從現(xiàn)階段的實際情況來看,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)也在這個過程中不斷發(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,但同時也存在著燃料多樣化、燃燒過程復(fù)雜化等挑戰(zhàn),尚需進一步推進鍋爐燃燒技術(shù)優(yōu)化調(diào)整。因此,為進一步提升火電廠經(jīng)濟效益與社會效益,推進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程
從鍋爐的燃燒過程來看,主要指的是一個涉及物理化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程,當(dāng)中主要涉及燃料的破碎、輸送、混合以及與氧氣進行氧化還原反應(yīng)等,通過上述原理生成熱量并釋放出水蒸氣和各種氣體產(chǎn)物。從鍋爐燃燒的實際流程來看,主要包括以下幾個階段: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,這個過程中放出大量熱能,會逐步生成高溫火焰區(qū)域(動力燃燒區(qū))。③燃盡:沒有完全燃燒的碳粒會處于高溫環(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)燃料特性對燃燒效率的影響分析
從火電廠鍋爐燃料特性來看,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)鍋爐燃燒過程中常見的問題及其影響因素
1.不完善燃燒
因為空氣供應(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,會導(dǎo)致燃燒效率的顯著降低,這個過程中還可能增加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,而上述問題需要通過優(yōu)化燃燒室設(shè)計、改善換熱器性能等途徑來解決。
3.污染物排放超標(biāo)
燃料中硫、氮化合物長時間處于高溫下,會轉(zhuǎn)化為SO2、NO2等各種污染物,且還會面臨顆粒物(PM)、重金屬等排放問題。上述問題的產(chǎn)生,都受到燃料品質(zhì)、燃燒條件、脫硫脫硝設(shè)施運行狀況等相關(guān)因素的影響。
4.結(jié)焦和積灰
對于燃煤鍋爐來說,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)重的還會導(dǎo)致設(shè)備損壞。
二、現(xiàn)有火電廠鍋爐燃燒技術(shù)評述
(一)主流燃燒技術(shù)
1.分層燃燒技術(shù)
對于大型煤粉爐來說,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),實際運行過程中,主要是通過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)動的高速氣流中進行燃燒,這種技術(shù)能夠使用劣質(zhì)燃料,通過爐內(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)存在的主要問題與挑戰(zhàn)
隨著我國環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格,如何進一步降低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,越來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,無疑對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
對于火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來說,燃料預(yù)處理與配比優(yōu)化是基礎(chǔ)所在。從燃料預(yù)處理來看,原煤通過破碎設(shè)備進行粉碎處理,能夠達到鍋爐燃燒的粒度要求。燃料粒度過大過小都會導(dǎo)致火電廠鍋爐燃燒效率受到影響,粒度過大可能造成燃燒不充分,粒度過小則可能導(dǎo)致氣流攜帶能力下降。因此,對于燃料預(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,保障煤粉粒度達到理想要求,從而有效促進煤粉與氧氣接觸,加快燃燒反應(yīng)速度。與此同時,煤炭如果存在過高的水分,不僅會降低單位質(zhì)量燃料的有效熱值,還會導(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,必須針對水分偏高的煤炭實施干燥處理,保障煤炭含水量達標(biāo),從而有效提升燃燒效率。
(二)爐內(nèi)空氣分級供風(fēng)與燃料分散控制技術(shù)
爐內(nèi)空氣分級供風(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)空氣分級供風(fēng)技術(shù)的流程來看,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。因為一次風(fēng)區(qū)域氧濃度相對較低,能夠針對燃燒初期的溫度進行有效地控制,以此來抑制氮氧化物(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)來說,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,同時防止局部產(chǎn)生過高的火焰溫度,進一步針對NO2的排放進行控制。此外,三次風(fēng)或其他更多級數(shù)的供風(fēng)系統(tǒng),一般是應(yīng)用于某些高級設(shè)計,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)主要是與空氣分級相輔相成的重要手段,通過將煤粉磨細(xì)至更小顆粒,能夠有效增大比表面積,實現(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)計改進與布置優(yōu)化
對于火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來說,燃燒器設(shè)計改進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,主要通過特殊的燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計,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)的停留時間,促進燃燒溫度的降低,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型火焰燃燒器的長焰面特性增強了混合效果,有效保障了燃燒穩(wěn)定性?;痣姀S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,包含分級供風(fēng)、濃淡燃燒、煙氣再循環(huán)等,能夠有效控制燃燒過程中的氧濃度分布和溫度分布,使得NO2大幅減少。從NO2燃燒器的分型來看,一些燃燒器還采用特殊噴嘴設(shè)計,保障燃料和空氣在進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。對于燃燒器布置優(yōu)化來說,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,讓整個燃燒過程更均勻,防止局部高溫現(xiàn)象出現(xiàn)。
(四)先進燃燒控制系統(tǒng)的應(yīng)用與實施
具體來說,火電廠可以引進在線監(jiān)測系統(tǒng),通過系統(tǒng)實時收集鍋爐運行過程中的各類關(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、爐膛溫度場等相關(guān)信息,然后針對這些信息進行動態(tài)分析,通過精確測量和快速反饋,使得工作人員能夠全面了解燃燒狀態(tài),第一時間發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的不均衡燃燒、局部過熱或低溫燃燒等各種問題。與此同時,火電廠還可以引進智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),充分利用先進的控制算法和硬件設(shè)施,使得智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠兼顧自動化控制、智能化控制,通過自動調(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,并針對氮氧化物和其他污染物的生成進行抑制。
(五)潔凈燃燒與污染物減排技術(shù)的應(yīng)用
對火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整來說,可以積極引入循環(huán)流化床燃燒(CFBC)技術(shù),通過將燃料顆粒懸浮在快速流動的空氣或氣體介質(zhì)中,然后形成類似沸騰液體狀態(tài)的流態(tài)化床層進行充分燃燒,因為該技術(shù)具有良好的燃料適應(yīng)性和低溫燃燒特性,可以在整個燃燒過程中有效控制硫氧化物排放,同時也能夠減少氮氧化物生成,并且在燃燒過程中添加石灰石等脫硫劑,能夠直接實現(xiàn)爐內(nèi)脫硫的目標(biāo)。與此同時,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),通過凈化處理以后,送入燃?xì)廨啓C發(fā)電,這個過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠龠M入余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機二次發(fā)電,不僅具有理想的能源轉(zhuǎn)換率,同時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氣和水蒸氣,最終實現(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來說,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)化為無害的氮氣和水蒸氣,能夠進一步提升NO2去除率?;痣姀S還可以選擇污染物減排設(shè)備,通過應(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);通過電除塵器,綜合利用高電壓靜電場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,針對硫氧化物進行吸收處理;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。
四、結(jié)語
綜上所述,火電廠鍋爐燃燒技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整是各個火電廠研究的焦點,對于提高能源利用效率、減少污染物排放以及實現(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,針對現(xiàn)有技術(shù)進行全面的分析,然后充分結(jié)合科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)發(fā)展動態(tài),通過燃料預(yù)處理與配比優(yōu)化、爐內(nèi)空氣分級供風(fēng)與燃料分散控制技術(shù)、燃燒器設(shè)計改進與布置優(yōu)化、先進燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用以及潔凈燃燒與污染物減排技術(shù)的應(yīng)用等多個方面優(yōu)化設(shè)計,從而有效提升火電廠鍋爐燃燒效率,降低燃燒過程中的污染物排放。
(作者單位:靖西天桂鋁業(yè)有限公司)