锅炉燃烧优化：减少污染物排放的新策略

锅炉燃烧优化：减少污染物排放的新策略

冯坤

陕西清水川能源股份有限公司    陕西榆林    719400 

摘要:

随着环境保护要求的不断提高,降低火电锅炉污染物排放已成为迫在眉睫的重大课题。锅炉燃烧优化技术通过调节燃烧参数,优化炉内温度场、流场等燃烧环境,可从根源上抑制烟尘、NOx等主要污染物的生成,是一种行之有效的新型减排策略。文章首先阐述了燃烧污染物生成机理及燃烧优化的减排作用原理。其次,重点介绍了低NOx燃烧、低烟尘燃烧和智能燃烧控制系统等主要技术路线。再次,评述了几个典型的锅炉改造案例,证实了燃烧优化技术的显著减排效果。最后指出,随着相关理论与技术的不断完善,锅炉燃烧优化必将为环境保护事业做出更大贡献。

关键词:火电锅炉、燃烧优化、低NOx燃烧、低烟尘燃烧、智能控制、减排

一、引言

近年来,大气环境质量问题日益受到高度重视。火电锅炉在燃烧过程中排放的污染物,尤其是烟尘、二氧化硫、氮氧化物等,对大气环境造成了严重污染。因此,降低火电锅炉排放,减少污染物排放已成为迫在眉睫的重大课题。锅炉燃烧优化控制技术通过调节燃烧系统的各项参数,优化燃烧过程,可显著降低污染物生成,是一种行之有效的新型减排策略。

二、锅炉燃烧优化的原理及意义

2.1 燃烧污染物生成机理

锅炉燃烧过程中主要产生三类污染物:烟尘(颗粒物)、SO2和NOx。其中,烟尘来源于未完全燃烧的炭烧残渣;SO2由燃料中的硫分直接氧化生成;NOx的生成则与高温下空气中的氮气发生反应有关。这三类污染物的产生均与燃烧温度、空气比、驻留时间等参数密切相关。

2.2 燃烧优化的减排作用

针对不同污染物的生成机理,通过优化控制相应的燃烧参数,可大幅减少其产生量。例如,降低燃烧峰值温度、增大过剩空气系数可抑制NOx的形成;采取分段燃烧、旋流燃烧等措施,降低燃烧温度、增大驻留时间可促进碳颗粒的进一步氧化,降低烟尘排放。由此可见,充分发挥燃烧优化调控作用,对于控制各类污染物的排放具有重要意义。

三、锅炉燃烧优化的主要技术

3.1 低NOx燃烧技术

控制氮氧化物(NOx)排放是锅炉燃烧优化的重中之重。NOx主要通过燃料中氮的氧化和高温下空气中氮的氧化两条途径生成,而后者占主导地位。因此,减少NOx产生的关键在于抑制高温窑气区域的形成。

低NOx燃烧技术正是通过合理的燃烧器和炉膛设计,实现燃料和空气的分区、分级供给,避免出现局部高温区。其中,广泛应用的代表性技术包括:

低NOx燃烧器:通过深度风火直接接触预混燃烧、再循环燃烧等方式,使燃料与空气充分混合,避免产生高温富氧区,是减少NOx的关键措施。

OFA(Over Fire Air)技术:在炉膛上部注入部分过剩空气,起到降温减少NOx生成的作用。同时补充燃烧所需的剩余空气量。

再循环燃烧室:将部分炉排烟气重新注入炉内,形成内部再循环流场。一方面降低富氧区温度,另一方面延长燃料驻留时间,促进更彻底燃烧。

通过上述技术组合应用,锅炉尾气NOx排放可控制在100~200mg/Nm3的低水平,有效减轻对大气环境的污染负荷。

3.2 低烟尘燃烧技术

除NOx外,颗粒物(烟尘)也是火电锅炉排放的另一大类污染物。烟尘主要来源于未完全燃烧的炭烧残渣,因此提高燃烧效率、延长颗粒物驻留时间是降低排放的根本。

实现上述目标的有效手段包括:

旋流燃烧技术:通过切向入风形成强湍流旋转燃烧环境,增大了火焰浴流强度,提升了炭烧残渣的燃尽程度。

固体颗粒再循环技术:将部分出口烟气中未燃烧的固体颗粒重新输送至炉内,延长其驻留时间,促进进一步燃烧。

优化空气分配:合理分配各级风量、空气比等参数,避免出现富氧高温区,防止未燃烧完全的炭烧残渣进入该区而生成新的烟尘。

组合除尘工艺:在优化燃烧的基础上,进一步采用袋式除尘、静电除尘等高效除尘装置,捕集残余烟尘颗粒。

通过上述多种技术途径的综合运用,现役火电锅炉烟尘排放已普遍控制在10mg/Nm3以下的低水平。

3.3 智能燃烧控制系统

燃烧优化调控涉及炉膛温度场、空燃比、流场分布等多个相互影响的复杂参数,需要高度集成的智能控制系统来实现自动化调节和优化运行。

该系统基于人工智能、大数据等先进理论,集成了以下关键功能模块:

建模模块:通过机器学习算法,建立锅炉内部燃烧状态的数学模型,精确预测NOx、烟尘等污染物浓度。

优化控制模块:运用模糊逻辑、神经网络、遗传算法等智能算法,确定各项运行参数的最优组合,实现自动化燃烧优化。

实时监测模块:与锅炉烟气在线监测系统对接,实时采集各类污染物排放数据,为控制策略调整提供依据。

人机交互模块:可视化界面,直观显示锅炉运行状态,方便操作人员掌握系统运行情况。

上述模块的融合应用,使燃烧控制不再完全依赖经验值,而是基于先进算法的自动化调节,全面优化锅炉燃烧性能,实现精准控制和最佳运行,从而达到最大限度降低污染物排放的目标。

四、锅炉燃烧优化实践及效果评价

锅炉燃烧优化技术在实践中已取得了显著的减排效果,对于提升火电厂的环保水平具有重要意义。以下举例介绍几个典型案例:

4.1 600MW机组低NOx燃烧改造

某600MW超超临界机组原采用传统的分直流燃烧方式,由于局部存在高温区,尾气NOx排放浓度高达650mg/Nm3,严重超出排放标准。为此,对该机组实施了低NOx分级燃烧技术改造。

改造的关键措施包括:在炉膛下部增设多级二次风分级风箱,实现空气分级分区供给;同时对燃烧器进行优化布置,使燃料与空气在入炉前充分预混,避免富氧区形成。

改造后,机组整个燃烧区域无明显高温峰值,温度分布更加均匀。经过多次调试优化,NOx排放浓度最终控制在145mg/Nm3的低水平,较改造前降低了77.7%,减排效果十分显著。

4.2 300MW机组低烟尘改造

某300MW机组长期烟尘排放超标,排放浓度高达100mg/Nm3左右。经分析发现,主要原因在于未燃烧完全的炭烧残渣过多进入高温还原区,导致新生烟尘产生。

为解决这一问题,对该机组炉膛进行了流场优化改造。首先加装四级固体颗粒再循环系统,将出口烟气中未燃烧尽的颗粒物重新输回炉内延长驻留时间;同时优化各级风量分配,避免高温还原区形成,确保烟尘得到充分氧化。

改造后,烟尘排放浓度大幅降低至24.5mg/Nm3,降幅达75.5%,减排效果显著。该机组成为当地最先达到特别排放限值的火电机组。

4.3 智能燃烧控制系统应用

燃烧优化调控涉及众多相互影响的参数,传统人工经验调节方式已难以实现最优化。某电厂针对这一痛点,开发应用了新一代智能燃烧控制系统。

该系统基于大数据、人工智能等先进理论,集成了NOx与烟尘浓度模型、自动优化控制等多项智能功能模块。可实时诊断锅炉运行状态,自动调节空燃比、风量分配等关键参数,确保最佳燃烧性能。

系统投运后,机组NOx和烟尘排放分别较原水平降低21%和23%,燃料消耗也节约了3%以上,实现了显著的环保和经济双重效益。

上述案例充分证明,通过合理的燃烧优化技术改造及先进控制手段的应用,火电锅炉的污染物排放完全可以得到有效控制,实现节能减排的既定目标,为推动行业绿色可持续发展发挥重要作用。

五、结语

锅炉燃烧优化技术通过精准控制燃烧参数,调节炉内温度场、流场等燃烧环境,从根源上抑制了烟尘、NOx等主要污染物的生成。同时,智能燃烧控制系统的应用,进一步提高了锅炉的稳定性和燃烧效率,实现了节能减排的双重目标。可以预见,随着相关理论和技术的不断完善,锅炉燃烧优化将成为火电行业有效降低污染物排放的重要策略,必将为环境保护事业做出更大贡献。

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