火电燃煤锅炉NOx生成机理与燃烧优化技术的研究

杨国诗

（淮南师范学院电气信息工程系，安徽淮南 232038）

火电燃煤锅炉NOx生成机理与燃烧优化技术的研究

杨国诗

（淮南师范学院电气信息工程系，安徽淮南 232038）

煤燃烧的污染排放是我国主要大气污染源之一。分析了燃煤锅炉中NOx生成的机理，介绍了减少NOx生成和排放的工业技术，在对国内外燃煤锅炉燃烧优化技术研究现状综述的基础上，对前沿现代技术应用于燃烧优化控制的发展趋势进行了展望。

燃煤锅炉；燃烧特性；NOx排放；燃烧优化；在线测量

1 引言

“十一五”的五年中，我国电力企业贯彻落实科学发展观，取得了辉煌的成就，发电装机容量从5亿千瓦到9亿千瓦[1]。与此同时，火力燃煤发电产生的氮氧化物(NOx)等污染物排放的问题也日趋突出。据统计，发电量每增加10×108（kW·h），NOx排放量就增加(2.9-3.8)×104t。大气中氮氧化物(NOx)中有90%来自于燃烧产物，其中火力发电厂的排放量约占总量的50%[2]。

NOx毒性大，会破坏臭氧层，会形成光化学烟雾和酸雨等严重危害，已越来越受到社会的关注，制约了我国经济的可持续发展。保护环境、治理污染已经成为我国乃至全球关注的重点。随着我国电力工业的迅猛发展，NOx排放量和大气NOx浓度将会快速增加，导致我国大气污染的性质发生根本性的变化，大气氧化性增加，产生一系列城市和区域环境问题，对人体健康和生态环境构成巨大的威胁[3]。因此，控制火电燃煤锅炉NOx排放势在必行，也是建设资源节约型、环境友好型社会的必然要求。

2 火电燃煤锅炉中NOx生成的机理[4]

火电锅炉煤粉燃烧过程中所产生的氮氧化物NOx)，主要是NO2和NO，其中的NO约占90%以上，而NO2只占5%-9%，N2O的含量则更低。根据煤粉和空气中各种氮的结合键能不同及与氮进行反应的介质成分的不同，火电锅炉燃煤过程中NOx生成机理分为三种。

2.1 热力型NOx

热力型NOx是指燃烧时空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。空气中的N2和O2在高温下按Zeldovich机理反应的产物，是一种缓慢的反应过程。火电锅炉煤粉燃烧过程中产生的热力型NOx只占NOx总排放量的20%-30%。

影响热力型NOx生成量的主要因素是温度、氧气浓度和在高温区停留时间。其中温度是影响热力型NOx基本的重要的和最显著的因素。因此，降低热力型NOx的有效措施是降低燃烧温度水平，避免产生局部高温，降低氧气浓度，缩短在高温区内的停留时间等。

2.2 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物，其主要在燃料燃烧的初始阶段生成。

燃料型NOx的生成机理十分复杂，至今尚未完全掌握。主要原理是在一定的燃烧条件下，燃料中的杂环氮化物受热分解，并在脱挥发过程中大量的气相燃料氮随之挥发而释放出来，从而被氧化。研究表明：燃料型NOx的形成不仅与煤种的特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发和焦氮中的比例、成分和分布有关，而且与燃烧状况（包括氧的浓度、燃烧温度及空气的混合状况）相关，氧的浓度越高，燃烧温度越高，生成量越大；此外，还与烟气在高温区滞留时间有关，滞留时间越长，生成量就越大。

2.3 快速型NOx

快速型NOx是由于燃烧时燃料中碳氢化合物分解生成的CH和C等原子团，与空气中的N2进行反应生成氰化物，氰化物与火焰中大量的O和OH等原子团反应生成NOx。

由此可见，快速型NOx主要取决于CH原子团的浓度及形成过程、分子反应生成氢化物的速率、氮化物间的相互转化率等。此类氮氧化物主要在富燃料火焰中生成量比较多。

3 减少NOx生成和排放的工业技术

为了减少NOx污染，改善环境状况，世界上许多国家围绕NOx排放控制问题采取了一系列国家行动和国际性合作方案。可以通过制定和实施NOx排放标准，对污染源排放较为集中区域实行总量控制措施等方式，落实降低NOx排放的技术来控制NOx排放。从现在情况来看，各国对燃煤火电厂NOx排放的控制主要是通过逐步提高其排放限制标准，不断开发新的减排技术并引进排放权交易等经济手段进行调节来实现。另一方面，通过工艺改造和技术革新减少NOx生成，从根本上降低NOx的生成，减少NOx的排放。

3.1 低NOx燃烧器技术[5]

煤粉燃烧器是火电锅炉燃烧系统中的关键设备。煤粉和燃烧所需的空气都是通过燃烧器送入炉膛的。燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可用性和经济性起着主要作用。从NOx生成机理来看，占NOx绝大部分的燃料型NOx是在煤粉着火阶段生成的。因此，通过改进燃烧器结构和改变通过燃烧器的风煤比，实现在燃烧器着火区的燃烧过程中达到空气分层、燃料分级或烟气再循环等效果，从而降低着火区的温度和氧浓度，抑制NOx生成，同时保证煤粉着火和燃烧的需要。

低NOx燃烧器有许多种，主要有以一次风浓淡分离为主要特征的WR燃烧器、PM燃烧器和以控制一、二次风混合为特征的同心反切圆燃烧器、W型火焰燃烧器等。其主要目标是控制燃烧温度以减少热力型NOx生成和分级燃烧以减少燃料型NOx生成。

3.2 空气分级燃烧技术[6]

空气分级燃烧技术是利用一级富燃区燃料在缺氧条件下燃烧，降低燃烧速度和燃烧温度，减少热力型NOx生成，同时减少燃料中释放的含氮中间物向NOx的转化，抑制燃料型NOx的生成。而到了燃尽区，燃料则在富氧条件下燃尽，虽然不可避免地有一部分残留的氮会氧化成NO，但由于火焰温度较低，其生成量很少，使得总量降低。空气分级燃烧既可在燃烧器内实现(燃烧器分级)，也可在炉膛内实现（炉内分级）。

空气分级燃烧技术有二种主要形式，即轴向空气分级燃烧和径向空气分组燃烧。其主要目的是抑制NOx的生成，降低NOx的排放浓度。

3.3 SCR烟气脱硝技术[7]

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术是一种成熟的商业性NOx控制处理技术。其主要原理是在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。SCR目前已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。SCR技术对火电锅炉烟气NOx控制效果十分显著，占地面积小，易于操作，已经成为我国燃烧电厂控制NOx污染的主要手段之一。如福建漳州后石电厂6×600MW机组、国电铜陵发电有限公司600MW机组都采用了此技术来降低NOx排放。

4 煤电锅炉燃烧优化技术的运用[8]

节能环保、绿色工业成为当前经济可持续发展的主题。如何在满足负荷变动的情况下提升火电锅炉的燃烧效率、减少污染物的排放成为当前火力发电行业的一个重要而迫切需要解决的问题。煤电锅炉的燃烧优化技术是保证燃煤锅炉高效运行、减排NOx等污染物的有效手段，也是热能自动化工程的一个重要研究方向。

4.1 国外燃烧优化技术[9]

国外对优化燃烧技术研究较早，主要是将煤电锅炉NOx等污染物的排放测量与优化控制系统相结合，实现了火电燃煤锅炉的优化系统的闭环控制，取得了大量的实用性成果。美国Pegasus公司的NeuSIGHT燃烧优化系统应用人工智能神经网络技术设计的燃煤电厂燃烧优化控制系统，它是以提高锅炉热效率和降低NO排放为目标的稳态优化。该公司的Power Perfecter系统还增加了模型预测控制技术（MPC），能通过建立多目标的动态优化控制器，动态调整DCS设定参数与偏置，实现锅炉燃烧优化动态闭环控制。美国Ultramax公司开发的Ultramax先进过程管理系统是将一系列锅炉燃烧工况的数据作为系统的输入量，建立锅炉燃烧特性模型，并经过软件分析，给运行人员优化燃烧的操作指导，并将此纳入到自动控制系统中进行优化调整。

4.2 国内煤电锅炉燃烧优化技术

我国自改革开放以来，国民经济得到了飞速发展，火电工业作为国民经济主要的能源，不断书写着新的奇迹，与此同时，也面临着节能减排的严峻形势。20世纪80年代以来，高校和研究院与企业结合，运用在线测量技术和人工智能技术研制出一批锅炉燃烧优化指导系统，推动煤电锅炉燃烧优化发展到一个新的阶段。浙江大学开发了基于Internet/Intranet的火电厂锅炉低NOx燃烧优化指导系统[10]。系统利用人工神经网络对锅炉的NOx排放特性、飞灰含碳量特性与锅炉燃用煤种、锅炉运行参数之间的函数关系进行学习建模，并用遗传算法对锅炉的最佳燃烧工况进行寻优，获得不同煤种下各燃烧参数的最佳设定值，直接指导运行或输入DCS参与闭环控制，以实现低NOx高效燃烧的在线控制。东南大学开发的BCOS—2000/2.0系统采用神经网络和非线性寻优技术，指导锅炉燃烧调整，并采用模型自修正技术实现锅炉燃烧长期高效，提高了锅炉燃烧效率，减少了NOx排放。

5 煤电锅炉燃烧优化技术的展望

2011年是“十二五规划”实施的开局之年，节能减排作为促进科学发展的重要手段，作为检验科学发展观是否落实的重要标准之一，充分体现其重要性和紧迫性，这对火电燃煤锅炉优化技术提出了更高的要求。目前，利用智能复合测量技术提高在线测量系统精度、运用人工智能方法和统计学方法进行非线性动态建模、采用免疫算法和粒子群算法等智能算法实现多元目标优化、建立煤电锅炉燃烧优化技术的专家系统、将先进控制策略运用于燃烧优化系统以实现闭环燃烧优化控制等方面进行了技术组合和深入研究，与此同时，将现代前沿技术如混沌理论、分形理论、融合估计与融合控制理论等应用到煤电锅炉燃烧优化研究之中，也是其发展的主要趋势。

[1]www.cpnn.com.cn中国电力新闻网

[2]孙克勤，钟秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2007

[3]曾汉才.燃烧与污染[M].武汉：华中理工大学出版社，1992

[4]岑可法，姚强，骆仲泱，高翔.燃烧理论与污染控制[M].北京：机械工业出版社，2004

[5]周昊.大型电站锅炉氮氧化物控制与燃烧优化中若干关键性问题的研究[D].杭州：浙江大学博士论文，2004

[6]成庆刚，李争起，滕玉强等.低NOx排放燃烧技术及燃烧优化的试验研究[J].锅炉技术，2005，36（5）

[7]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术工程实例（第二版）[M].北京：化学工业出版社，2007

[8]吴碧君，刘晓勤.燃烧过程NOx的控制技术与原理[J].电力环境保护，2004，20（2）

[9]周海珠，安恩科.电站锅炉燃烧优化技术的发展趋势[J].锅炉技术，2008，39（1）

[10]周昊，朱洪波，岑可法.基于Internet/Intranet的火电厂锅炉低NOx燃烧优化指导系统[J].热力发电，2003，32（2）

The study in the NOx generation mechanism and combustion optimization technology of utility coal-fired boiler

YANG Guo-shi

The pollution from coal combustion has been one of the main pollution source in China.The article mainly analyzes the NOx generation mechanism and presents the industry techniquesof the reduction in the NOx generation and emission.Based on compiling elaboration to combustion optimization techniques of utility boilers at home and abroad,proposes the trend of raising the precision of the frontier modern techniques applied in combustion optimization control.

coal-fired boiler；combustion characteristics；NOx emission；combustion optimization；online measurement

TK229.6

A

1009-9530（2011）03-0019-03

2010-11-26

安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2011A256）

杨国诗（1960-），男，上海人，淮南师范学院电气信息工程系副教授，硕士，研究方向：火电锅炉污染物控制与燃烧优化控制技术。