火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整研究

從現(xiàn)階段的實(shí)際情況來(lái)看，伴隨著環(huán)保政策的日益嚴(yán)格和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，火電廠鍋爐燃燒技術(shù)也在這個(gè)過(guò)程中不斷發(fā)展，已經(jīng)在提高燃燒效率、降低污染物排放方面取得了顯著的成績(jī)，但同時(shí)也存在著燃料多樣化、燃燒過(guò)程復(fù)雜化等挑戰(zhàn)，尚需進(jìn)一步推進(jìn)鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化調(diào)整。因此，為進(jìn)一步提升火電廠經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，推進(jìn)火電廠鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化調(diào)整就成為當(dāng)前亟須解決的重要課題。

一、火電廠鍋爐燃燒基礎(chǔ)理論

（一）鍋爐燃燒的基本原理與過(guò)程

從鍋爐的燃燒過(guò)程來(lái)看，主要指的是一個(gè)涉及物理化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，當(dāng)中主要涉及燃料的破碎、輸送、混合以及與氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)等，通過(guò)上述原理生成熱量并釋放出水蒸氣和各種氣體產(chǎn)物。從鍋爐燃燒的實(shí)際流程來(lái)看，主要包括以下幾個(gè)階段：①著火：燃料處于適當(dāng)?shù)臏囟群统渥愕难鯕鈼l件下完成點(diǎn)燃，然后產(chǎn)生初始火焰。②燃燒：燃料繼續(xù)完成氧化分解，這個(gè)過(guò)程中放出大量熱能，會(huì)逐步生成高溫火焰區(qū)域（動(dòng)力燃燒區(qū)）。③燃盡：沒(méi)有完全燃燒的碳粒會(huì)處于高溫環(huán)境下持續(xù)燃燒，一直持續(xù)到燃燒充分以后（燃盡區(qū)）。

（二）燃料特性對(duì)燃燒效率的影響分析

從火電廠鍋爐燃料特性來(lái)看，包含燃料類型（煤炭、天然氣、生物質(zhì)等）、熱值、含硫量、水分含量、灰分含量、顆粒大小、揮發(fā)等相關(guān)因素，均會(huì)顯著影響鍋爐的燃燒效率和污染物排放情況。

（三）鍋爐燃燒過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題及其影響因素

1.不完善燃燒

因?yàn)榭諝夤?yīng)不足或者燃料與空氣混合不均的因素，使得部分燃料不能徹底轉(zhuǎn)化為熱量，會(huì)導(dǎo)致燃燒效率的顯著降低，這個(gè)過(guò)程中還可能增加CO、CH4等有害氣體的排放。

2.熱效率低下

火電廠鍋爐除了不完全燃燒外，還包括傳熱效率差、排煙損失大等因素，而上述問(wèn)題需要通過(guò)優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)、改善換熱器性能等途徑來(lái)解決。

3.污染物排放超標(biāo)

燃料中硫、氮化合物長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下，會(huì)轉(zhuǎn)化為SO2、NO2等各種污染物，且還會(huì)面臨顆粒物（PM）、重金屬等排放問(wèn)題。上述問(wèn)題的產(chǎn)生，都受到燃料品質(zhì)、燃燒條件、脫硫脫硝設(shè)施運(yùn)行狀況等相關(guān)因素的影響。

4.結(jié)焦和積灰

對(duì)于燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，燃料中的灰分處于高溫作用下非常容易產(chǎn)生硬殼狀物質(zhì)，使得受熱面受到堵塞，導(dǎo)致傳熱效果受到負(fù)面影響，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

二、現(xiàn)有火電廠鍋爐燃燒技術(shù)評(píng)述

（一）主流燃燒技術(shù)

1.分層燃燒技術(shù)

對(duì)于大型煤粉爐來(lái)說(shuō)，分層燃燒是一種能夠有效優(yōu)化燃料燃燒和減少氮氧化物排放的燃燒技術(shù)，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主要是通過(guò)合理布置燃料和空氣的輸入位置以及控制送風(fēng)方式，使得爐膛內(nèi)能夠逐步形成不同的氧濃度區(qū)域，最終形成低氮氧化物生成的燃燒環(huán)境。

2.循環(huán)流化床燃燒技術(shù)（CFBC）

循環(huán)流化床鍋爐主要是燃料顆粒懸浮在由一次風(fēng)驅(qū)動(dòng)的高速氣流中進(jìn)行燃燒，這種技術(shù)能夠使用劣質(zhì)燃料，通過(guò)爐內(nèi)直接添加石灰石等脫硫劑，能夠燃燒后完成脫硫，有效降低了SO2排放。

（二）當(dāng)前火電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題與挑戰(zhàn)

隨著我國(guó)環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，如何進(jìn)一步降低NO2、SO2、PM2.5等污染物排放已經(jīng)成為火電廠節(jié)能減排的重要內(nèi)容。與此同時(shí)，越來(lái)越多清潔能源的推廣應(yīng)用，火電廠需要處理更多種類和品質(zhì)各異的燃料，當(dāng)中的生物質(zhì)燃料、廢棄物衍生燃料等，無(wú)疑對(duì)火電廠鍋爐燃燒系統(tǒng)的靈活性提出了更高的要求。

三、火電廠鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化調(diào)整策略

（一）燃料預(yù)處理與配比優(yōu)化

對(duì)于火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來(lái)說(shuō)，燃料預(yù)處理與配比優(yōu)化是基礎(chǔ)所在。從燃料預(yù)處理來(lái)看，原煤通過(guò)破碎設(shè)備進(jìn)行粉碎處理，能夠達(dá)到鍋爐燃燒的粒度要求。燃料粒度過(guò)大過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致火電廠鍋爐燃燒效率受到影響，粒度過(guò)大可能造成燃燒不充分，粒度過(guò)小則可能導(dǎo)致氣流攜帶能力下降。因此，對(duì)于燃料預(yù)處理，需要充分結(jié)合火電廠鍋爐燃燒需求，科學(xué)合理地粉碎原煤，保障煤粉粒度達(dá)到理想要求，從而有效促進(jìn)煤粉與氧氣接觸，加快燃燒反應(yīng)速度。與此同時(shí)，煤炭如果存在過(guò)高的水分，不僅會(huì)降低單位質(zhì)量燃料的有效熱值，還會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，增加煙氣排放中的水蒸氣含量，從而降低鍋爐的整體熱效率。因此，必須針對(duì)水分偏高的煤炭實(shí)施干燥處理，保障煤炭含水量達(dá)標(biāo)，從而有效提升燃燒效率。

（二）爐內(nèi)空氣分級(jí)供風(fēng)與燃料分散控制技術(shù)

爐內(nèi)空氣分級(jí)供風(fēng)技術(shù)作為低NO2燃燒策略中的核心環(huán)節(jié)，是提升火電廠鍋爐燃燒效率的關(guān)鍵內(nèi)容。從爐內(nèi)空氣分級(jí)供風(fēng)技術(shù)的流程來(lái)看，一次風(fēng)主要是負(fù)責(zé)將煤粉輸送至爐膛，然后在燃料著火區(qū)域提供適量的氧氣，從而有效初始燃燒的穩(wěn)定性。因?yàn)橐淮物L(fēng)區(qū)域氧濃度相對(duì)較低，能夠針對(duì)燃燒初期的溫度進(jìn)行有效地控制，以此來(lái)抑制氮氧化物（NO2）。二次風(fēng)一般選擇設(shè)置在爐膛上部或中部，能夠提供充足的氧氣，用于主燃區(qū)和燃盡區(qū)的有效燃燒。相較于一次風(fēng)來(lái)說(shuō)，二次風(fēng)具有更高的氧氣濃度，能夠有效保障煤粉充分燃燒，同時(shí)防止局部產(chǎn)生過(guò)高的火焰溫度，進(jìn)一步針對(duì)NO2的排放進(jìn)行控制。此外，三次風(fēng)或其他更多級(jí)數(shù)的供風(fēng)系統(tǒng)，一般是應(yīng)用于某些高級(jí)設(shè)計(jì)，能夠更為精準(zhǔn)地控制燃燒與污染物排放。燃料分散控制技術(shù)主要是與空氣分級(jí)相輔相成的重要手段，通過(guò)將煤粉磨細(xì)至更小顆粒，能夠有效增大比表面積，實(shí)現(xiàn)更快更均勻地燃燒目標(biāo)，從而有效減少局部高溫現(xiàn)象。

（三）燃燒器設(shè)計(jì)改進(jìn)與布置優(yōu)化

對(duì)于火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來(lái)說(shuō)，燃燒器設(shè)計(jì)改進(jìn)是提高煤粉爐燃燒性能和環(huán)保指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)?；痣姀S可以選擇W型火焰燃燒器，主要通過(guò)特殊的燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得燃料與空氣在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生W型火焰，W型火焰燃燒器的燃燒方式能夠增加煙氣在火焰區(qū)的停留時(shí)間，促進(jìn)燃燒溫度的降低，特別是在火焰根部區(qū)域，能夠有效抑制氮氧化物的生成，并且W型火焰燃燒器的長(zhǎng)焰面特性增強(qiáng)了混合效果，有效保障了燃燒穩(wěn)定性。火電廠也可以選擇低NO2燃燒器，NO2燃燒器作為一種集合了多種技術(shù)手段的燃燒器，包含分級(jí)供風(fēng)、濃淡燃燒、煙氣再循環(huán)等，能夠有效控制燃燒過(guò)程中的氧濃度分布和溫度分布，使得NO2大幅減少。從NO2燃燒器的分型來(lái)看，一些燃燒器還采用特殊噴嘴設(shè)計(jì)，保障燃料和空氣在進(jìn)入爐膛前就得到充分預(yù)混，能夠保障低溫高效燃燒的有效兼顧。對(duì)于燃燒器布置優(yōu)化來(lái)說(shuō)，則著重于空間布局和方向調(diào)整，需要保障各燃燒器之間的合理間距和角度，讓整個(gè)燃燒過(guò)程更均勻，防止局部高溫現(xiàn)象出現(xiàn)。

（四）先進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)施

具體來(lái)說(shuō)，火電廠可以引進(jìn)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包含氧含量、一氧化碳和二氧化碳濃度、煤粉濃度分布、爐膛溫度場(chǎng)等相關(guān)信息，然后針對(duì)這些信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過(guò)精確測(cè)量和快速反饋，使得工作人員能夠全面了解燃燒狀態(tài)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的不均衡燃燒、局部過(guò)熱或低溫燃燒等各種問(wèn)題。與此同時(shí)，火電廠還可以引進(jìn)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，充分利用先進(jìn)的控制算法和硬件設(shè)施，使得智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠兼顧自動(dòng)化控制、智能化控制，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整燃燒器的供風(fēng)量、燃料供應(yīng)量以及相關(guān)輔助設(shè)備的參數(shù)信息，能夠有效保持最佳的空氣/燃料比（AFR）和穩(wěn)定的爐溫分布，從而有效提高燃燒效率，減少未完全燃燒損失，并針對(duì)氮氧化物和其他污染物的生成進(jìn)行抑制。

（五）潔凈燃燒與污染物減排技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來(lái)說(shuō)，可以積極引入循環(huán)流化床燃燒（CFBC）技術(shù)，通過(guò)將燃料顆粒懸浮在快速流動(dòng)的空氣或氣體介質(zhì)中，然后形成類似沸騰液體狀態(tài)的流態(tài)化床層進(jìn)行充分燃燒，因?yàn)樵摷夹g(shù)具有良好的燃料適應(yīng)性和低溫燃燒特性，可以在整個(gè)燃燒過(guò)程中有效控制硫氧化物排放，同時(shí)也能夠減少氮氧化物生成，并且在燃燒過(guò)程中添加石灰石等脫硫劑，能夠直接實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)脫硫的目標(biāo)。與此同時(shí)，火電廠還可以引入整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）技術(shù)，該技術(shù)將煤或其他固體燃料氣化為合成氣（主要成分為氫氣和一氧化碳），通過(guò)凈化處理以后，送入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠龠M(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)二次發(fā)電，不僅具有理想的能源轉(zhuǎn)換率，同時(shí)能夠顯著降低硫氧化物、粉塵和部分氮氧化物排放。此外，火電廠還可以引入氮氧化物控制技術(shù)，可以采用選擇性非催化還原（SNCR），能夠在不使用催化劑的情況下，保證處于適當(dāng)溫度窗口下向煙氣中噴射氨或尿素等還原劑，促使氮氧化物還原為氮?dú)夂退魵猓罱K實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。也可以采用選擇性催化還原（SCR），相較于SNCR來(lái)說(shuō)，SCR技術(shù)在催化劑的作用下，能夠處于更低的溫度下，高效地將氮氧化物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)夂退魵?，能夠進(jìn)一步提升NO2去除率。火電廠還可以選擇污染物減排設(shè)備，通過(guò)應(yīng)用脫硝裝置，將其安裝于SCR或SNCR系統(tǒng)，能夠把煙氣中的氮氧化物含量降至法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)電除塵器，綜合利用高電壓靜電場(chǎng)捕集煙氣中的粉塵顆粒，本身的效率更高，可以大幅度降低粉塵排放量；火電廠也可以選擇濕法或半干法脫硫設(shè)施，濕法脫硫（如石灰石-石膏法）主要是讓煙氣與吸收劑漿液接觸，針對(duì)硫氧化物進(jìn)行吸收處理；半干法脫硫則使用干燥反應(yīng)條件下的固態(tài)吸收劑，同樣能夠有效地轉(zhuǎn)化SO2，使其成為固態(tài)硫酸鹽產(chǎn)物，最終從煙氣中分離出來(lái)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整是各個(gè)火電廠研究的焦點(diǎn)，對(duì)于提高能源利用效率、減少污染物排放以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)等均具有重要的意義。這就需要我們從火電廠鍋爐燃燒技術(shù)現(xiàn)狀入手，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行全面的分析，然后充分結(jié)合科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，通過(guò)燃料預(yù)處理與配比優(yōu)化、爐內(nèi)空氣分級(jí)供風(fēng)與燃料分散控制技術(shù)、燃燒器設(shè)計(jì)改進(jìn)與布置優(yōu)化、先進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用以及潔凈燃燒與污染物減排技術(shù)的應(yīng)用等多個(gè)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效提升火電廠鍋爐燃燒效率，降低燃燒過(guò)程中的污染物排放。

（作者單位：靖西天桂鋁業(yè)有限公司）