燃煤鍋爐煙氣中CO含量合理控制值的測算

劉季江，包海斌

（國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315800）

0 引言

燃煤鍋爐的燃燒工況好壞，在很大程度上影響著鍋爐設(shè)備和發(fā)電廠運行的經(jīng)濟性和安全性。一個良好的燃燒工況，應符合風煤配比合理、燃料燃燒完全、爐膛溫度場和熱負荷分布均勻、污染物排放可控的條件。而在煤粉不完全燃燒過程中，最直接的反應是在煙氣中生成中間產(chǎn)物CO（一氧化碳），這也是鍋爐燃燒過程中產(chǎn)生的污染物之一，從而造成爐膛缺氧燃燒，長時間運行后會產(chǎn)生結(jié)焦、結(jié)渣、高溫腐蝕、過熱器及再熱器管壁超溫等不利于機組經(jīng)濟、安全運行的問題。

鍋爐燃燒調(diào)整以往是根據(jù)爐膛氧量或省煤器出口氧量的測量數(shù)據(jù)來進行，存在測量準確性低、數(shù)值取樣代表局部性等缺點。國外早有根據(jù)CO含量進行鍋爐調(diào)整和燃燒控制的文獻記載，通過該方法進行燃燒調(diào)整能做到更為準確。可以在爐膛燃燒器區(qū)域、爐膛燃燼區(qū)域、煙囪出口等多個區(qū)域進行測量，能直接反應爐膛各區(qū)域燃燒狀況，用以指導燃燒配風、配煤的調(diào)整。

1 控制CO排放量的意義

1.1 表征鍋爐燃燒效率

煤粉燃料進入爐膛燃燒，需要提供適當?shù)目諝饬?，即控制燃料量與空氣量的比例，使過量空氣系數(shù)保持在一定范圍內(nèi)，盡可能減小不完全燃燒損失。因此，風煤比配合直接影響鍋爐燃燒的質(zhì)量，關(guān)系到鍋爐燃料效率的高低。日常燃煤鍋爐運行中，通過爐煙成分在線分析連續(xù)監(jiān)督燃燒質(zhì)量，以便及時調(diào)整燃料和空氣的比例，使燃燒維持在良好、經(jīng)濟的狀態(tài)下。CO含量、氧量與鍋爐燃燒效率之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒相關(guān)的因素與燃燒效率關(guān)系

從圖1可以看到，如果燃燒空氣量不足，煙氣中會包含大量的未燃燼產(chǎn)物（CO，未燃燼碳等），隨著空氣量的繼續(xù)降低，未燃燼產(chǎn)物特別是煙氣中CO含量會迅速增加，此時，燃燒不完全造成燃料浪費、燃燒效率降低；相反，如果空氣量充分，煙氣中CO含量隨之迅速減少，燃料燃燒完全，燃燒效率提高。但是，燃燒所需的空氣量并不是越多越好，空氣量過剩會耗費更多的廠用電（風機耗能增加），增加排煙損失，降低爐膛燃燒區(qū)域溫度，反而導致燃燒效率下降。

綜上分析，可以根據(jù)每臺鍋爐燃燒過程中得到的CO含量、氧量及其他相關(guān)因素曲線，找到鍋爐燃燒效率最高值所在區(qū)間。

1.2 預防水冷壁高溫腐蝕

高溫腐蝕是指處于高溫煙氣環(huán)境中的爐內(nèi)水冷壁管，在具有較高管壁溫度時所發(fā)生的銹蝕現(xiàn)象。一般發(fā)生高溫腐蝕的最重要的內(nèi)在條件是燃煤中存在S，K，Na等物質(zhì)，燃燒器區(qū)域的高溫環(huán)境使燃煤中礦物質(zhì)成分揮發(fā)出來，煙氣中的腐蝕性氣體SO2，SO3與H2S含量較高，從而導致高溫硫腐蝕產(chǎn)生。

此外，燃燒器區(qū)域內(nèi)碳氫燃料和空氣的預混燃燒，由于CO的生成速率很快，在火焰區(qū)CO濃度迅速上升到最大值，使得該區(qū)域還處于還原性氣氛，還原性氣氛導致灰熔點溫度的下降及其在管壁凝結(jié)速度的加快，破壞水冷壁表面的氧化膜，從而引起受熱面的腐蝕。因而，由爐內(nèi)高溫氣流的劇烈擾動所引發(fā)的水冷壁管壁溫度高、煤粉火焰貼墻以及水冷壁壁面附近的高還原性氣氛則構(gòu)成了高溫腐蝕的外部條件。研究表明：水冷壁附近O2含量小于等于2%，CO含量大于0.5%，是構(gòu)成大型鍋爐水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的重要條件。

1.3 減少鍋爐NOX排放

鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOX（氮氧化物）有3種來源：燃料型NOX、熱力型NOX和快速溫度型NOX。在燃用揮發(fā)分較高的煙煤時，燃料型 NOX和熱力型NOX含量較多，快速型NOX極少。氧氣濃度越高，NOX生成量也越大。NOX的生成除了與燃料本身有關(guān)外，還與燃燒溫度、煤粉管濃度均勻性、燃料與空氣混合狀況等因素有關(guān)。

對燃燒所需氧量的控制與調(diào)整是降低NOX排放濃度的有效措施之一，但僅用氧量控制燃燒有可能出現(xiàn)以下情況：氧量過低使得煤粉在缺氧環(huán)境下燃燒，抑制了NOX的生成，但造成煙氣飛灰含碳量及CO排放濃度大幅上升；氧量過高于燃燒合理配比的要求時，CO排放濃度大幅減小，在這種情況下，N和O將化合生成NOX，增加鍋爐NOX排放。因此需兼顧煙氣CO和O2的含量，將實時檢測到的煙氣CO濃度作為調(diào)整氧量控制值的依據(jù)，進而優(yōu)化調(diào)節(jié)送風量，從而在一定程度上減少NOX的生成。

2 煙氣中CO含量與各燃燒因素的關(guān)系

2.1 CO的生成與缺氧燃燒有關(guān)

煙氣中的CO是含碳燃料在燃燒過程中生成的一種中間產(chǎn)物。它的生成機理為：RH→R→RO2→RCHO→RCO→CO。其中，R為碳氫自由基團，最初存在于燃料中的所有碳都將形成CO。RCO原子團主要通過熱分解生成CO，也可以通過氧化碳氫基團R后生成CO?；鹧嬷械腃O再與氫氧化物進行氧化反應，生成CO2，反應式如下：

燃燒過程中CO氧化成CO2的速率要比CO生成速率低，所以CO是不完全燃燒的產(chǎn)物。若能組織起良好的燃燒過程，即具備充足的氧氣、充分的混合、足夠高的溫度和較長的滯留時間，燃燒中間產(chǎn)物CO最終會燃燒完畢，生成CO2或H2O。因此，控制燃煤鍋爐CO排放的手段不是抑制它的形成，而是使之完全、充分地燃燒。

2.2 煙氣CO含量控制值不受負荷的影響

圖2為國外某能源機構(gòu)的研究成果，某臺機組通過試驗，確定的最佳CO控制值為250 mg/m3。

由圖2可以看到，不論鍋爐負荷如何變化，煙氣排放中CO含量控制值可以不受負荷變化的影響，燃燒調(diào)整的目的只需要將CO含量設(shè)定在最佳控制區(qū)域，就能保證鍋爐始終處于高效的燃燒狀態(tài)，并最終找到對應的燃燒所需氧量。經(jīng)查閱相關(guān)資料，不同爐型、不同燃燒方式下，CO最佳控制值的推薦范圍是62.5～500 mg/m3。

圖2 鍋爐負荷變化對于CO最佳控制值和O2設(shè)定值的影響

2.3 CO和O2含量受漏風的影響

漏風對于煙氣CO含量測量和O2含量測量的影響是不同的。假設(shè)當前煙氣中O2測量值為2%，CO測量值為250 mg/m3，若存在5%的漏風，由于空氣中的O2占20.95%，所以有5%的漏風中O2約占1%，將導致O2測量值從2%上升至最高3%，相對誤差50%；但空氣中沒有CO，5%的漏風只會導致CO測量值的讀數(shù)誤差變化5%，即由250 mg/m3降為237.5 mg/m3。由此可見，煙氣CO含量受漏風的影響大大小于O2量受漏風的影響，這也從一定程度上說明了煙氣中CO含量的測量值更為準確，對燃燒工況的監(jiān)視更具有直接指導意義。

3 總風量控制策略分析

以某廠1號、2號2臺600 MW燃煤機組作為分析煙氣CO含量合理控制值的測算對象。根據(jù)前面的分析，得到控制煙氣中CO含量只取決于爐膛總風量的大小。圖3所示為1號機組總風量控制策略，可見總風量主要是根據(jù)鍋爐主控（即給煤量）及當前負荷指令2個參數(shù)進行計算，再經(jīng)運行人員手動調(diào)整風量控制系數(shù)后得到。它與入爐總風量的測量反饋值一起經(jīng)PID控制器運算，輸出到送風機動葉開度指令。

圖4所示為2號機組總風量控制策略，與1號機組不同之處在于：2號機組控制值為送風母管，即二次風母管壓力值，運行人員能手動調(diào)整二次風母管的壓力偏置值進行修正，并與入爐二次風測量反饋值一起經(jīng)PID控制器運算輸出，來調(diào)整2臺送風機動葉開度。

圖3 1號機組總風量控制策略

圖4 2號機組總風量控制策略

從這2臺機組的總風量控制策略上可見，無論是控制爐膛總風量或是控制二次風風壓的方式，都只是建立在給定函數(shù)關(guān)系上的被動送風，僅根據(jù)鍋爐主控及負荷作為爐膛配風的參考，并沒有結(jié)合當前在線監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)（比如CO，NOX等數(shù)據(jù)）對燃燒工況進行自動的及時調(diào)整，使設(shè)備達到最優(yōu)的燃燒效率。因此，這種傳統(tǒng)的控制策略只能通過運行人員在線分析調(diào)整來手動干預送風量。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻，目前，國外已有根據(jù)煙氣中最適宜的CO含量值，采用兼顧CO和O2的燃燒控制新策略用于燃燒的控制，即通過檢測煙氣中的CO含量或同時檢測煙氣中CO和O2的含量來進行送風量的調(diào)整。將CO濃度值控制在最佳燃燒控制區(qū)間（根據(jù)不同類型機組進行相應計算）以內(nèi)，動態(tài)微調(diào)氧量值，通過控制器的輸出調(diào)整送風動葉開度，以確定最佳送風量，指導運行人員調(diào)整燃燒，使設(shè)備達到最優(yōu)的燃燒效率。

4 最佳CO排放控制值（區(qū)間）測算

根據(jù)上述章節(jié)的分析，在某個給定的煤種和負荷工況下，總能找到一個最佳燃燒效率區(qū)域，而該區(qū)域?qū)腃O排放值應保持不變。當與燃燒相關(guān)的因素發(fā)生變化時，根據(jù)計算所得的CO最佳控制區(qū)間來動態(tài)調(diào)整爐膛氧量值，就能保證鍋爐始終處于最佳的燃燒狀態(tài)。如表1、表2所示，通過選取2臺機組在600 MW工況下的數(shù)據(jù)進行分析，來測算其最佳CO控制值（區(qū)間）。

表1 1號機組600 MW工況下部分燃燒參數(shù)

表2 2號機組600 MW工況下部分燃燒參數(shù)

根據(jù)表1和表2中機組氧量控制值與鍋爐熱效率的數(shù)據(jù)，繪制得到圖5。

圖5 2臺機組氧量控制值與鍋爐熱效率關(guān)系

根據(jù)圖5，從經(jīng)濟性角度分析得到：當1號機組氧量控制值位于2.9%～3.1%時，機組鍋爐熱效率處于較高區(qū)間，再結(jié)合表1得到CO含量在180～250 mg/m3應為該機組最佳控制區(qū)間；當2號機組氧量控制值位于2.8%～3.0%時，機組鍋爐熱效率處于較高區(qū)間，再結(jié)合表2得到CO含量在340～520 mg/m3應為該機組最佳控制區(qū)間。

此外，從機組運行的安全性出發(fā)：表1中1號機組NOX含量值的變化趨勢顯示，當機組氧量逐漸增加時，NOX排放量逐步上升，因此運行中氧量控制值過高，不僅不利于燃燒的經(jīng)濟性，且增加了其他污染物的排放；但是，表2中2號機組NOX含量值隨著機組氧量的增加變化不明顯，且在低氧量運行時NOX長期顯示測量上限，已經(jīng)處于極度缺氧燃燒狀態(tài)，這說明2號機組受其他因素的制約，影響了機組送風量的增加，使得鍋爐在高負荷階段較容易處于缺氧燃燒狀態(tài)，在某種程度上易催生水冷壁區(qū)域發(fā)生高溫腐蝕等情況。因此，結(jié)合安全性和經(jīng)濟性的考慮，2號機組在高負荷工況下，運行中氧量應控制得高些，即盡可能控制氧量在3.0%以上，CO含量相應降低并控制在300～450 mg/m3為宜。

5 結(jié)論

（1）在機組運行過程中，應經(jīng)常關(guān)注煙氣CO濃度在線檢測系統(tǒng)提供的煙氣CO實時數(shù)據(jù)，逐步摸索通過煙氣CO數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，來判斷燃燒工況是否處于最佳狀態(tài)。同時，可結(jié)合NOX濃度值的變化，及時調(diào)整鍋爐送風量，避免或減緩高溫腐蝕的發(fā)生。

（2）上述2臺機組的CO監(jiān)測儀安裝于煙囪出口40 m平臺的高度，機組燃燒后煙氣與空預器漏風等已充分混合。如果能在機組空預器入口處的兩側(cè)煙道增加CO的檢測點，更能反應爐膛燃燒后煙氣取樣的代表性，同時減少漏風對煙氣CO含量測量的影響。

（3）將根據(jù)2臺機組在600 MW工況下估算得到的CO最佳控制區(qū)間用于指導其他負荷段工況的燃燒調(diào)整，并進行適當修正后，可最終得到適用于該機組的煙氣CO含量最佳控制值。

（4）在機組燃燒調(diào)整實驗中，應突破傳統(tǒng)觀念，將煙氣CO作為燃燒調(diào)整新增的關(guān)鍵參數(shù)，探討兼顧CO和O2的燃燒控制新策略的開發(fā)和應用，進而得到更為精確的機組煙氣CO最佳控制值。

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