大型電站鍋爐燃燒優化與氮氧化物控制

我國電力結構長期以來呈現出“以煤為主”的基本格局，火力發電仍占據能源供應的主導地位。電站鍋爐作為火電系統中的關鍵設備，其性能水平直接關系到能源利用效率與污染物控制能力。2022年全國電站鍋爐產量同比增長 12.7% ，其中超臨界與超超臨界鍋爐占比高達 67.6% ，標志著鍋爐設備正向高參數、大容量方向邁進。然而，鍋爐參數提升與負荷響應加劇了燃燒區域的流場耦合強度，也使得氮氧化物 （NO_x） ）的生成途徑更加復雜。 NO_x 排放已成為制約燃煤機組清潔化運行的重要瓶頸，傳統依賴脫硝裝置的末端治理模式在實際運行中面臨效率下降、系統負荷加劇等問題。基于上述挑戰，亟需從源頭燃燒過程入手，探索協同優化路徑，從而實現鍋爐運行的高效性與環保性的統一。

1.大型電站鍋爐燃燒系統與 NO_× 生成機理分析

1.1電站鍋爐燃燒系統典型結構

大型電站鍋爐作為現代煤電機組的核心裝備，其燃燒系統結構在滿足能量轉化效率的同時，還需兼顧污染物生成控制、熱能傳遞穩定性與運行負荷響應等多重技術指標。結構構成通常由爐膛本體、燃燒器系統、風煤混配裝置、煙氣再循環路徑、輔助燃燒穩定裝置以及燃盡風系統等部分構成，具有高度集成性與復雜耦合特性。

在典型的超超臨界煤粉鍋爐系統中，爐膛采用直立封閉型結構，頂部設有過熱器與再熱器區域，以利于高溫煙氣對工作介質實現高效換熱。燃燒器常布置于爐膛中部或下部四角，形成切向噴流布局，增強火焰旋轉特性，抑制局部高溫峰值，進而減緩熱力型 NO_x 的生成趨勢。空氣供應系統通常分為一次風、二次風及部分三次風，以實現空氣分級控制與燃燒分級穩定，調節燃燒區域的氧量分布及火焰形態。煤粉輸送系統則依賴中速磨煤機與分離器，實現不同粒徑煤粉的按需送入，提高燃燒效率并降低爐膛碳殘留量。此外，部分機組為提升低負荷運行下的燃燒穩定性，會引入等離子點火系統或燃氣輔助點火裝置，以強化爐膛火焰中心區域的熱場耦合。在控制層面，燃燒系統已逐步集成DCS（分布式控制系統）與燃燒優化控制模塊，通過多參數耦合調節機制，實現風煤比、氧量、煙溫等關鍵變量的動態優化。

1.2NO_x 形成的物理化學機制

NO_x 的生成過程是大型電站鍋爐燃燒系統中不可忽視的化學路徑，其主要形式包括一氧化氮（NO）與二氧化氮 （NO₂） ，其中NO為主導組分，占比通常超過90% 1]。在高溫燃燒環境中， NO_x 主要經由三種機理路徑生成：熱力型、燃料型與快

速型機制。

熱力型 NO_x （Thermal- NO_x| ）生成主要依據Zeldovich機理，在高溫條件（通常超過 1420^°C） 下，由空氣中的分子氮與氧氣直接反應生成，反應速率呈指數級依賴溫度上升。該過程對爐膛火焰中心區域的溫度峰值極為敏感，火焰穩定性及局部氧量分布是調控其生成強度的關鍵變量。燃料型 NO_x （Fuel ?NO_x ）則來源于煤粉中固有的有機氮與無機氮在高溫裂解過程中釋放出的含氮前驅物，如氰基（-CN）、氨氣 （NH₃） ）等，這些中間產物與過量氧或自由基反應后生成 NO_x ，其生成量依賴煤種特性、煤粉粒徑及局部過量空氣系數。快速型 NO_x （Prompt- NO_x） ）雖然整體貢獻較低，但在貧氧區域燃燒初期表現較為突出，源于自由碳氫基團與氮氣在激發態下的鏈式反應，具有瞬時響應性與路徑短促的特征。

2.大型電站鍋爐燃燒優化與氮氧化物控制路徑

2.1區域供氧解耦控制

在電站鍋爐內部，燃燒區存在多尺度氣流分布及氧濃度梯度，其局部富氧現象是熱力型氮氧化物高值生成的直接誘因。為實現高響應精度的供氧調控，可把爐膛劃分為若干燃燒單元區域，構建基于空間分層的局部供氧調節模型。每個區域配置獨立的激光氧傳感器和紅外煙氣溫度探測裝置，形成網格化數據輸入系統。依托數據融合算法提取氧濃度變化趨勢及溫度波動序列，使用模糊自適應控制器預測空氣分布失衡風險，并將優化指令反饋至風門驅動單元。控制指令摒棄靜態邊界值設定，轉而以實時判據函數為核心，執行風速、風溫與風向的三維解耦調節。各區域調節邏輯中嵌入邊界互饋約束，防止風量遷移引發相鄰區域氣體短路或回流。同時，燃盡區應配置動態限氧邏輯，預設最小富氧閾值區間，保障碳燃盡效率不被犧牲。整體系統運行中，需建立供氧閉環自診斷機制，對調節指令效果進行量化評分，迭代優化調節路徑，實現爐內各區域燃燒條件趨于一致性，從根源控制 NO_x 峰值。

2.2煤質識別與粒控配比

煤種差異直接影響 NO_x 的生成趨勢，尤其在摻混煤條件下，煤中含氮組分釋放速率與煤粉粒徑分布之間的失配，會放大燃料型 NO_x 的瞬時峰值。為建立燃煤動態適應路徑，應在原煤輸送線上安裝在線煤質識別系統，采集揮發分、灰熔點、氮含量等關鍵指標，結合紅外光譜與圖像采樣技術，實現多煤種混合識別與分級建模。系統內設決策模塊，將煤質參數輸入粒徑分布優化模型，計算每種煤在特定燃燒段應對應的粒徑目標區間[2。基于輸出結果，調整磨煤機滾壓比和風速配置，動態控制煤粉粒徑范圍。輸送系統需設立分選分配裝置，使細粒煤粉優先進入主燃帶，粗粒煤粉引入燃盡區，從而精準控制著火速率與燃盡程度。整套系統以數據閉環方式運行，實時修正粒徑分布與煤種不匹配所帶來的燃燒偏差。在分粒進料過程中需設置流量監控節點，避免因粒徑偏聚引發流動不穩定。

2.3脈沖擾動控溫技術

連續燃燒狀態下，燃燒區極易形成熱穩態平臺，一旦該區域溫度持續位于Zeldovich反應速率峰值區間，即使供氧調節亦難以顯著壓制 NO_x 生成。所以，建議引入脈沖擾動控溫技術，對火焰溫度時序特性進行有節奏干擾，破壞其熱態穩定性。裝置結構需在主燃帶噴口處設置可調頻脈沖氣閥，由變頻控制模塊驅動，實施高頻（70-120Hz）燃料或輔助氣流短周期注入。擾動脈沖周期長度應匹配煤粉燃燒波前移動速度，使得火焰中心軸沿縱向形成周期性溫度擾動帶。為確保擾動信號有效傳播，建議在燃燒區外壁布設高靈敏紅外測溫陣列，實現對溫場分布的全域響應監控。控制系統需構建溫度波動信號與NO生成速率之間的耦合響應曲線，根據實時數據反饋自動修正擾動幅度與注入頻率。配合擾動節律變化，需引入局部供風輔助調節以維持火焰穩定性[3]。該路徑以周期打斷熱力反應鏈為主軸，不依賴于外源化學還原劑，而是通過火焰結構非穩態擾動重塑 NO_x 形成條件，從根本上抑制熱峰支撐結構的延續。

2.4前饋預測協同調控

在機組深調峰及頻繁負荷變動背景下，鍋爐燃燒狀態受擾強度大、響應滯后性強，若依賴傳統反饋控制，極易出現風煤錯配、火焰脫穩或 NO_x 瞬態超排。解決該問題的關鍵在于構建以預測為核心的前饋控制路徑，并將其嵌入DCS系統的運行邏輯中。系統需以鍋爐主蒸汽流量變化率、爐膛壓差曲線及磨煤出力變動值為預測因子，通過多項式回歸或LSTM神經網絡生成未來60-180秒內的負荷變動預測模型。模型輸出預警等級后，提前下發風量調節、燃料輸送、火焰位置修正等指令至執行模塊。各子系統應預留動態調整參數窗口，確保調節動作具有前瞻性與柔性。同時，需設置狀態識別模塊對當前燃燒狀態進行分類處理，識別燃盡區是否出現超調、主燃區是否存在貧氧漂移等關鍵偏離點。在調控執行策略中，推行多變量聯合修正機制，使風速、煤量、氧濃度在不同反饋路徑中協同響應，避免單一變量控制造成系統過調或耦合沖突。

3.結束語

大型電站鍋爐作為煤電系統的技術核心，其燃燒過程的微觀機制與控制邊界對 NO_x 排放具有決定性影響。本文分別從區域供氧結構重構、燃料粒徑定向調控、火焰溫度擾動設計與負荷預測前饋控制四個路徑切入，構建了差異化、系統化的 NO_x 控制策略體系。未來，電站鍋爐燃燒控制技術的發展將進一步依賴于數字孿生、智能傳感、AI優化等前沿手段。如何將數據驅動與物理機制深度融合，提升控制系統的實時性，將成為大型電站鍋爐系統構建面向“近零排放”目標的關鍵方向。

參考文獻：

[1]卞韶帥、劉凌、費章勝等。電站鍋爐智能燃燒優化基礎技術的研究與應用[J].電力與能源，2024，45（01）：90-94+106.

[2]廖彭偉。基于動態標桿值的電站鍋爐燃燒控制優化[J].熱能動力工程，2023，38（05）：111-116.

[3]薛曉波、王洪江、范國朝。基于爐膛溫度場可視化的鍋爐燃燒優化控制系統應用研究[J].能源科技，2022，20（03）：57-59+67 作者單位：北京國電電力有限公司大連開發區熱電廠