低氮燃烧

受SCR脱硝技术最高效率制约，低氮燃烧技术在煤电机组NOx超低或近零排放控制中需发挥更大作用，或需提升技术性能。然而，低氨燃烧所需贫氧还原性条件与防高温腐蚀和结渣所需富氧氧化性条件相矛盾，因此，低氨改造后高温腐蚀、结渣等问题普遍存在，严重影响机组安全稳定运行，也制约了炉内进一步深度降氨实施。对冲燃烧锅炉由于燃烧组织方式特殊，采用低氮燃烧方式后上述问题更为突出。统筹协调燃煤锅炉运行环保性与安全性之间矛盾，防范化解低氨燃烧给锅炉带来的潜在安全隐患，是煤电机组安全稳定实现超低和近零排放的重要前提和安全保障。 项目研究成果在7家电厂得到应用，其中福州电厂600MW超临界机组工程示范应用结果表明：侧墙贴壁氧量可提高到1.5%以上，HS和CO浓度可降低60~90%，NOx浓度可降低40~80mg/m²，技改后机组至今运行二年多，锅炉水冷壁未出现明显高温腐蚀现象。黄其励、岳光溪和段宁三位院士领衔的鉴定委员会认为：该研究成果可显著提高超低排放下对冲燃烧锅炉运行的安全性，具有良好的推广应用价值，成果总体居该领域国际领先水平。

系统由变频风机、燃气比例阀、文丘里混合器、金属纤维燃烧器、热交换器及控制系统等组成。采用前预混进气，保持精确的空燃比，确保完全燃烧；采用表面低氮燃烧方式，火焰均匀，可避免局部高温，有效降低氮氧化物的产生；采用一体式冷凝逆向换热技术，充分吸收高温烟气中的显热和水蒸气凝结后的潜热，减少排烟热损失及有害物质排放，提高热效率。

随着国家更为严格的火力发电厂大气污染物排放标准的实施和各发电公司对经济效益的追求，对大型电站锅炉的运行要求越来越高，而与之相对应的入炉煤质却变差，设备越来越复杂，运行人员操作水平并没有相应提高，这种矛盾在低氮燃烧器改造后更为明显地表现出来，低氮改造后锅炉经常出现：结焦、水冷壁高温腐蚀、低负荷时的炉膜压力大幅度波动、甚至灭火等问题，这些间题的出现基本都与锅炉的局部燃烧气氯变化造成的，尤其是锅炉水冷壁表面氛围，而炉底的可燃气体的积聚和爆燃又会造成炉膜压力波动，低负荷运行时表现更为明显，与此同时电网容量不断增大，新能源所占比重快速升高，电网对于可再生能源的消纳压力大幅度增加，另外用电结构也发生了明显变化：工业用电比重下降，居民生活用电比重上升，使的电网负荷峰谷差呈不断增大的趋势，这样电力系统的调峰能力就显不足，火力发电就要承担更多的调峰任务，尤其是深度调峰任务，而火力发电机组的深度调峰能力取决于锅炉的最低稳燃能力，因此局部燃烧气氛对锅炉低负荷稳燃能力也有着关键性影响，因此只有掌握这些局部气氛的变化规律，消除不利因素才能保证锅炉运行在经济性和环保特性的最佳 状态，并能有效提高机组的深度调峰能力。

锅炉低氮燃烧器技术大多是随锅炉主设备引进的，部分是属于借鉴国外先进技术自行设计开发的，经过国内电力生产企业和科研院所的消化吸收，目前低氮燃烧器技术大都取得了良好的应用;同时国内的锅炉生产厂家在低氮燃烧系统设计领域也正逐步由以前的单纯模仿向自主设计方向迈进。但不可否认，国内低氮燃烧领域依然缺乏独立知识产权的产品，技术实施领域主要是施工改造，设计领域存在计算模型简单、中间试验不完备、商业运行缺乏系列数据积累、模型验证过程不严密等诸多问题，给改造后的锅炉安全、稳定和经济运行带来了一定的影响。低氮燃烧器多是基于空气分级、燃料分级，对炉内燃烧状况有较大的影响，这些问题导致低氮燃烧器改造后出现了切圆炉再热汽温大幅偏低、水冷壁高温腐蚀、灰渣含碳量升高、减温水量大幅升高等问题，该课题即是为解决低氮燃烧器改造后出现的问题而设立。本课题的研究对象是低氮燃烧器普遍存在的行业性问题，所采用的关键技术及创新点具有国内首创性，且取得了明显效果，产生了显著的经济效益与社会效益。研究成果形成了一整套系统可行的方法，在无大量资金投入和较少设备改造的情况下，能够大幅提高燃煤机组低氮燃烧的安全性与经济性，为同类型机组提供了新型解决思路，有很强的市场竞争力。

本文围绕某 600MW 低氮改造锅炉的燃烧优化控制展开研究。利用三维数值模拟分析了低氮改造炉膛温度场和主要组分场的变化，讨论了这些变化对锅炉运行优化的影响。通过动态扰动试验研究了各层辅助风门开度对飞灰含碳量、减温水量及 NOx 的影响。在此基础上利用在线支持向量机对锅炉燃烧的动态过程进行建模，并结合免疫遗传算法寻优得到实时工况最优风煤配比，兼顾锅炉效率和 NOx排放。在仿真机上进行了验证，表明模型具有较好的实时性和精度。最后，利用模糊控制建模原理构建了锅炉燃烧优化控制的专家系统，并将此控制系统成功应用于定州电厂 2#炉。主要内容包括以下几个方面。 数值模拟结果表明，低氮燃烧器改造后的炉膛高温区延伸到还原区，但燃烧仍主要在主燃区进行。主燃区以上，截面平均温度逐渐下降。CO 含量在主燃区、燃尽区均较高，水冷壁区域存在高温腐蚀的风险，运行中应加以监控。SOFA 水平摆角对 NOx 的生成影响较小，降低 NOx 浓度应主要依靠空气分级作用。NO 在主燃区先增加后减小，在还原区达到最小值，在燃尽区和炉膛出口又逐渐上升。 动态试验研究发现，中低负荷运行时，应减小燃尽风顶部风量，火焰中心下移，再热汽温可以通过主燃区和燃尽区的上、下摆动进行调节。由于低氮改造后主燃区被压缩，应增加托底风量降低炉渣可燃物含量。为了降低炉内 CO 含量，可适当增加 AB 层和 CD 层的风量到 40%以上。 利用在线支持向量机建立锅炉燃烧系统的动态数学模型，并利用免疫遗传算法求解出最佳操作量。模型预测输出的 NOx 浓度及锅炉效率变化趋势和现场数据吻合的较好，NOx 排放量预测偏差标准差 1.488mg m3 ，锅炉效率值预测偏差标准差 0.0189%。影响模型计算速度和精度的主要因素是模型设定的最大容许误差，应在全局最优的基础上合理设定。 基于模糊调整的反平衡软测量模型根据实时监测的烟气含氧量和烟气温度进行模糊调整，更加接近实际的飞灰含碳量和炉渣含碳量。模糊专家控制系统预测结果精度与论域和隶属度函数的选择有较大关系。论域的选择应该覆盖各操作量和目标函数的实际范围。要保证由前提变量构成的每个模糊子空间都能被遍历，结论变量在模糊子空间选用的最佳模糊集由规则的最大支持度决定。

W火焰锅炉是燃用低挥发分煤种的主力炉型，即使配套低氮燃烧系统，在实际运行过程中仍然存在NOx排放高、深度调峰能力差的问题，很难满足燃煤锅炉NOx超低排放以及火电机组运行灵活性的需求。因此，在日益严格的环保要求以及二氧化碳减排背景下电网调峰需求快速增长的新形势下，W火焰锅炉需要找到控制NOx排放、灵活参与火电机组深度调峰的合理路径。项目研发了拱上煤粉喷口背火侧的二次风引射高温烟气回流技术，提出了“多级引射、多点分级” 的燃烧方法，确保了W火焰锅炉宽比例燃用烟煤的燃烧安全性、经济性与环保性。研制了一种适用于W火焰锅炉的煤粉气流速度可调的高低速燃烧器，既有利于煤粉气流的着火，又保证了下射刚性，满足了燃用不同挥发分煤的需求。提出了基于炉膛“特征温度”的W火焰锅炉燃烧状态识别方法，快速判断炉膛火焰充满度与燃烧状态，进而实现了对W火焰锅炉清洁、高效燃烧的有效控制。项目取得实用新型专利权7项，发表论文3篇；成果通过中国电机工程学会组织的技术鉴定，鉴定结论国际领先。

鉴于我国环境容量限制，要求燃煤发电机组大气污染物达到超低排放。采用传统技术的 CFB 机组，尽管锅炉本身 NOx 排放低于煤粉锅炉，但依然远高于超低排放的要求，如果采用煤粉锅炉的 NOx 先生成再治理的控制方法（采用SCR烟气净化），在投资和运行成本上失去了低成本污染控制的优势，如何深度挖掘 CFB 锅炉炉内NOx控制潜力，国际上没有相应的理论和技术可以借鉴。该成果是CFB低氮燃烧技术的重大突破，超越了传统CFB的流态设计范围，以改变流态来改变CFB燃烧中的NOx生成与还原的化学反应行为，从而降低NOx的原始生成。获专利授权35项，其中发明专利24项。与创新点有关的论文共发表93篇，其中SCI收录41篇，EI收录52篇。 工程实践证实，即使燃用 NOx 排放最难控制的褐煤，原始排放值可降低至 80mg/m3、以下，比其他技术最优水平减排约43%，为国际最优。已推广应用 47 台，合同额约55亿元，带动相关产业约150亿元。近三年实现销售收入约4亿元，利润约2365万元，新增税收约6900万元。若在全国推广使用，每年可降低环保投资300亿元、节约运行费用540亿元、减排NOx 300万吨,经济和社会效益显著。由秦裕琨院士为组长的评价委员会认为：“该技术突破了国内外现有技术对燃煤循环流化床燃烧自身氮氧化物控制水平，属自主技术创新，达到国际领先水平。”该技术的氮氧化物原始排放水平明显低于国内外同类产品，已出口海外，成为CFB燃烧技术发展新方向，促进了循CFB燃烧技术的进步，引领了CFB技术的国际发展。

华能苏州热电厂响应国家“推进职业技能提升行动”号召，积极开展以职业技能提升为核心的产业工人队伍建设体系研究，从战略机制、培养机制、考评机制和发展机制等方面强化产业工人职业技能的提升，建立一个具有特色的产业工人队伍建设体系，为电厂培养高技能人才，实现企业高质量、可持续发展提供保障。 电厂通过建立生产一线职工队伍建设战略机制，明确战略目标，有序推进构建与实施构建；在打造实施平台上，通过搭建“XIN之帆—陈艳劳模创新工作室”、“互联网+”培训网络培训平台、创建“职业技能等级认定资格”等三大平台，营造良好环境；在培养机制上，电厂建立培训网络、成长档案、技能人才库、菁英计划、开展“讲座式、场景式、任务式、流程式”四类培训、成立创新创效工作站，举办管理能力专项培训班等方式建立构建培训体系，助推快速成长；在考评体系方面，电厂通过编制生产岗位技能标准、开发技能考评题库、开创考评新模式、实施分类考评、加强考评结果应用，提升核心技能水平；在落实发展通道方面，通过安全专项培训、双通道晋升、以干代训等创新方式，加速推进人才梯队建设 。 通过以职业技能提升为核心的产业工人队伍建设体系构建与实施，电厂生产一线职工自主研发、技术创新能力不断加强。2019年，全面建成天然气“千里眼”系统、自主研发的热网监控GPRS系统以及热网用户“预收费”系统，组建了热网监控大平台，实时监看用户端的温度、压力、剩余金额等流量数据，随时随地了解热用户端的使用情况，为苏州地方经济发展和民生提供了热力保障，跻身为华能集团公司“第一批供热经营示范企业”；顺利开展汽机轴加疏水箱疏水改造，每小时可回收温差25℃除盐水约1.7吨，预计每年节约除盐水约7000余吨，节约天然气21万方；组织开展汽机额定主汽温度提升，从设计值514℃提升至535℃，全年汽机主汽温平均值由502℃升至519℃，年累计增发效益电约221万kWh；低氮燃烧器的改造和机组启动优化措施顺利实施，减少NOx的排放约71吨/年，减少节约环保税约83万元/年；开展污泥烘干掺烧处理项目，不但充分利用了污泥的热值，而且使固废达到减量化和无害化，减少固废排放约360吨/年，节约成本约7.2万元/年。2019年，通过成立职业技能提升技术攻关组—安全绿色供热品牌项目、机组优化启停项目等8大技术攻关项目，共获得经济效益1888.81万元。

本项目属于电力环保、节能领域。W火焰锅炉是我国燃烧贫煤、无燃煤的重要炉型，为了保证低挥发分煤种的点火和燃尽，W火焰锅炉需要在炉膜敷设卫燃带，采用集中供氧等技术措施，炉膜火焰中心温度高达1600-1800℃，W火焰锅炉NO.原始排放可达1100-1800mg/Nm²。采用低氮燃烧+SCR脱硝工艺勉强可以满足烟气排放标准，但由于W火焰锅炉原始NO浓度高及燃用煤种挥发分含量低等原因，低氨燃烧脱硝效果有限，造成SCR脱硝反应器入口NO浓度远高于其它类型机组，大大增加了SCR脱硝催化剂及还原剂的消耗。而采用低氮燃烧+SNCR+SCR方式的耦合脱硝将是实现W火焰锅炉的主要技术途径。低氨燃烧、SNCR和SCR脱硝技术均有大量实际应用，但三者的耦合使用可借鉴的经验较少。

本项目属于低碳气体燃料清洁高效燃烧技术领域。以CH4、 CO和H2为主要成分的天然气、合成气和煤层气等多组分气体 燃料是优良的低碳化石能源，但其在燃烧过程中仍会产生NOx 等污染物。2015年后全国多地相继出台燃气锅炉NOx排放低于 50mg/m3，部分重点地区要求NOx排放低于30mg/m3，CO排放低 于95mg/m3的排放标准。但目前气体燃烧器NOx排放浓度范围 为100～230mg/m3，平均约156mg/m3，排放水平与新的排放标 准存在较大差距。