CO在線監(jiān)測裝置在鍋爐煙氣參數(shù)檢測中的應用

梁聚齊，王傳生，章家?guī)r，馮旭剛

（1.安徽工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243032；2.馬鞍山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，安徽 馬鞍山 243099）

0 引言

目前我國發(fā)電以火力發(fā)電為主，火電廠耗煤占全國煤炭消耗量的50%以上［1-2］，火電企業(yè)的SO2和CO2排放量會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，在當前國家積極倡導低碳經(jīng)濟發(fā)展的背景下，火電企業(yè)進行節(jié)能減排成為必然趨勢。

火電企業(yè)中使用較多的鍋爐主要是燃煤鍋爐和燃氣鍋爐。在燃煤鍋爐中，通過檢測煙道中的飛灰含碳量，可有效判別鍋爐的燃燒效率，并為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供指導。在燃氣鍋爐中，由于其燃燒能源的特殊性，相對基于氧量控制的燃燒運行優(yōu)化，基于煙氣中CO控制的燃燒優(yōu)化被證明是一種更加有效的優(yōu)化方式［3-4］，因而燃氣鍋爐的燃燒效率可通過檢測煙道尾氣中的CO含量來判別。在鋼鐵冶煉等企業(yè)的自備電廠中，通常采用冶煉鋼鐵過程中產(chǎn)生的高爐煤氣、焦爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣體作為鍋爐燃燒的主要能源，因而鍋爐煙道尾氣中CO含量檢測結(jié)果可以為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供很好的指導。良好的燃燒效率不僅可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，還可以節(jié)能減排［5］。

筆者首先對幾種常用的CO檢測方法進行介紹。通過對比性分析，確定用于發(fā)電鍋爐煙道尾氣中CO在線實時檢測的方法。然后分析用于發(fā)電鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測的在線式CO監(jiān)測裝置的原理、結(jié)構(gòu)組成和應用效果。最后對在線式CO監(jiān)測裝置的發(fā)展進行展望。

1 CO氣體的檢測方法

CO氣體的檢測方法主要有電化學法、電氣法、色譜法、紅外線吸收法等。目前，在CO氣體在線監(jiān)測過程中通常使用的是電化學法和紅外線吸收法［6］。

1.1 電化學法

電化學法指的是利用CO的平衡化學電池反應，通過監(jiān)測電池的電極電壓變化來表明CO含量［7］。該檢測CO含量方法的主要原理為定電位電解法，三端電化學式傳感器為其核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在酸性電解液中設(shè)置了測量、參考及對應這3個電極。在兩個反應的電極之間加上合適的電壓，一旦CO氣體透過半透膜而進入傳感器，兩個反應電極就會立即發(fā)生相對應的氧化-還原反應［8］：

陽極：CO+H2O→CO2+2H++2e-，

陰極：1/2O2+2H++2e-→H2O 。

圖1 CO電化學傳感器原理圖Fig.1 Principle diagram of CO electrochemical sensor

綜上所述，一旦CO氣體進入到電化學傳感器內(nèi)部，其內(nèi)部就會立即發(fā)生氧化-還原的可逆反應。該反應的化學反應式如下所示：

在CO氣體經(jīng)擴散進入傳感器之后，這個可逆反應就始終發(fā)生著，并在工作電極和對電極之間產(chǎn)生電位差。當CO氣體濃度發(fā)生變化時，傳感器相應的輸出電位差也成比例發(fā)生變化［9］。

在三電極電化學氣體傳感器中，參考電極的加入主要是為了維持極間電位的恒定，因此該化學傳感器輸出端的變化反映了參考電極和工作電極兩個電極之間電位所發(fā)生的變化。參比電極由于不參與上述化學反應，故其能使電極間的電位維持恒定，此時CO含量的變化就可以通過此電位的變化直接顯示出來。

1.2 紅外線吸收法

不同物質(zhì)分子的振動頻率一般是不同的，只有在紅外光譜的頻率與分子本身的特定頻率一致的前提下，該種分子才能吸收紅外光譜輻射能［10］。所以通常情況下，不同的分子所能吸收的紅外線輻射能的波長范圍也是不同的。

圖2為一個紅外線CO檢測裝置示意圖，將紅外線發(fā)射器和接收器分別安裝在測量室的兩側(cè)。紅外線發(fā)射器產(chǎn)生一個包含波長為4.65 μm的紅外線光輻射源［6］。當經(jīng)過過濾處理的樣氣進入測量室后，若樣氣中含有CO氣體，則發(fā)射器產(chǎn)生的輻射能中波長為4.65 μm的光能量就會因為被CO氣體吸收而有所減少，該波長光能量的損耗值與CO的濃度呈正比關(guān)系。在紅外輻射能穿過測量室之后，紅外線接收器接收檢測到剩余能量，將接收器檢測到的能量值與紅外線發(fā)射器產(chǎn)生的原始發(fā)射能量值相比較，就可以得出在測量室中損失的能量值，經(jīng)進一步計算可得出被測CO氣體的濃度值。

圖2 紅外線CO氣體檢測示意圖Fig.2 Schematic diagram of infrared CO gas detection

1.3 電化學法與紅外線吸收法對比

電化學法與紅外線吸收法的具體對比情況見表1。

表1 電化學法與紅外線吸收法對比Tab.1 Comparisons of electrochemical method with infrared method

將兩種檢測方法進行對比分析可知，紅外線法具有非接觸測量等優(yōu)點，但儀器響應速度相對較慢、結(jié)構(gòu)復雜、造價高昂、抗干擾性差、維護難度大。電化學法應用普遍，綜合指標較好，其優(yōu)點是響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單、價格適中、可維護性好。發(fā)電鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測中所使用的CO在線監(jiān)測裝置多使用電化學方法。

2 CO在線監(jiān)測裝置

在國家積極推行節(jié)能減排政策的環(huán)境下，CO在線監(jiān)測裝置在大型發(fā)電廠或工業(yè)鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測中的應用將會有巨大的市場前景。目前，進口產(chǎn)品以德國西門子以及德國西克麥哈克的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)為主，國內(nèi)相關(guān)的同類產(chǎn)品主要是以廈門格瑞斯特（ABB）和北京華圣金程（WALSN）為代表。

本文所述的是基于電化學法的CO在線監(jiān)測裝置。它具有價格適中、可維護性好等優(yōu)點，主要用于鍋爐煙氣中CO含量的監(jiān)測，進而根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對鍋爐的燃燒狀況進行優(yōu)化，這樣不僅可以使得燃料得以充分利用，為工礦企業(yè)節(jié)約能源，還減少污染氣體的排放，保護環(huán)境。

2.1 監(jiān)測裝置運行機制

安裝于采樣探頭內(nèi)部的過濾器可以有效地將需要被分析的氣體中的小顆粒物去除，隨后經(jīng)過一次過濾處理的氣體經(jīng)過采樣管被輸送到主機柜內(nèi)。

氣體在主機柜內(nèi)經(jīng)過二次過濾和冷凝脫水后變?yōu)楦蓺?，再通過精濾送入CO傳感器，此傳感器對送入其內(nèi)氣體的CO含量進行測量并將該濃度轉(zhuǎn)換成標準電流信號（4～20 mA）予以輸出。

2.2 監(jiān)測裝置組成

CO監(jiān)測裝置包括取樣探頭，測量控制主機單元，過濾、吹掃處理單元，其組成架構(gòu)如圖3所示。其中，取樣探頭主要用于從鍋爐煙道中抽取樣氣，并進行初步過濾；測控單元主要用于控制系統(tǒng)運行以及檢測、顯示CO含量；過濾、吹掃處理單元主要用于煙氣過濾、熱反吹等。

圖3 CO在線監(jiān)測裝置組成架構(gòu)Fig.3 Structure of CO online monitoring device

2.2.1 取樣探頭 采樣探頭采用耐高溫、耐磨損材質(zhì)制成標準型，不僅能夠經(jīng)受鍋爐煙道的苛刻環(huán)境，而且還可以有效防止煙道粉塵堵塞采樣管。取樣探頭外面套有高溫耐磨防護管，能有效延長取樣探頭的使用壽命。

2.2.2 測控單元 測控單元安裝于一個立柜式的金屬機箱的內(nèi)部。為保證檢測結(jié)果的實時性和精確性，檢測單元采用雙傳感器，一用一備。在系統(tǒng)正常運行階段，當其中處于工作狀態(tài)的傳感器出現(xiàn)影響檢測結(jié)果的相關(guān)故障時，相關(guān)的故障報警信號被觸發(fā)，同時另一個處于備用狀態(tài)的傳感器開始運行直至故障消除［7］。檢測CO濃度值所用的傳感器采用可適應工業(yè)現(xiàn)場苛刻環(huán)境的進口電化學傳感器，該傳感器在經(jīng)過多級過濾處理氣體中CO濃度時，會將此濃度值自動轉(zhuǎn)換為標準的電流信號（4～20 mA）予以輸出。

在正常運行階段，控制單元控制采樣泵，并將樣氣抽入到儀器內(nèi)部。在反吹掃階段，控制中心控制相關(guān)元器件進行系統(tǒng)的反吹掃。如果遇到異常狀態(tài)，控制中心會產(chǎn)生故障報警信號提示工作人員進行檢查維護。

2.2.3 過濾、吹掃處理單元 過濾、吹掃處理單元組成包括煙塵過濾組件、熱反吹加熱組件以及取樣、反吹切換系統(tǒng)等。采用熱反吹加熱元件，有效防止探頭堵塞。采樣泵通過采樣管和采樣探頭以預設(shè)的抽取速度從煙道中抽取樣氣，樣氣首先經(jīng)過采樣探頭外面的金屬濾網(wǎng)去除大顆粒物質(zhì)，然后由冷凝器降溫，除去其中的水汽，之后經(jīng)過多級過濾器濾除其中的其他氣體成分，最后送入檢測單元分析CO含量。在多級過濾期間，樣氣在經(jīng)過冷凝器時冷凝產(chǎn)生的水由蠕動泵排出。在系統(tǒng)分析過樣氣中的CO含量之后，剩余廢氣經(jīng)由特定的排氣口排出。

為了防止采樣氣體中的小顆粒物對系統(tǒng)采樣探頭造成堵塞，進而影響系統(tǒng)正常工作，需要定期采用壓縮空氣對采樣探頭進行反吹掃［11］。

2.3 監(jiān)測裝置應用情況

CO在線監(jiān)測裝置在安徽某電廠鍋爐中投入運行半年以來使用情況良好，能準確檢測出煙氣中CO含量，為現(xiàn)場人員對鍋爐燃燒狀況進行優(yōu)化提供了可靠保證。

圖4是鍋爐運行過程中DCS中的CO、O2、含碳量以及鍋爐負荷趨勢圖，其中最上面的曲線是負荷曲線，其下面的曲線依次分別是CO含量曲線、O2含量曲線、含碳量A數(shù)據(jù)曲線和含碳量B數(shù)據(jù)曲線。從圖4中可以看出，隨著鍋爐負荷的不斷變化，煙氣含量中CO數(shù)值不斷發(fā)生變化，并且負荷變化與CO含量變化兩者之間的滯后性極小。CO和O2的值由于負荷變化而存在振蕩，但總體來說該CO監(jiān)測裝置對鍋爐燃燒調(diào)整作用效果良好。

圖4 CO含量曲線圖Fig.4 CO content curve

3 展望

1）取樣管長度。由于現(xiàn)場環(huán)境限制，通常要求采樣管長度在30～50 m。而過長的采樣管使得采集到的樣本以及檢測到的數(shù)據(jù)具有較大的滯后性。對鍋爐燃燒狀況的優(yōu)化所依照的參數(shù)數(shù)據(jù)總是之前時刻的，這將導致對鍋爐燃燒狀況的優(yōu)化始終存在慢一步的情況，對于鍋爐燃燒的優(yōu)化無法提供較好的幫助。因此，在滿足工業(yè)現(xiàn)場需求的情況下，盡量減小由于采樣管長度過長導致的樣氣及其中的檢測參數(shù)的滯后性是未來研究的一個重要方向。

2）取樣點位置。目前，大多數(shù)火電企業(yè)在對煙道尾氣關(guān)鍵熱工參數(shù)進行監(jiān)測時，通常把除塵器出口作為一個較為理想的監(jiān)測參數(shù)取樣點。主要是因為該處煙氣溫度較低、流速平穩(wěn)、對設(shè)備的環(huán)境適應性要求低、對設(shè)備進行維護比較方便。但是由于該采樣點相距鍋爐爐膛較遠，檢測產(chǎn)生的CO濃度值具有一定的滯后性，無法反映鍋爐目前的燃燒狀態(tài)，故此濃度值對于鍋爐燃燒優(yōu)化的指導作用不強。因此，在綜合考慮監(jiān)測結(jié)果的實時性、準確性以及現(xiàn)有檢測器件發(fā)展水平等情況下，如何選擇最優(yōu)的、可以為鍋爐燃燒優(yōu)化提供合理指導數(shù)據(jù)的CO在線檢測裝置的安裝位置，可以作為下一步研究的重點。

4 結(jié)語

在國家積極倡導節(jié)能減排的大背景下，實現(xiàn)煙道尾氣中CO含量的實時監(jiān)測，為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供指導是非常有必要的。本文介紹了兩種主要的CO在線檢測技術(shù)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場苛刻的使用環(huán)境選擇電化學法進行現(xiàn)場應用。雖然基于電化學法的CO在線監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可以在苛刻的環(huán)境下進行關(guān)鍵燃燒參數(shù)的檢測，但是在取樣管長度、取樣點位置的選取這兩方面仍需作進一步研究。

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