［摘 要］隨著全球?qū)δ苄Ш铜h(huán)保要求的提高，火電廠鍋爐的燃燒優(yōu)化成為提高能效和降低環(huán)境影響的關(guān)鍵技術(shù)。有效的燃燒優(yōu)化不僅可以顯著提高火電廠的經(jīng)濟(jì)效益，還能減少有害氣體的排放，對(duì)抗全球氣候變化。文章旨在通過分析和應(yīng)用物理優(yōu)化技術(shù)、化學(xué)優(yōu)化技術(shù)及先進(jìn)的控制策略，探索如何在實(shí)際操作中提升火電廠鍋爐的燃燒效率和環(huán)境性能。

［關(guān)鍵詞］火電廠；鍋爐燃燒優(yōu)化；物理優(yōu)化技術(shù)；化學(xué)優(yōu)化技術(shù)

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

1 火電廠鍋爐燃燒原理及優(yōu)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(gè)復(fù)雜的化學(xué)和物理過程，涉及燃料在高溫條件下與O2 反應(yīng)產(chǎn)生熱能的化學(xué)反應(yīng)。燃燒的基本化學(xué)反應(yīng)可以表示為燃料（通常是煤）與O2 的反應(yīng)，產(chǎn)生CO2、水蒸氣及大量的熱能。此過程中，燃料的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而通過鍋爐中的傳熱過程傳遞給水，生成蒸汽用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)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(zhì)量、燃燒器的設(shè)計(jì)、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(duì)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(nèi)部的熱流動(dòng)和煙氣的流動(dòng)路徑也是影響燃燒效率的關(guān)鍵因素，優(yōu)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(yōu)化的必要性

通過優(yōu)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(guān)聯(lián)到能源成本的降低，因?yàn)樾试礁?，所需的燃料就越少，從而?jīng)濟(jì)成本也相應(yīng)降低。優(yōu)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(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會(huì)影響公眾健康。通過改進(jìn)燃燒技術(shù)和控制系統(tǒng)，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(yán)格的環(huán)境法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。隨著全球?qū)夂蜃兓瘑栴}的關(guān)注加深，減少CO2 排放成為各行各業(yè)的目標(biāo)，優(yōu)化鍋爐燃燒過程可以顯著降低碳排放，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化貢獻(xiàn)力量。

2 燃燒優(yōu)化技術(shù)

2.1 物理優(yōu)化技術(shù)

在火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化中，物理技術(shù)的應(yīng)用不僅是提高能效和降低環(huán)境影響的重要手段，還是確保設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。物理優(yōu)化技術(shù)主要包括燃燒器設(shè)計(jì)優(yōu)化、燃料粒度調(diào)整及風(fēng)煤比優(yōu)化等方面。

燃燒器是鍋爐的核心組件，其設(shè)計(jì)直接影響到燃燒效率和排放水平。優(yōu)化燃燒器的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面：①燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)調(diào)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(fēng)式的燃燒器設(shè)計(jì)，可以增加燃料與空氣的接觸面積，促進(jìn)更充分的混合和燃燒。②燃燒器的氣流動(dòng)力設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化入口空氣的速度和方向，可以有效控制火焰形狀和長(zhǎng)度，從而優(yōu)化熱傳遞過程。使用低氮燃燒器技術(shù)（如分級(jí)燃燒或燃燒稀釋技術(shù)）能有效降低燃燒過程中NOx 的生成，這是通過調(diào)整燃燒區(qū)內(nèi)O2 的濃度和溫度來實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而控制NOx 的前驅(qū)物質(zhì)的生成速率。

2.2 化學(xué)優(yōu)化技術(shù)

化學(xué)優(yōu)化技術(shù)主要通過引入特定的化學(xué)物質(zhì)來改善燃料的燃燒特性和減少有害氣體排放。這些技術(shù)不僅優(yōu)化了燃燒過程，還有助于達(dá)到更嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。燃燒助劑是通過化學(xué)方式優(yōu)化燃燒的一種方法，通過改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)性質(zhì)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(yīng)活性，促進(jìn)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(gè)活性位點(diǎn)，加速煤中碳和氧的反應(yīng)速率，從而提高熱效率和減少煤炭消耗。同時(shí)，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?nèi)紵^程中的氧化還原環(huán)境，影響NOx 的前體物質(zhì)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(xué)優(yōu)化技術(shù)中的另一重要方面，通過向燃料中添加特定的化學(xué)物質(zhì)（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(shí)與硫磺反應(yīng)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(zhuǎn)化成無害的鹽類來處理排放物，從而減輕對(duì)環(huán)境的影響。除了捕獲硫磺，部分添加劑還能通過促進(jìn)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(jìn)控制策略在燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用

3.1 人工智能在燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用

人工智能，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，在火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化中的應(yīng)用日益增多。這些技術(shù)能夠通過分析歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來預(yù)測(cè)和調(diào)整燃燒參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的燃燒效率和最小的排放。機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)或決策樹）可以根據(jù)鍋爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)燃燒性能的模式，預(yù)測(cè)燃燒過程中的關(guān)鍵變量（如溫度、壓力、煙氣組成等）。實(shí)施這些AI 模型時(shí)，可以利用大量的傳感器數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，確保其可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鍋爐的燃燒狀態(tài)。通過實(shí)時(shí)分析這些數(shù)據(jù)，AI 技術(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整燃料投放率、空氣供給量及燃燒器的配置，優(yōu)化燃燒效率和減少有害氣體的排放。例如，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)煤比，AI 技術(shù)能夠適應(yīng)燃料質(zhì)量的變化，優(yōu)化燃燒過程，降低未燃盡碳的排放。AI 技術(shù)還可以用于故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備性能和燃燒效率的微小變化，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠預(yù)測(cè)設(shè)備的潛在故障，從而在問題成為顯著故障之前進(jìn)行干預(yù)，這不僅可以提高安全性，還能減少因突發(fā)停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在監(jiān)測(cè)與控制中的應(yīng)用

IoT 技術(shù)通過在火電廠中布署成百上千的傳感器和智能設(shè)備，提供了一種全新的方式來監(jiān)控和控制鍋爐的燃燒過程。這些傳感器不斷收集關(guān)于鍋爐操作的數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、濕度、煙氣流速及化學(xué)成分等），然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)。使用IoT 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)高度的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控鍋爐的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整操作參數(shù)，以應(yīng)對(duì)不斷變化的運(yùn)行條件和外部環(huán)境。此外，IoT 技術(shù)可以與AI 分析工具結(jié)合，進(jìn)一步提升燃燒優(yōu)化的智能水平。IoT 技術(shù)還使得能源管理更為高效，通過精確的能耗監(jiān)測(cè)和控制，可以顯著降低能源浪費(fèi)，提高能源利用效率。例如，通過精確調(diào)節(jié)供氣量和燃料量，確保在滿足能量需求的同時(shí)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(hào)機(jī)組的鍋爐排煙余熱回收利用改造是我國火電廠燃燒優(yōu)化技術(shù)中的一個(gè)突出例子，該項(xiàng)目是國內(nèi)首次在燃煤電廠廣泛應(yīng)用煙氣余熱回收技術(shù)，特別是結(jié)合高溫?fù)Q熱器和低溫?fù)Q熱器的系統(tǒng)，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(huán)境影響，展示了燃燒優(yōu)化技術(shù)在提高火電廠經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)方面的巨大潛力。通過該技術(shù)的實(shí)施，1 號(hào)機(jī)組的鍋爐效率得到了顯著提升，節(jié)省了大量的標(biāo)煤，減少了CO2 排放和工藝用水量，鍋爐煙氣余熱利用技術(shù)示意如圖1 所示。

具體來說，該改造項(xiàng)目通過精確控制和優(yōu)化燃燒過程，實(shí)現(xiàn)了每千瓦時(shí)節(jié)煤4.26 g，年節(jié)約標(biāo)煤量達(dá)14 950 t，減少CO2 排放37 000 t，節(jié)水29 萬 t。該案例在國內(nèi)電力行業(yè)中具有劃時(shí)代的意義，不僅因?yàn)槠浼夹g(shù)的創(chuàng)新性，也因?yàn)槠涮峁┝艘粋€(gè)明確的效益評(píng)估模型，可以被其他電廠借鑒和實(shí)施。1 號(hào)機(jī)組的鍋爐采用的是由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，具備高效和環(huán)保的特點(diǎn)，通過在鍋爐尾部煙道中布置高溫?fù)Q熱器和低溫?fù)Q熱器，以及在二次風(fēng)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(gè)系統(tǒng)的能效。

國能（福州）熱電有限公司的改造案例中使用的技術(shù)主要包括高溫?fù)Q熱器和低溫?fù)Q熱器的組合，以及在二次風(fēng)道中設(shè)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(fēng)和汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，從而提高鍋爐效率。高溫?fù)Q熱器主要布置在電除塵器之前，通過對(duì)煙氣中的熱量進(jìn)行吸收，有效降低了煙氣溫度，提升了電除塵器的效率，同時(shí)減輕了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。低溫?fù)Q熱器則安置在增壓風(fēng)機(jī)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(yù)熱器冷端的腐蝕和積灰風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)施過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面臨了多項(xiàng)技術(shù)和操作挑戰(zhàn)，包括在現(xiàn)有設(shè)施中整合新的換熱器系統(tǒng)，確保改造過程不影響電廠的正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

文章綜合探討了火電廠鍋爐燃燒優(yōu)化的多種技術(shù)和方法，展示了通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)能效提升和排放減少的潛力。燃燒優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用不僅可以改善火電廠的運(yùn)行性能，還對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步探索這些技術(shù)的集成應(yīng)用和優(yōu)化，以及如何利用最新的科技進(jìn)展（如人工智能和物聯(lián)網(wǎng)）來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的燃燒控制和管理。通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，朝著更清潔、更高效的能源生產(chǎn)目標(biāo)邁進(jìn)。

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