燃煤电厂锅炉一氧化氮(NOx)燃烧优化控制计算机仿真

摘 要：文章通过经验数学模型仿真计算燃煤电厂锅炉燃烧过程中NOx的生成量以及NOx与氧量、二次风门开度、燃烧器摆角之间的关联。通过不同的操作得出NOx的数值并直观的反应锅炉炉膛内的燃烧情况，以达到到优化燃烧控制方案，从而减少NOx排放的目标，既满足环保要求，同时又不影响生产，对实际生产产生很强的经济效益和社会效益。同时也是计算机仿真技术应用到工程中的一次尝试，以更好的为实际工业生产服务。

关键词：NOx；仿真计算；燃烧优化

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）23-0177-02

1 背景概述

改革开放以来，我国经济保持了较快的增长速度，但同时又是以巨大的能源消耗为代价的，由此造成的环境污染是目前我国经济可持续发展亟待解决的重要问题。我国是世界第一大煤炭生产国和第二大能源消费国，电力生产以燃煤为主，火电厂燃煤量占全国煤炭消耗总量50%左右。据统计，到2007年底，我国火电厂NOx年排放量为838.3万 t，占全国总排放量的36%，居各行业第一。2010年火电厂NOx年排放量达到1 011万 t，2015年将达1 150万 t。按照火电行业环境保护规划的要求，2010年削减NOx298万 t，2015年需要削减480万 t，减排压力巨大。

2 燃煤技术的现状及存在的问题

近年来，随着我国经济的增长和电力工业的快速发展，燃煤产生的NOx污染物与日剧增。烧煤产生的NOx占绝大多数，而发电厂燃煤又占较大的比例，因此降低发电厂排烟中NOx是减轻大气污染的重要任务。由于NOx在煤的燃烧产物中生成复杂，且其对人类乃至整个生态系统的危害大，对其排放量的控制已引起全球范围内的普遍重视，绝大多数国家和地区都制定了较严格的限制NOx排放的法规和标准，中国也于1996年8月开始实施650 mg/m3的排放指标规定。近二、三十年来，欧、美、日等发达国家一直在致力于研究降低NOX的燃煤技术。如前苏联的高浓度给粉技术、日本三菱重工的PM型燃烧器、美国B&W公司的PAX燃烧器和DRB-XCL双调风旋流燃烧器及德国SM公司SM型旋流燃烧器等都处于世界领先地位。这些国外的改造措施大都有一个共同特点，就是更换设备，投资大，工期长，一定程度上影响了生产。中国近十几年也开始注重研究适合国情的低NOX控制技术，各科研院所及高校在借鉴国外先进技术经验时，经过大量基础性试验研究，形成了自己的技术特色。

燃煤锅炉产生的氮氧化物（NOx）给环境造成了很大的危害，尤其是大型电厂锅炉。300 MW及其以上机组的NOX排放量一般在500～1 000 mg/m3左右，具体与煤种、燃烧系统和炉膛结构以及运行参数等因素有关，在燃烧贫煤及无烟煤的情况下则偏于上限。国家环保局最新修订的《火电厂大气污染排放标准》（GB 13223-96）对于300 MW及以上机组要求NOX排放量不超过650 mg/m3，并于1996年8月实施。因此需要深入了解大型贫煤锅炉NOX的排放特性，为控制NOX排放并使之达到上述标准提供改造依据。国外一些技术大部分总更改锅炉结构等设备来空NOx的排放，这种改造投资大，周期长，如何提供给电厂一套不影响生产、投资少的燃烧优化控制方案以降低NOx的排放，是本文的目的。

实际电厂在生产过程中发现以下问题：一方面随着氧量的增加，锅炉的NOx排放量也在增加，氧量增加到一定程度以后，NOx排放量的增加渐趋平缓。这是因为随着氧量的增加，炉内燃烧区域的供氧量加强，燃烧强度加强，炉膛火焰温度升高，热力型NOx的生成量增大。燃烧区域氧浓度增加，为燃料中的氮化合物燃烧时的热分解产物进一步氧化成NOx提供了条件，从而使燃料型NOx的生成量也增加，因此总的NOx排放量增加。然而，随着氧量的进一步增大，送入锅炉的风量已经过大，造成燃烧区域的火焰温度降低，从而使热力型NOx的生成量减少，因此总的NOx排放量的增加趋势平缓，若氧量进一步增大，NOx的生成量还会有降低的趋势。另一方面，二次风的投入确实能减少NOx的生成量，这是因为在主燃烧区域，锅炉氧量相对较低，因此燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型NOx和燃料型NOx的生成量都减少；在燃烧器区域上部送入过量的空气，有助于燃料燃尽，从实际的生成报表可得出这种配风方式飞灰可燃物是最低的，而且不是主燃烧区域，火焰温度比较低，即使该区域氧量比较大，NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量比较低。

3 一氧化氮（NOx）燃烧优化控制计算机仿真

所以当锅炉炉膛内的氧量不同时，通过控制不同的炉膛二次风挡板开度、燃烧器喷射角度，如果能仿真计算出燃烧后烟气中所含的NOx含量，同时能通过视频观察到炉膛内燃烧时火焰强度的情况，一定程度上也能间接反映出锅炉膛内燃烧质量的好坏与NOx之间的关系，能为电厂的现场燃烧优化控制提供重要的参考依据。

3.1 简化后的NOx含量生成数学模型

IF氧量>2.0，并且燃烧器摆角90%时：

NOx含量=（-0.02×氧量）-（0.0001×（燃烧器摆角/100.0）-（0.005×（二次风开度/100.0））；

ELSE

NOx含量=（0.06×氧量）-（0.008×（燃烧器摆角/100.0）-（0.015×

（二次风开度/100.0））。

3.2 锅炉燃烧影响产生NOx的三个主要因素

①炉膛燃烧器的摆角。

②炉膛中的含氧量。

③二次风门的开度。

实际锅炉炉膛内的燃烧情况非常复杂，系统简化后的数学模型考虑起主导作用的三个因素。

培训用仿真机在火电厂和核电厂中得到广泛的应用，它的开发和应用在保证电厂的安全经济性上起到了重要作用。国内主力机组均已有相应的培训仿真机，本文充分借鉴了某电厂机组锅炉热力系统的动态数学模型和相应的仿真模型。模拟程度是否逼真、是否能准确指导现场生产运行的关键是数学模型准确性。数学模型是根据对研究对象所观察到的现象及实践经验，归结成的一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法，用以描述和研究客观现象的运动规律。本系统的NOx计算公式是参考了常规火电厂的仿真算法，由于常规的仿真算法都是用Fortran算法实现，所以本系统作了相对的简化处理。在发电厂锅炉的煤粉燃烧过程中，NOx的形成途径主要有两个：

①有机地结合在煤中的氮化物在高温火焰中发生热分解，并进一步氧化而生成NOx。

②供燃烧用的空气中的氮在高温状态与燃烧空气中的氧发生化合反应而生成NOx。在煤粉锅炉生成的NOx中，主要是NO，约占95%。NOx的生成量与锅炉的容量、结构、燃烧设备、煤种、炉内温度水平和氧量、运行方式等有关。根据本课题研究的实际情况，本系统抽取其中三个主要影响NOx生成的参数进行仿真，经过大量数据的实际运行测试，结果基本符合现场生产的情况，但是如果要更精确的结果，还需要细调仿真公式，完善数学模型。系统运行主界面如图1所示。

3.3 相关操作

点击二次风操作按钮，弹出二级菜单，可以操作改变其开度。

系统计分别计算显示出NOx的最大、最小、平均值以及一个供参考的经济性能指数，如图2所示。

参考文献：

[1] 木林森，高峰霞，罗丽琼，等.Visual C++6.0使用与开发[M].北京：清华大学出版社，1998.

[2] 潘爱民，王国印.Visual C++技术内幕（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2001.