鍋爐飛灰含碳在線測量裝置現(xiàn)狀研究與優(yōu)化

(山西侯馬熱電分公司，山西 侯馬 043008)

0 引 言

鍋爐飛灰含碳量與鍋爐機(jī)械未完全燃燒損失成正比：飛灰含碳量過高，表明鍋爐燃燒不完全，導(dǎo)致發(fā)電成本升高，降低粉煤灰利用價值，增大企業(yè)環(huán)保壓力；飛灰含碳量過低，說明空氣過剩系數(shù)過大或煤粉過細(xì)遠(yuǎn)離最佳煤粉細(xì)度，大量熱能排出鍋爐，降低鍋爐效率，加大廠用電消耗，增加氮氧化物的產(chǎn)生量。飛灰含碳量是電廠運行經(jīng)濟(jì)考核、計算鍋爐效率必不可少的技術(shù)數(shù)據(jù)。

飛灰含碳量對鍋爐燃燒效率的影響：在燃煤鍋爐熱效率計算中我們知道，排煙損失是第一大損失，煤粉燃燒不充分造成的熱損失僅次于此。而絕大部分機(jī)械不完全燃燒熱損失是來自飛灰中的可燃物(飛灰中的含碳量)造成的；目前飛灰占鍋爐總灰量的90%左右，可見降低飛灰含碳量能夠有效降低機(jī)械不完全燃燒熱損失，提高鍋爐效率及發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

飛灰含碳量對供電煤耗的影響:以300 MW機(jī)組為例，一般供電煤耗按330 g/kWh計算，飛灰中含碳量每降低1%，平均可降低供電煤耗約1.4 g/kWh。每年發(fā)電量按10億kWh計算，可節(jié)約1 400 t標(biāo)煤，標(biāo)煤單價按550 元/t計算，年可為企業(yè)節(jié)約資金約70余萬元，效益可觀。

飛灰含碳量對燃煤鍋爐安全影響:飛灰含碳量增高，會引起火焰中心上移，嚴(yán)重時還會造成爐膛出口受熱面管壁超溫，鍋爐減溫水自動調(diào)節(jié)無法正常投入，造成主汽溫度不能穩(wěn)定控制，長此以往，就會造成鍋爐受熱面過熱、磨損，甚至造成爆管等事件。

飛灰含碳量對環(huán)境的影響:鍋爐飛灰可燃物含碳量的大小直接影響鍋爐效率，飛灰含碳量過高，表明鍋爐燃燒不完全，導(dǎo)致發(fā)電成本升高，降低粉煤灰利用價值，增大企業(yè)環(huán)保壓力；飛灰含碳量過低，說明空氣過剩系數(shù)過大或煤粉過細(xì)遠(yuǎn)離最佳煤粉細(xì)度，大量熱能排出鍋爐，降低鍋爐效率，加大廠用電消耗，增加大氣中氮氧化物的產(chǎn)生量。綜上所述，鍋爐飛灰含碳量的控制非常重要，對其進(jìn)行必要的在線監(jiān)控，對于提高鍋爐效率和安全性，降低發(fā)電煤耗、提高飛灰循環(huán)利用程度和降低污染物排放都有巨大的應(yīng)用價值和實用意義。

1 原飛灰含碳量在線測量裝置情況簡介

原鍋爐飛灰含碳在線測量裝置采用灼燒法測量技術(shù)，在線測量裝置安裝在就地，原理是通過對灰樣進(jìn)行灼燒，灼燒前重量減去灼燒后重量，得到重量損失信號，從而得到鍋爐飛灰的含碳量，在機(jī)組運行過程中存在問題較多，主要表現(xiàn)在：①取灰問題：取灰困難，灰量時多時少，灰量少時易產(chǎn)生測量誤差?；伊窟^大，會因灼燒不完全而得不到準(zhǔn)確數(shù)值；②機(jī)械部分的問題：一是稱重的頂桿較長，就地有震動時，導(dǎo)致稱重頂桿震動，給電子天平多余的受力，造成測量數(shù)值的不準(zhǔn)。二是轉(zhuǎn)動盤帶動坩堝轉(zhuǎn)動的過程中，由于震動的原因會導(dǎo)致坩堝震落，使測量中斷；三是坩堝結(jié)焦和損壞頻繁，造成無法連續(xù)測量。③系統(tǒng)龐大：整個系統(tǒng)過于復(fù)雜環(huán)節(jié)眾多維護(hù)量大，任何環(huán)節(jié)的故障都會造成整體系統(tǒng)無法正常工作。④維護(hù)量大：系統(tǒng)因頻發(fā)故障無法長期穩(wěn)定運行，檢修人員維護(hù)量過高，日常通過采取更換備件等措施很難保障裝置連續(xù)穩(wěn)定運行，在線測量裝置的信號趨勢及運行效果一直不能滿足日常運行監(jiān)視、調(diào)整需要。

優(yōu)化前鍋爐飛灰含碳量監(jiān)測只能靠運行人員每日每班現(xiàn)場取樣，化學(xué)人員實驗室灼燒的方法進(jìn)行，該實驗數(shù)據(jù)結(jié)果較滯后，沒有時效性。

因此通過對原飛灰在線測量裝置故障進(jìn)行匯總分析，以及對兄弟單位使用情況調(diào)研，確定技術(shù)革新路線，擬通過優(yōu)化測量裝置來實現(xiàn)飛灰在線測量的有效監(jiān)測，以輔助日常調(diào)整，提高機(jī)組效率，改善經(jīng)濟(jì)性。

2 各種飛灰含碳在線測量裝置原理分析

據(jù)了解，目前國內(nèi)飛灰含碳量在線測量原理可分為三大類：①微波法在線測量含碳量技術(shù)，是利用碳對微波能量產(chǎn)生吸收的特性，通過計算微波能量的損耗從而計算出鍋爐飛灰可燃物中的含碳量。但是，除了碳對微波能量會產(chǎn)生吸收外，飛灰中殘留的礦物質(zhì)(如：二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、碳)同樣會對微波能量造成影響，所以如果煤種發(fā)生變化，微波損失量與含碳量就不存在一定的對應(yīng)關(guān)系。這就說明了微波法測碳技術(shù)在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)測量誤差大，甚至出現(xiàn)測量值與實際含碳量的趨勢不一致現(xiàn)象。另外，微波法測碳技術(shù)產(chǎn)品，需要進(jìn)行取樣測量，取樣的代表性對測量值的影響也無法忽視。②灼燒法測碳技術(shù)，是通過對飛灰標(biāo)樣進(jìn)行稱重、灼燒和再稱重的操作，依據(jù)飛灰中的碳被充分燃盡后的失重情況來計算含碳量的。該類技術(shù)從理論角度分析非常完美，但是在實際應(yīng)用過程中卻存在著非常多的問題，主要表現(xiàn)在：飛灰標(biāo)樣的取樣過程存在代表性問題、稱重設(shè)備在抖動的實際工況下精度無法保證、反復(fù)稱重造成累積誤差增大、干鍋結(jié)焦問題無法避免、灼燒過程飛灰中的碳物質(zhì)是否充分燃盡無法得知、系統(tǒng)過于復(fù)雜環(huán)節(jié)眾多維護(hù)量大，任何環(huán)節(jié)的故障都會造成整體系統(tǒng)無法正常工作。該技術(shù)產(chǎn)品在國內(nèi)機(jī)組盡管有著多年大量應(yīng)用業(yè)績，但是實際運行情況非常不好，都處于缺陷運行或已被棄用狀況；關(guān)鍵問題就是無法長期穩(wěn)定運行(維護(hù)量過高，很難做到連續(xù)穩(wěn)定運行)，測量值的累積無法過高(取樣誤差、稱重誤差、結(jié)焦引起的誤差、灼燒誤差)。③交流電荷感應(yīng)式測碳技術(shù)，原理是每一種物質(zhì)都在‘電荷感應(yīng)序列’中占有一個席位，在動態(tài)環(huán)境下，任何兩種不同物質(zhì)將相互感應(yīng)產(chǎn)生電荷信號，而同種或在‘電荷感應(yīng)序列’中位置相近的物質(zhì)，在相同情況下幾乎沒有感應(yīng)信號(或信號小到無法采集)。感應(yīng)信號的大小與特征僅僅與被測介質(zhì)的質(zhì)量與成份有關(guān)，不受其他任何工況因素的影響，當(dāng)煙道中的煙氣流經(jīng)傳感器探頭時，在煙氣流動過程中煙塵會產(chǎn)生碰撞、摩擦，會產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生電荷場。當(dāng)煙塵流經(jīng)傳感器時，傳感器表面會產(chǎn)生等量感應(yīng)電荷，在傳感器附近流動的帶電煙塵顆粒，產(chǎn)生了感生電流，飛灰含碳量的測量是以傳感器的感生電流信號為基礎(chǔ)，當(dāng)不同含碳量的飛灰可燃物流經(jīng)傳感器時，感生電流信號功率密度頻譜特征和時域形態(tài)就有所不同，系統(tǒng)每秒對1萬個飛灰顆粒進(jìn)行過計算，通過數(shù)字信號處理和功率密度譜變化分析，就可測出飛灰中的相對含碳量，連續(xù)測量可以確定含碳量變化情況。在國外該技術(shù)也叫：無源質(zhì)量感應(yīng)技術(shù)，非常適合飛灰氣固兩相流復(fù)雜工況下介質(zhì)參數(shù)的精確測量需求。系統(tǒng)通過有效感應(yīng)區(qū)域超過半徑3.5米的高敏感度插入式傳感器探頭，直接在煙道中對飛灰進(jìn)行含碳量檢測。設(shè)備設(shè)計非常簡單，無取樣、排灰環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)變化趨勢符合機(jī)組負(fù)荷變化趨勢，穩(wěn)定測出相對飛灰含碳量。

3 應(yīng)用情況分析

優(yōu)化前：機(jī)組啟動或停止后飛灰含碳量仍顯示2%左右，在線測量數(shù)據(jù)沒有參考依據(jù)。

優(yōu)化后：實現(xiàn)了以下技術(shù)性能指標(biāo)的提升：

(1)測量數(shù)據(jù)與負(fù)荷變化趨勢對應(yīng)，能實時在線反映煙道飛灰中的含碳量，相對于實驗室數(shù)據(jù)，更直接反映機(jī)組的工況，給運行人員鍋爐燃燒在線調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)，運行人員可以根據(jù)飛灰含碳量的指標(biāo)及時對燃燒過程做必要調(diào)整，確保煤更完全的燃燒，以減少燃煤消耗和污染物排放。

(2)當(dāng)飛灰含碳量變化，通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，如飛灰可燃物增加代表燃燒工況惡化，運行人員會立即覺察，必須做適當(dāng)調(diào)整，依此控制和調(diào)整燃燒工況；如飛灰含碳量顯示維持在較佳值持續(xù)不變，則沒有進(jìn)一步運行調(diào)整必要?？梢员３謾C(jī)組長期穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運行。

(3)飛灰中的含碳量低于綜合利用方面所要求的數(shù)值，則將能夠銷售更多的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，這樣不但可以提高經(jīng)濟(jì)效益，也能降低灰處置成本。使火電灰具有更廣闊的市場，更顯著的效益，將產(chǎn)生重大的社會效益和環(huán)境效益。

(4)減量提效：原在線測量裝置基本失效，設(shè)備不穩(wěn)定無法連續(xù)工作；測量飛灰含碳量完全采用實驗室取樣，具體的流程是：人工采樣——實驗室烘干——縮分稱重——灼燒——再稱重——含碳量計算，測量一次數(shù)據(jù)至少需要2個小時，采樣周期長，工作量很大，測量數(shù)據(jù)滯后，無法實時反映機(jī)組燃燒工況。在線測量裝置優(yōu)化后降低人員勞動力。而實驗室數(shù)據(jù)可以作為后續(xù)比對的依據(jù)。技術(shù)優(yōu)化后解決了以往存在的技術(shù)難點，降低了維護(hù)量，從而增加現(xiàn)有維護(hù)人員的效益。