火电厂锅炉低氮燃烧改造及运行优化调整

摘要：为应对火电厂氮氧化物（NOₓ）排放对环境的污染问题，本文提出了一种低氮燃烧改造与运行优化调整的综合方案。通过燃烧器结构优化、空气分级燃烧技术改进及燃料分级燃烧策略，结合运行参数动态调整与智能监控系统，实现了NOₓ排放浓度显著降低。

关键词：火电厂；锅炉；低氮燃烧；运行优化

引言：火电厂作为我国能源供应的主体，其锅炉燃烧产生的NOₓ是大气污染的主要来源之一。随着《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等政策的出台，NOₓ排放限值进一步收紧至50mg/m³以下。传统低氮燃烧技术（如空气分级、燃料再燃）因改造成本高、适应性差等问题，难以满足深度减排需求。同时，运行参数设置不合理易导致燃烧效率下降或NOₓ反弹，需要通过技术改造与运行优化协同实现高效低氮燃烧[1]。

一、火电厂锅炉低氮燃烧改造技术路线

（一）燃烧器结构优化

采用浓淡分离燃烧器替代传统直流燃烧器是低氮改造的核心，其核心原理在于内置旋流叶片实现燃料与空气的分级配比。主燃区被设计为富燃料浓相区，通过控制氧浓度抑制高温下热力型NOₓ的生成。同时，燃尽区创新配置反向涡流结构，显著强化煤粉后期混合与燃尽过程，有效降低飞灰含碳量，保障锅炉效率。浓淡分离技术的关键在于精准控制煤粉浓度分布：向火侧维持高浓度煤粉流形成还原性气氛，背火侧则为稀相煤粉流稳定燃烧。这种分区设计在降低氮氧化物的同时，避免了燃烧震荡。实际改造后的运行数据表明，炉膛出口NOₓ排放浓度平均降幅达35%，且锅炉热效率未受明显影响，验证了该技术路线的工程实用性。改造实施需精确匹配炉膛结构与煤质特性，优化燃烧器布置角度及旋流强度，防止火焰偏斜冲刷水冷壁。监测显示，飞灰可燃物含量同步下降，证实了反向涡流对燃尽的促进作用，实现了环保与经济的双重效益[2]。

（二）空气分级燃烧技术改进

空气分级燃烧通过重构配风方式实现深度降氮，关键技术改进包括：将主燃区过量空气系数从常规1.2主动降至0.9以下，人为创造强还原性气氛，从源头抑制燃料型NOₓ生成。同时，大幅提升上层燃尽风（OFA）的风量占比至总风量30%，确保未燃尽碳粒在富氧环境下充分燃烧，解决因主区缺氧导致的燃烧效率下降问题。为避免OFA引入的火焰上移、结渣及水冷壁高温腐蚀风险，需借助数值模拟优化OFA喷口设计：精确计算喷口倾角（通常15°-30°）及与主燃区的合理层间距（约3-5米），促进燃尽风与烟气的湍流混合，避免火焰直接冲刷炉墙。分级配风需与燃烧器改造协同，动态调整各层二次风门开度。实践证实，主燃区低氧环境使NOₓ生成量锐减，而强化的OFA系统保障了燃烧效率。运行中需实时监控炉膛温度场分布及烟气含氧量，确保还原区与燃尽区有效分隔。该技术使锅炉在宽负荷范围内维持NOₓ低排放，且未增加排烟损失[3]。

（三）燃料分级燃烧策略

燃料分级燃烧（再燃技术）是在炉膛中部建立独立的再燃还原区，具体策略为：喷入占锅炉总燃料量约15%的细煤粉与再循环烟气的混合物。再燃燃料在缺氧条件下裂解产生大量活性烃基根（CHₙ），这些自由基与主燃区生成的NOₓ发生还原反应，将其转化为无害的N₂。再燃区温度控制对技术成败至关重要，需严格维持在900-1050℃窗口：温度过低则烃基生成不足，还原效率下降；温度过高则可能生成新的热力型NOₓ并引发结焦。通过调整再燃燃料喷入位置、比例及配风，可稳定该温区。再燃燃料通常选用高挥发分煤种或生物质，以增强还原活性。系统改造需增设再燃燃料输送管路、专用喷口及烟气再循环系统。实际应用表明，该技术对已生成的NOₓ还原率可达50%以上。为确保锅炉整体燃烧稳定性，需优化再燃区与主燃区、燃尽区的匹配，避免炉膛压力波动。再循环烟气的引入亦可降低氧浓度，协同抑制NOₓ生成[4]。

二、运行优化调整措施

（一） 动态参数调整

火电厂锅炉的低氮高效运行依赖于负荷工况与关键参数的动态匹配，构建锅炉负荷-氧量-风速三维协同模型，通过精准控制燃烧边界条件实现环保与效率的平衡。该模型根据负荷特性划分调控区间：低负荷工况（40%-60%额定负荷）下，炉膛出口氧量需严格维持于3.0%-3.5%范围。此设定既确保煤粉充分燃尽，又避免因缺氧导致CO浓度超标（通常需控制＜50mg/Nm³）。此时一次风速宜采用下限值，延长煤粉在还原区停留时间，但需防范因气流速度不足引发的燃烧不稳现象。高负荷工况（80%-100%额定负荷）则采用差异化策略：将氧量压缩至2.5%-2.8%窄区间运行。此措施通过降低主燃区氧浓度，有效抑制热力型与燃料型NOₓ的生成路径。同时需配套提升一次风速（但偏差需≤±2m/s），强化煤粉穿透能力，防止局部高温区形成。实践表明，氧量每降低0.1%，NOₓ排放量可减少3%-5%，但需同步监测飞灰含碳量波动，避免燃烧效率劣化。

（二）智能监控系统深度应用

现代火电厂低氮运行已进入数字化智能调控阶段，部署基于边缘计算的NOₓ闭环控制系统，该系统通过三层架构实现燃烧优化：

1. 感知层：在炉膛不同标高安装多光谱温度场监测仪（精度±15℃），同时在省煤器出口设置高精度烟气分析仪（NOₓ检测限≤1ppm），实时采集温度梯度、O₂、CO、NOₓ等14项关键参数

2. 分析层：边缘计算节点植入燃烧优化算法，结合历史工况数据库（存储≥10万条运行样本）进行三维燃烧场重构，每5秒生成一次炉内燃烧状态诊断报告

3. 执行层：根据诊断结果自动下发控制指令，典型应用包括：当NOₓ浓度波动超过设定阈值（如±20mg/Nm³）时，自动调整OFA风门开度（调节精度0.5°）；基于煤质在线分析数据动态切换磨煤机组合模式，优先启用高挥发分磨组；预测性调整二次风箱压力（控制偏差±50Pa），预防结焦倾向，系统的核心优势在于30秒快速响应机制，传统DCS系统需3-5分钟完成的调控流程，该系统通过边缘侧实时计算（延迟＜200ms）与执行机构联动实现大幅提速。例如某案例中，当系统检测到NOₓ浓度从200mg/Nm³骤升至260mg/Nm³时，自动执行以下动作：① 调取历史相似工况数据（匹配度＞90%）。② 计算最优燃尽风门开度增量（+8%）。③ 切换下层磨煤机至富氧燃烧模式。

结语：

本文通过燃烧器结构创新、分级燃烧技术深化及运行参数智能调控，构建了低氮燃烧与经济性平衡的技术体系，该方案可推广至同类机组，对火电行业绿色转型具有示范意义，之后可进一步探索碳捕集与低氮燃烧的深度耦合技术，推动能源生产向近零排放目标迈进。

参考文献：

[1]张强， 何陆灿， 方亚雄. 火电厂锅炉低氮燃烧改造与运行优化调整探究[J]. 中国设备工程， 2023， （04）： 130-132.

[2]许瑞杰. 火电厂锅炉低氮燃烧改造与运行优化调整分析[J]. 化工管理， 2020， （24）： 147-148.

[3]孙佳东. 火电厂锅炉低氮燃烧改造及运行优化[J]. 中外企业家， 2019， （32）： 122.

[4]王秋粉， 王毅岩. 火电厂锅炉低氮燃烧改造及运行优化调整[J]. 山东工业技术， 2019， （06）： 204.