火電廠鍋爐燃燒優化技術研究

［摘 要］隨著全球對能效和環保要求的提高，火電廠鍋爐的燃燒優化成為提高能效和降低環境影響的關鍵技術。有效的燃燒優化不僅可以顯著提高火電廠的經濟效益，還能減少有害氣體的排放，對抗全球氣候變化。文章旨在通過分析和應用物理優化技術、化學優化技術及先進的控制策略，探索如何在實際操作中提升火電廠鍋爐的燃燒效率和環境性能。

［關鍵詞］火電廠；鍋爐燃燒優化；物理優化技術；化學優化技術

［中圖分類號］TM621.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0098–03

1 火電廠鍋爐燃燒原理及優化必要性

1.1 火電廠鍋爐燃燒基本原理

火電廠中的鍋爐燃燒是一個復雜的化學和物理過程，涉及燃料在高溫條件下與O2 反應產生熱能的化學反應。燃燒的基本化學反應可以表示為燃料（通常是煤）與O2 的反應，產生CO2、水蒸氣及大量的熱能。此過程中，燃料的化學能被轉化為熱能，進而通過鍋爐中的傳熱過程傳遞給水，生成蒸汽用于驅動渦輪機產生電能。燃燒過程的效率受多種因素影響，如燃料的類型和質量、燃燒器的設計、燃燒空氣的供給量及其與燃料的混合效率。燃料的粒度和均勻性也對燃燒效率有顯著影響，較小和均勻的燃料粒度有助于更完全的燃燒，減少未燃燒燃料的排放。鍋爐內部的熱流動和煙氣的流動路徑也是影響燃燒效率的關鍵因素，優化這些過程能顯著提高燃燒效率，降低燃料消耗和排放。

1.2 火電廠燃燒優化的必要性

通過優化燃燒過程，可以提高燃料的熱效率，即從每單位燃料中獲得更多的能量，這直接關聯到能源成本的降低，因為效率越高，所需的燃料就越少，從而經濟成本也相應降低。優化燃燒還可以減少有害氣體的排放，如SO2、NOx 及顆粒物等，這些氣體和顆粒物不僅對環境造成嚴重污染，還會影響公眾健康。通過改進燃燒技術和控制系統，可以在源頭上減少這些污染物的生成，幫助火電廠符合越來越嚴格的環境法規標準。隨著全球對氣候變化問題的關注加深，減少CO2 排放成為各行各業的目標，優化鍋爐燃燒過程可以顯著降低碳排放，為應對全球氣候變化貢獻力量。

2 燃燒優化技術

2.1 物理優化技術

在火電廠鍋爐燃燒優化中，物理技術的應用不僅是提高能效和降低環境影響的重要手段，還是確保設備長期穩定運行的基礎。物理優化技術主要包括燃燒器設計優化、燃料粒度調整及風煤比優化等方面。

燃燒器是鍋爐的核心組件，其設計直接影響到燃燒效率和排放水平。優化燃燒器的設計涉及多個方面：①燃燒器的幾何結構調整。這包括燃燒器的形狀、大小及空氣噴口的布局，這些因素共同決定了燃料與空氣的混合程度，影響燃燒的完整性和熱效率。例如，通過采用螺旋或旋風式的燃燒器設計，可以增加燃料與空氣的接觸面積，促進更充分的混合和燃燒。②燃燒器的氣流動力設計。通過優化入口空氣的速度和方向，可以有效控制火焰形狀和長度，從而優化熱傳遞過程。使用低氮燃燒器技術（如分級燃燒或燃燒稀釋技術）能有效降低燃燒過程中NOx 的生成，這是通過調整燃燒區內O2 的濃度和溫度來實現的，進而控制NOx 的前驅物質的生成速率。

2.2 化學優化技術

化學優化技術主要通過引入特定的化學物質來改善燃料的燃燒特性和減少有害氣體排放。這些技術不僅優化了燃燒過程，還有助于達到更嚴格的環境保護標準。燃燒助劑是通過化學方式優化燃燒的一種方法，通過改變燃料的化學性質來提高其燃燒效率和減少排放物的生成。例如，鐵基催化劑的使用可以顯著提高煤的反應活性，促進更完全的燃燒，并減少未燃盡的炭殘留。這類催化劑通過提供一個活性位點，加速煤中碳和氧的反應速率，從而提高熱效率和減少煤炭消耗。同時，鐵基催化劑還有助于降低燃燒過程中NOx的生成，其通過改變燃燒過程中的氧化還原環境，影響NOx 的前體物質的生成路徑，從而在源頭上減少這些有害氣體的排放。

燃料添加劑的使用是化學優化技術中的另一重要方面，通過向燃料中添加特定的化學物質（如碳酸鈣），可以在燃燒過程中捕獲硫磺，有效減少SO2 的排放。碳酸鈣在高溫下分解，釋放出CO2 的同時與硫磺反應生成硫酸鈣，這一過程不僅幫助減少了SO2 的排放，還能夠通過轉化成無害的鹽類來處理排放物，從而減輕對環境的影響。除了捕獲硫磺，部分添加劑還能通過促進更完全的燃燒來減少煙塵和其他固體顆粒物的排放，例如，添加氯化銨可以在燃燒過程中生成NH3，這有助于中和酸性氣體和減少顆粒物的形成。

3 先進控制策略在燃燒優化中的應用

3.1 人工智能在燃燒優化中的應用

人工智能，特別是機器學習技術，在火電廠鍋爐燃燒優化中的應用日益增多。這些技術能夠通過分析歷史數據和實時數據來預測和調整燃燒參數，以實現最佳的燃燒效率和最小的排放。機器學習模型（如神經網絡、支持向量機或決策樹）可以根據鍋爐的運行數據學習燃燒性能的模式，預測燃燒過程中的關鍵變量（如溫度、壓力、煙氣組成等）。實施這些AI 模型時，可以利用大量的傳感器數據來訓練模型，確保其可以準確預測鍋爐的燃燒狀態。通過實時分析這些數據，AI 技術可以實時調整燃料投放率、空氣供給量及燃燒器的配置，優化燃燒效率和減少有害氣體的排放。例如，通過動態調整風煤比，AI 技術能夠適應燃料質量的變化，優化燃燒過程，降低未燃盡碳的排放。AI 技術還可以用于故障診斷和預測維護。通過監測設備性能和燃燒效率的微小變化，機器學習模型能夠預測設備的潛在故障，從而在問題成為顯著故障之前進行干預，這不僅可以提高安全性，還能減少因突發停機造成的經濟損失。

3.2 物聯網（IoT）在監測與控制中的應用

IoT 技術通過在火電廠中布署成百上千的傳感器和智能設備，提供了一種全新的方式來監控和控制鍋爐的燃燒過程。這些傳感器不斷收集關于鍋爐操作的數據（如溫度、壓力、濕度、煙氣流速及化學成分等），然后將數據傳輸到中央控制系統。使用IoT 技術的優勢在于能夠實現高度的自動化和遠程監控能力。通過實時數據分析，可以遠程監控鍋爐的運行狀況，實時調整操作參數，以應對不斷變化的運行條件和外部環境。此外，IoT 技術可以與AI 分析工具結合，進一步提升燃燒優化的智能水平。IoT 技術還使得能源管理更為高效，通過精確的能耗監測和控制，可以顯著降低能源浪費，提高能源利用效率。例如，通過精確調節供氣量和燃料量，確保在滿足能量需求的同時最小化過量的燃燒和熱能損失。

4 案例研究

國能（福州）熱電有限公司1 號機組的鍋爐排煙余熱回收利用改造是我國火電廠燃燒優化技術中的一個突出例子，該項目是國內首次在燃煤電廠廣泛應用煙氣余熱回收技術，特別是結合高溫換熱器和低溫換熱器的系統，此改造不僅提升了能源利用效率，還顯著降低了碳排放和其他環境影響，展示了燃燒優化技術在提高火電廠經濟效益和環境保護方面的巨大潛力。通過該技術的實施，1 號機組的鍋爐效率得到了顯著提升，節省了大量的標煤，減少了CO2 排放和工藝用水量，鍋爐煙氣余熱利用技術示意如圖1 所示。

具體來說，該改造項目通過精確控制和優化燃燒過程，實現了每千瓦時節煤4.26 g，年節約標煤量達14 950 t，減少CO2 排放37 000 t，節水29 萬 t。該案例在國內電力行業中具有劃時代的意義，不僅因為其技術的創新性，也因為其提供了一個明確的效益評估模型，可以被其他電廠借鑒和實施。1 號機組的鍋爐采用的是由哈爾濱鍋爐有限責任公司引進三井巴布科克能源公司技術生產的超臨界參數變壓運行直流鍋爐，具備高效和環保的特點，通過在鍋爐尾部煙道中布置高溫換熱器和低溫換熱器，以及在二次風道中布置空氣加熱器，該方案有效地回收了煙氣中的余熱，提高了整個系統的能效。

國能（福州）熱電有限公司的改造案例中使用的技術主要包括高溫換熱器和低溫換熱器的組合，以及在二次風道中設置的空氣加熱器。這種配置能夠有效回收煙氣中的余熱，用于加熱冷二次風和汽機回熱系統，從而提高鍋爐效率。高溫換熱器主要布置在電除塵器之前，通過對煙氣中的熱量進行吸收，有效降低了煙氣溫度，提升了電除塵器的效率，同時減輕了風機的負荷，延長了設備的使用壽命。低溫換熱器則安置在增壓風機和脫硫吸收塔之間，通過回收低品位的煙氣熱量，減輕了空氣預熱器冷端的腐蝕和積灰風險。實施過程中，項目團隊面臨了多項技術和操作挑戰，包括在現有設施中整合新的換熱器系統，確保改造過程不影響電廠的正常運行。

5 結束語

文章綜合探討了火電廠鍋爐燃燒優化的多種技術和方法，展示了通過這些技術實現能效提升和排放減少的潛力。燃燒優化技術的應用不僅可以改善火電廠的運行性能，還對環境保護具有重要意義。未來的研究應進一步探索這些技術的集成應用和優化，以及如何利用最新的科技進展（如人工智能和物聯網）來實現更高級的燃燒控制和管理。通過持續的技術創新和應用，朝著更清潔、更高效的能源生產目標邁進。

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