixed-fuel buming pro- [0]Wang L Y.A Study on Explosie Parameter of Meagredean Coal portion as firing mixed-coal in power plant.Power Syst Eng for BF Injection [Dissertation].Beijing:University of Science 1994,10(1):46 and Technology Beijing,2007 (郭嘉，曾汉才.电厂燃用混煤时掺烧比例的模糊最优化.电 (王丽颗.高炉喷吹贫瘦煤爆炸参数的试验研究[学位论 站系统工程，1994,10(1)：46) 文].北京：北京科技大学，2007)

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