火电厂集控系统优化对高效低排放锅炉燃烧的影响评估

姚帅舟

摘要：改革开放以来，我国社会不断进步。我国是煤炭资源大国，煤多油少的能源结构决定了煤炭是火力发电的主要能量来源，每年燃烧几十亿吨的煤炭会产生大量的有害物质，必须有效控制污染物的排放量。煤炭中有氮、硫等物质，因此燃煤锅炉产生的主要有害物质为氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳和粉尘，它们是主要的大气污染源，大量排放将危及人类的生活环境。为降低污染物的排放量，须根据污染物的物理或者化学性质，针对性地处理燃煤锅炉的烟气。通常根据物理除尘原理来降低粉尘的排放量，利用化学反应的脱硝脱硫方法消除氮氧化物和硫氧化物。

关键词：火电厂；集控系统优化；高效低排放；锅炉燃烧；影响评估

引言

随着国家环保标准的不断提高，现有热电联产燃煤锅炉均逐步实施了超低排放改造。燃煤锅炉超低排放改造的工艺路线较多，为避免重复投资、降低工程造价、减少改造对主装置的影响，电厂需要根据实际情况选择合适的工艺路线进行改造。

1燃煤锅炉的主要污染物及形成机理

1.1氮氧化物及其形成机理

煤燃烧主要产生NO、NO2，少量的N2O3、N2O4和N2O5，这几种氮氧化物统称为NOx。通常，在煤燃烧产生的NOx中，NO的含量最高，占90％以上，NO2占5％~10％，其形成方式主要有燃料型、热力型和快速型3种：1）燃料型成因。在高温下，燃料中的含氮有机化合物快速分解形成NHi和HCN等中间物质，中间物质发生氧化反应最终形成NOx，该成因占总量的75％~90％。2）热力型成因。在燃煤锅炉的高温条件下，氧（O2）和氮（N2）进行如下化学反应：N2+O2→2N              以及2NO+O2→2NO2。在形成NOx的过程中，温度起决定性作用，锅炉的温度越高，形成速率越快。3）快速型成因。这种成因的NOx占比较少，在燃料浓度较高的区域中，有机物与N2发生反应形成CN、HCN和CH2等中间产物，其反应式为CH+N2→HCN+N以及CH2+N2→HCN+NH，这些中间产物继续氧化形成NOx。

1.2硫氧化物及其形成机理

在煤炭中通常存在有机硫和无机硫2种形式，有机硫先形成H2S，然后通过氧化作用形成SO2。无机硫通常以FeS2为主，在400℃以上会进行热分解产生S，然后与氧气发生反应产生SO2，在富氧条件下也可以直接形成SO2，硫氧化物以SO2为主，也有少量的SO3。

1.3一氧化碳及其形成机理

一氧化碳是含碳燃料在锅炉中形成的一种中间产物，是在氧气含量不足的情况下发生不完全燃烧形成的，其反应式为2C+O2→2CO。它也可以和NO发生反应，反应式为2CO+2NO→2CO2+N2。因此，一氧化碳和锅炉烟气中的氮氧化物具有一定的关联性。

1.4粉尘及其形成机理

粉尘主要分为气相析出型和剩余型，气相析出型是碳氢化合物在燃烧过程中进行脱氢反应，不断生成聚合性物质并持续增加，随着聚合性物质中的碳不断增加，逐渐形成了炭黑等高分子物质。剩余型粉尘是高分子物质在锅炉内的高温环境下，进行热分解形成固态的粉尘。

2火电厂节能减排的措施

2.1应用先进技术

为落实国家节能减排的方针，满足电力企业高质量发展，火电厂应积极主动引入现代科技手段，改善其生产工艺，降低机组的能耗水平。如利用现有先进可靠的变频技术，将火电厂的给水泵、引风机和一次风机等工频模式改为变频运行方式，从而大幅度降低生产厂用电率，减少能耗；以问题为导向，放眼世界，善于思考和认识，积极引入经实践证明的好的方法和经验，如对脱硫、除尘和脱硝系统进行增容提效改造等工作达到污染物超低排放的目的。             

2.2加强燃料管理

煤炭是火电厂发电的主要燃料，更是空气污染最大的来源，所以要提高燃料管理水平，对于减少污染物排放和能源消耗有很大的意义。主要采取的措施有：对燃煤电厂的开放式储煤场进行封闭式管理，为达到降低扬尘和减少燃料损耗的目的，积极采用喷雾降尘的方法；有专人对燃煤化验进行管理，准确掌握燃煤灰分、硫分、发热量等数据，尽量多使用低硫低灰高发热量的煤种，以提高燃烧效率，降低SO2及粉尘等污染物排放的压力，通过调整各个煤种的比例进行掺烧，实现电厂经济效益最大化。

2.3提高锅炉和其他设备的利用率

锅炉是火电厂最主要的用煤设备，它在燃烧过程中会损失可燃物、固体物和烟气热损失。降低锅炉热量损失的主要措施有：合理减小排烟体积，严格控制火焰中心的高度、避免局部高温条件，充分确保加热表面的干燥，避免操作破坏和漏风。为降低锅炉热损失，应采取合理的措施，将煤粉与空气充分混匀，并时刻注意锅炉负荷的变化，严格控制过量空气系数，使炉温升高。另外，还需对煤粉的细度进行优化。在热电厂的运行阶段，蒸汽向电能的转换是依靠汽轮机进行的。汽轮机是一种复杂的结构，如果叶片没有完全闭合，气体流经叶片的过程中不可避免地会发生摩擦，从而导致气体的泄漏。在水汽转换阶段，只有部分水汽能被转换成汽轮机的动力，大量的能量在转换过程中会产生。由此可以看出，提高汽轮机容量及运行效率，对火电厂节能减排具有重要意义。在一些特定的情况下，可以根据项目的要求对涡轮进行优化。通过增加蒸发热量、加速蒸汽流过叶轮效率、减薄叶轮厚度等途径，降低喷嘴-叶轮摩擦系数，降低热能损耗，达到节能减排的目的。

3火电厂集控运行策略的优化

3.1负载管理的优化

（1）实时负载预测

实时负载预测是通过使用数据分析和模型来预测未来电力需求的关键技术，使火电厂准确预测高峰和低谷时段，以便调整发电计划。优化的实时负载预测可降低过剩产能，减少能源浪费，提高能源效率。记录每小时实际负载需求和通过实时负载预测得出的预测负载需求数据。这些数据可用于火电厂集控运行策略中的负载管理和调度，以确保电力供应满足需求并最小化能源浪费。

（2）负载平衡策略

负载平衡策略旨在调整不同发电源的负载，以满足电力需求并确保系统稳定性。涉及调整火电厂的发电量、切换到备用电源或增加可再生能源的比例。通过优化负载平衡策略，火电厂可以更好地适应可再生能源的波动性，降低碳排放，并提高系统的鲁棒性。优化的负载平衡策略有助于降低过剩产能，减少能源浪费，提高能源效率。

3.2燃料选择与供应链的优化

（1）可再生能源集成策略

可再生能源集成策略旨在将太阳能、风能和其他可再生能源整合到火电厂运行中，以最大程度地利用清洁能源。这包括确定最佳的时间和方式来集成可再生能源，以降低火电厂的碳排放并提高其可持续性。记录每小时火电厂的碳排放量、可再生能源发电量的增加以及总的碳排放减少量。可再生能源集成策略的目标是通过增加可再生能源的使用以减少火电厂的碳排放，从而降低环境影响。

（2）燃料成本最小化

优化燃料选择与供应链管理涉及降低火电厂的燃料成本。这包括选择成本效益最高的燃料类型、优化燃料采购策略、降低运输成本、以及确保供应的可靠性。通过降低燃料成本，火电厂可以提高竞争力并降低电力生产的成本。

结语

总之，煤炭是燃煤电厂的主要能源，在“双碳”目标的要求下，节能减排工作已经成为电厂的重要工作。做好节能减排工作对燃煤电厂以后的发展有着重要的意义。因此，增加对燃煤电厂节能减排技术的研究投入，积极应用新的节能减排技术成果，并加强对电厂的管理，提高燃煤电厂在目前能源市场的竞争力是当务之急。

参考文献

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