鄒少軍

摘 要：文章通過經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型仿真計算燃煤電廠鍋爐燃燒過程中NOx的生成量以及NOx與氧量、二次風(fēng)門開度、燃燒器擺角之間的關(guān)聯(lián)。通過不同的操作得出NOx的數(shù)值并直觀的反應(yīng)鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒情況，以達(dá)到到優(yōu)化燃燒控制方案，從而減少NOx排放的目標(biāo)，既滿足環(huán)保要求，同時又不影響生產(chǎn)，對實際生產(chǎn)產(chǎn)生很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時也是計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到工程中的一次嘗試，以更好的為實際工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：NOx；仿真計算；燃燒優(yōu)化

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）23-0177-02

1 背景概述

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)保持了較快的增長速度，但同時又是以巨大的能源消耗為代價的，由此造成的環(huán)境污染是目前我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要問題。我國是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和第二大能源消費國，電力生產(chǎn)以燃煤為主，火電廠燃煤量占全國煤炭消耗總量50%左右。據(jù)統(tǒng)計，到2007年底，我國火電廠NOx年排放量為838.3萬 t，占全國總排放量的36%，居各行業(yè)第一。2010年火電廠NOx年排放量達(dá)到1 011萬 t，2015年將達(dá)1 150萬 t。按照火電行業(yè)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的要求，2010年削減NOx298萬 t，2015年需要削減480萬 t，減排壓力巨大。

2 燃煤技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長和電力工業(yè)的快速發(fā)展，燃煤產(chǎn)生的NOx污染物與日劇增。燒煤產(chǎn)生的NOx占絕大多數(shù)，而發(fā)電廠燃煤又占較大的比例，因此降低發(fā)電廠排煙中NOx是減輕大氣污染的重要任務(wù)。由于NOx在煤的燃燒產(chǎn)物中生成復(fù)雜，且其對人類乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的危害大，對其排放量的控制已引起全球范圍內(nèi)的普遍重視，絕大多數(shù)國家和地區(qū)都制定了較嚴(yán)格的限制NOx排放的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，中國也于1996年8月開始實施650 mg/m3的排放指標(biāo)規(guī)定。近二、三十年來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技術(shù)。如前蘇聯(lián)的高濃度給粉技術(shù)、日本三菱重工的PM型燃燒器、美國B&W公司的PAX燃燒器和DRB-XCL雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及德國SM公司SM型旋流燃燒器等都處于世界領(lǐng)先地位。這些國外的改造措施大都有一個共同特點，就是更換設(shè)備，投資大，工期長，一定程度上影響了生產(chǎn)。中國近十幾年也開始注重研究適合國情的低NOX控制技術(shù)，各科研院所及高校在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗時，經(jīng)過大量基礎(chǔ)性試驗研究，形成了自己的技術(shù)特色。

燃煤鍋爐產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）給環(huán)境造成了很大的危害，尤其是大型電廠鍋爐。300 MW及其以上機(jī)組的NOX排放量一般在500～1 000 mg/m3左右，具體與煤種、燃燒系統(tǒng)和爐膛結(jié)構(gòu)以及運行參數(shù)等因素有關(guān)，在燃燒貧煤及無煙煤的情況下則偏于上限。國家環(huán)保局最新修訂的《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-96）對于300 MW及以上機(jī)組要求NOX排放量不超過650 mg/m3，并于1996年8月實施。因此需要深入了解大型貧煤鍋爐NOX的排放特性，為控制NOX排放并使之達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)提供改造依據(jù)。國外一些技術(shù)大部分總更改鍋爐結(jié)構(gòu)等設(shè)備來空NOx的排放，這種改造投資大，周期長，如何提供給電廠一套不影響生產(chǎn)、投資少的燃燒優(yōu)化控制方案以降低NOx的排放，是本文的目的。

實際電廠在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：一方面隨著氧量的增加，鍋爐的NOx排放量也在增加，氧量增加到一定程度以后，NOx排放量的增加漸趨平緩。這是因為隨著氧量的增加，爐內(nèi)燃燒區(qū)域的供氧量加強(qiáng)，燃燒強(qiáng)度加強(qiáng)，爐膛火焰溫度升高，熱力型NOx的生成量增大。燃燒區(qū)域氧濃度增加，為燃料中的氮化合物燃燒時的熱分解產(chǎn)物進(jìn)一步氧化成NOx提供了條件，從而使燃料型NOx的生成量也增加，因此總的NOx排放量增加。然而，隨著氧量的進(jìn)一步增大，送入鍋爐的風(fēng)量已經(jīng)過大，造成燃燒區(qū)域的火焰溫度降低，從而使熱力型NOx的生成量減少，因此總的NOx排放量的增加趨勢平緩，若氧量進(jìn)一步增大，NOx的生成量還會有降低的趨勢。另一方面，二次風(fēng)的投入確實能減少NOx的生成量，這是因為在主燃燒區(qū)域，鍋爐氧量相對較低，因此燃燒的火焰溫度也要相對低一些，熱力型NOx和燃料型NOx的生成量都減少；在燃燒器區(qū)域上部送入過量的空氣，有助于燃料燃盡，從實際的生成報表可得出這種配風(fēng)方式飛灰可燃物是最低的，而且不是主燃燒區(qū)域，火焰溫度比較低，即使該區(qū)域氧量比較大，NOx的生成量也不會增大，因此，總的NOx排放量比較低。

3 一氧化氮（NOx）燃燒優(yōu)化控制計算機(jī)仿真

所以當(dāng)鍋爐爐膛內(nèi)的氧量不同時，通過控制不同的爐膛二次風(fēng)擋板開度、燃燒器噴射角度，如果能仿真計算出燃燒后煙氣中所含的NOx含量，同時能通過視頻觀察到爐膛內(nèi)燃燒時火焰強(qiáng)度的情況，一定程度上也能間接反映出鍋爐膛內(nèi)燃燒質(zhì)量的好壞與NOx之間的關(guān)系，能為電廠的現(xiàn)場燃燒優(yōu)化控制提供重要的參考依據(jù)。

3.1 簡化后的NOx含量生成數(shù)學(xué)模型

IF氧量>2.0，并且燃燒器擺角<-10 ？觷，且二次風(fēng)擋板開度>90%時：

NOx含量=（-0.02×氧量）-（0.0001×（燃燒器擺角/100.0）-（0.005×（二次風(fēng)開度/100.0））；

ELSE

NOx含量=（0.06×氧量）-（0.008×（燃燒器擺角/100.0）-（0.015×

（二次風(fēng)開度/100.0））。

3.2 鍋爐燃燒影響產(chǎn)生NOx的三個主要因素

①爐膛燃燒器的擺角。

②爐膛中的含氧量。

③二次風(fēng)門的開度。

實際鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒情況非常復(fù)雜，系統(tǒng)簡化后的數(shù)學(xué)模型考慮起主導(dǎo)作用的三個因素。

培訓(xùn)用仿真機(jī)在火電廠和核電廠中得到廣泛的應(yīng)用，它的開發(fā)和應(yīng)用在保證電廠的安全經(jīng)濟(jì)性上起到了重要作用。國內(nèi)主力機(jī)組均已有相應(yīng)的培訓(xùn)仿真機(jī)，本文充分借鑒了某電廠機(jī)組鍋爐熱力系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的仿真模型。模擬程度是否逼真、是否能準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)運行的關(guān)鍵是數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性。數(shù)學(xué)模型是根據(jù)對研究對象所觀察到的現(xiàn)象及實踐經(jīng)驗，歸結(jié)成的一套反映其內(nèi)部因素數(shù)量關(guān)系的數(shù)學(xué)公式、邏輯準(zhǔn)則和具體算法，用以描述和研究客觀現(xiàn)象的運動規(guī)律。本系統(tǒng)的NOx計算公式是參考了常規(guī)火電廠的仿真算法，由于常規(guī)的仿真算法都是用Fortran算法實現(xiàn)，所以本系統(tǒng)作了相對的簡化處理。在發(fā)電廠鍋爐的煤粉燃燒過程中，NOx的形成途徑主要有兩個：

①有機(jī)地結(jié)合在煤中的氮化物在高溫火焰中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成NOx。

②供燃燒用的空氣中的氮在高溫狀態(tài)與燃燒空氣中的氧發(fā)生化合反應(yīng)而生成NOx。在煤粉鍋爐生成的NOx中，主要是NO，約占95%。NOx的生成量與鍋爐的容量、結(jié)構(gòu)、燃燒設(shè)備、煤種、爐內(nèi)溫度水平和氧量、運行方式等有關(guān)。根據(jù)本課題研究的實際情況，本系統(tǒng)抽取其中三個主要影響NOx生成的參數(shù)進(jìn)行仿真，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的實際運行測試，結(jié)果基本符合現(xiàn)場生產(chǎn)的情況，但是如果要更精確的結(jié)果，還需要細(xì)調(diào)仿真公式，完善數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)運行主界面如圖1所示。

3.3 相關(guān)操作

點擊二次風(fēng)操作按鈕，彈出二級菜單，可以操作改變其開度。

系統(tǒng)計分別計算顯示出NOx的最大、最小、平均值以及一個供參考的經(jīng)濟(jì)性能指數(shù)，如圖2所示。

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