火電燃煤鍋爐NOx生成機理與燃燒優(yōu)化技術的研究

楊國詩

（淮南師范學院電氣信息工程系，安徽淮南 232038）

火電燃煤鍋爐NOx生成機理與燃燒優(yōu)化技術的研究

楊國詩

（淮南師范學院電氣信息工程系，安徽淮南 232038）

煤燃燒的污染排放是我國主要大氣污染源之一。分析了燃煤鍋爐中NOx生成的機理，介紹了減少NOx生成和排放的工業(yè)技術，在對國內外燃煤鍋爐燃燒優(yōu)化技術研究現狀綜述的基礎上，對前沿現代技術應用于燃燒優(yōu)化控制的發(fā)展趨勢進行了展望。

燃煤鍋爐；燃燒特性；NOx排放；燃燒優(yōu)化；在線測量

1 引言

“十一五”的五年中，我國電力企業(yè)貫徹落實科學發(fā)展觀，取得了輝煌的成就，發(fā)電裝機容量從5億千瓦到9億千瓦[1]。與此同時，火力燃煤發(fā)電產生的氮氧化物(NOx)等污染物排放的問題也日趨突出。據統(tǒng)計，發(fā)電量每增加10×108（kW·h），NOx排放量就增加(2.9-3.8)×104t。大氣中氮氧化物(NOx)中有90%來自于燃燒產物，其中火力發(fā)電廠的排放量約占總量的50%[2]。

NOx毒性大，會破壞臭氧層，會形成光化學煙霧和酸雨等嚴重危害，已越來越受到社會的關注，制約了我國經濟的可持續(xù)發(fā)展。保護環(huán)境、治理污染已經成為我國乃至全球關注的重點。隨著我國電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，NOx排放量和大氣NOx濃度將會快速增加，導致我國大氣污染的性質發(fā)生根本性的變化，大氣氧化性增加，產生一系列城市和區(qū)域環(huán)境問題，對人體健康和生態(tài)環(huán)境構成巨大的威脅[3]。因此，控制火電燃煤鍋爐NOx排放勢在必行，也是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然要求。

2 火電燃煤鍋爐中NOx生成的機理[4]

火電鍋爐煤粉燃燒過程中所產生的氮氧化物NOx)，主要是NO2和NO，其中的NO約占90%以上，而NO2只占5%-9%，N2O的含量則更低。根據煤粉和空氣中各種氮的結合鍵能不同及與氮進行反應的介質成分的不同，火電鍋爐燃煤過程中NOx生成機理分為三種。

2.1 熱力型NOx

熱力型NOx是指燃燒時空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物?？諝庵械腘2和O2在高溫下按Zeldovich機理反應的產物，是一種緩慢的反應過程?；痣婂仩t煤粉燃燒過程中產生的熱力型NOx只占NOx總排放量的20%-30%。

影響熱力型NOx生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和在高溫區(qū)停留時間。其中溫度是影響熱力型NOx基本的重要的和最顯著的因素。因此，降低熱力型NOx的有效措施是降低燃燒溫度水平，避免產生局部高溫，降低氧氣濃度，縮短在高溫區(qū)內的停留時間等。

2.2 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的有機氮化合物在燃燒過程中氧化生成的氮氧化物，其主要在燃料燃燒的初始階段生成。

燃料型NOx的生成機理十分復雜，至今尚未完全掌握。主要原理是在一定的燃燒條件下，燃料中的雜環(huán)氮化物受熱分解，并在脫揮發(fā)過程中大量的氣相燃料氮隨之揮發(fā)而釋放出來，從而被氧化。研究表明：燃料型NOx的形成不僅與煤種的特性、煤的結構、燃料中的氮受熱分解后在揮發(fā)和焦氮中的比例、成分和分布有關，而且與燃燒狀況（包括氧的濃度、燃燒溫度及空氣的混合狀況）相關，氧的濃度越高，燃燒溫度越高，生成量越大；此外，還與煙氣在高溫區(qū)滯留時間有關，滯留時間越長，生成量就越大。

2.3 快速型NOx

快速型NOx是由于燃燒時燃料中碳氫化合物分解生成的CH和C等原子團，與空氣中的N2進行反應生成氰化物，氰化物與火焰中大量的O和OH等原子團反應生成NOx。

由此可見，快速型NOx主要取決于CH原子團的濃度及形成過程、分子反應生成氫化物的速率、氮化物間的相互轉化率等。此類氮氧化物主要在富燃料火焰中生成量比較多。

3 減少NOx生成和排放的工業(yè)技術

為了減少NOx污染，改善環(huán)境狀況，世界上許多國家圍繞NOx排放控制問題采取了一系列國家行動和國際性合作方案。可以通過制定和實施NOx排放標準，對污染源排放較為集中區(qū)域實行總量控制措施等方式，落實降低NOx排放的技術來控制NOx排放。從現在情況來看，各國對燃煤火電廠NOx排放的控制主要是通過逐步提高其排放限制標準，不斷開發(fā)新的減排技術并引進排放權交易等經濟手段進行調節(jié)來實現。另一方面，通過工藝改造和技術革新減少NOx生成，從根本上降低NOx的生成，減少NOx的排放。

3.1 低NOx燃燒器技術[5]

煤粉燃燒器是火電鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關鍵設備。煤粉和燃燒所需的空氣都是通過燃燒器送入爐膛的。燃燒器的性能對煤粉燃燒設備的可用性和經濟性起著主要作用。從NOx生成機理來看，占NOx絕大部分的燃料型NOx是在煤粉著火階段生成的。因此，通過改進燃燒器結構和改變通過燃燒器的風煤比，實現在燃燒器著火區(qū)的燃燒過程中達到空氣分層、燃料分級或煙氣再循環(huán)等效果，從而降低著火區(qū)的溫度和氧濃度，抑制NOx生成，同時保證煤粉著火和燃燒的需要。

低NOx燃燒器有許多種，主要有以一次風濃淡分離為主要特征的WR燃燒器、PM燃燒器和以控制一、二次風混合為特征的同心反切圓燃燒器、W型火焰燃燒器等。其主要目標是控制燃燒溫度以減少熱力型NOx生成和分級燃燒以減少燃料型NOx生成。

3.2 空氣分級燃燒技術[6]

空氣分級燃燒技術是利用一級富燃區(qū)燃料在缺氧條件下燃燒，降低燃燒速度和燃燒溫度，減少熱力型NOx生成，同時減少燃料中釋放的含氮中間物向NOx的轉化，抑制燃料型NOx的生成。而到了燃盡區(qū)，燃料則在富氧條件下燃盡，雖然不可避免地有一部分殘留的氮會氧化成NO，但由于火焰溫度較低，其生成量很少，使得總量降低?？諝夥旨壢紵瓤稍谌紵鲀葘崿F(燃燒器分級)，也可在爐膛內實現（爐內分級）。

空氣分級燃燒技術有二種主要形式，即軸向空氣分級燃燒和徑向空氣分組燃燒。其主要目的是抑制NOx的生成，降低NOx的排放濃度。

3.3 SCR煙氣脫硝技術[7]

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術是一種成熟的商業(yè)性NOx控制處理技術。其主要原理是在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。SCR目前已成為世界上應用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術。SCR技術對火電鍋爐煙氣NOx控制效果十分顯著，占地面積小，易于操作，已經成為我國燃燒電廠控制NOx污染的主要手段之一。如福建漳州后石電廠6×600MW機組、國電銅陵發(fā)電有限公司600MW機組都采用了此技術來降低NOx排放。

4 煤電鍋爐燃燒優(yōu)化技術的運用[8]

節(jié)能環(huán)保、綠色工業(yè)成為當前經濟可持續(xù)發(fā)展的主題。如何在滿足負荷變動的情況下提升火電鍋爐的燃燒效率、減少污染物的排放成為當前火力發(fā)電行業(yè)的一個重要而迫切需要解決的問題。煤電鍋爐的燃燒優(yōu)化技術是保證燃煤鍋爐高效運行、減排NOx等污染物的有效手段，也是熱能自動化工程的一個重要研究方向。

4.1 國外燃燒優(yōu)化技術[9]

國外對優(yōu)化燃燒技術研究較早，主要是將煤電鍋爐NOx等污染物的排放測量與優(yōu)化控制系統(tǒng)相結合，實現了火電燃煤鍋爐的優(yōu)化系統(tǒng)的閉環(huán)控制，取得了大量的實用性成果。美國Pegasus公司的NeuSIGHT燃燒優(yōu)化系統(tǒng)應用人工智能神經網絡技術設計的燃煤電廠燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，它是以提高鍋爐熱效率和降低NO排放為目標的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化。該公司的Power Perfecter系統(tǒng)還增加了模型預測控制技術（MPC），能通過建立多目標的動態(tài)優(yōu)化控制器，動態(tài)調整DCS設定參數與偏置，實現鍋爐燃燒優(yōu)化動態(tài)閉環(huán)控制。美國Ultramax公司開發(fā)的Ultramax先進過程管理系統(tǒng)是將一系列鍋爐燃燒工況的數據作為系統(tǒng)的輸入量，建立鍋爐燃燒特性模型，并經過軟件分析，給運行人員優(yōu)化燃燒的操作指導，并將此納入到自動控制系統(tǒng)中進行優(yōu)化調整。

4.2 國內煤電鍋爐燃燒優(yōu)化技術

我國自改革開放以來，國民經濟得到了飛速發(fā)展，火電工業(yè)作為國民經濟主要的能源，不斷書寫著新的奇跡，與此同時，也面臨著節(jié)能減排的嚴峻形勢。20世紀80年代以來，高校和研究院與企業(yè)結合，運用在線測量技術和人工智能技術研制出一批鍋爐燃燒優(yōu)化指導系統(tǒng)，推動煤電鍋爐燃燒優(yōu)化發(fā)展到一個新的階段。浙江大學開發(fā)了基于Internet/Intranet的火電廠鍋爐低NOx燃燒優(yōu)化指導系統(tǒng)[10]。系統(tǒng)利用人工神經網絡對鍋爐的NOx排放特性、飛灰含碳量特性與鍋爐燃用煤種、鍋爐運行參數之間的函數關系進行學習建模，并用遺傳算法對鍋爐的最佳燃燒工況進行尋優(yōu)，獲得不同煤種下各燃燒參數的最佳設定值，直接指導運行或輸入DCS參與閉環(huán)控制，以實現低NOx高效燃燒的在線控制。東南大學開發(fā)的BCOS—2000/2.0系統(tǒng)采用神經網絡和非線性尋優(yōu)技術，指導鍋爐燃燒調整，并采用模型自修正技術實現鍋爐燃燒長期高效，提高了鍋爐燃燒效率，減少了NOx排放。

5 煤電鍋爐燃燒優(yōu)化技術的展望

2011年是“十二五規(guī)劃”實施的開局之年，節(jié)能減排作為促進科學發(fā)展的重要手段，作為檢驗科學發(fā)展觀是否落實的重要標準之一，充分體現其重要性和緊迫性，這對火電燃煤鍋爐優(yōu)化技術提出了更高的要求。目前，利用智能復合測量技術提高在線測量系統(tǒng)精度、運用人工智能方法和統(tǒng)計學方法進行非線性動態(tài)建模、采用免疫算法和粒子群算法等智能算法實現多元目標優(yōu)化、建立煤電鍋爐燃燒優(yōu)化技術的專家系統(tǒng)、將先進控制策略運用于燃燒優(yōu)化系統(tǒng)以實現閉環(huán)燃燒優(yōu)化控制等方面進行了技術組合和深入研究，與此同時，將現代前沿技術如混沌理論、分形理論、融合估計與融合控制理論等應用到煤電鍋爐燃燒優(yōu)化研究之中，也是其發(fā)展的主要趨勢。

[1]www.cpnn.com.cn中國電力新聞網

[2]孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007

[3]曾漢才.燃燒與污染[M].武漢：華中理工大學出版社，1992

[4]岑可法，姚強，駱仲泱，高翔.燃燒理論與污染控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

[5]周昊.大型電站鍋爐氮氧化物控制與燃燒優(yōu)化中若干關鍵性問題的研究[D].杭州：浙江大學博士論文，2004

[6]成慶剛，李爭起，滕玉強等.低NOx排放燃燒技術及燃燒優(yōu)化的試驗研究[J].鍋爐技術，2005，36（5）

[7]鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術工程實例（第二版）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007

[8]吳碧君，劉曉勤.燃燒過程NOx的控制技術與原理[J].電力環(huán)境保護，2004，20（2）

[9]周海珠，安恩科.電站鍋爐燃燒優(yōu)化技術的發(fā)展趨勢[J].鍋爐技術，2008，39（1）

[10]周昊，朱洪波，岑可法.基于Internet/Intranet的火電廠鍋爐低NOx燃燒優(yōu)化指導系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2003，32（2）

The study in the NOx generation mechanism and combustion optimization technology of utility coal-fired boiler

YANG Guo-shi

The pollution from coal combustion has been one of the main pollution source in China.The article mainly analyzes the NOx generation mechanism and presents the industry techniquesof the reduction in the NOx generation and emission.Based on compiling elaboration to combustion optimization techniques of utility boilers at home and abroad,proposes the trend of raising the precision of the frontier modern techniques applied in combustion optimization control.

coal-fired boiler；combustion characteristics；NOx emission；combustion optimization；online measurement

TK229.6

A

1009-9530（2011）03-0019-03

2010-11-26

安徽省高等學校自然科學研究重點項目（KJ2011A256）

楊國詩（1960-），男，上海人，淮南師范學院電氣信息工程系副教授，碩士，研究方向：火電鍋爐污染物控制與燃燒優(yōu)化控制技術。