飛灰含碳頻譜測(cè)量方法解析

牛貝

【摘 要】本文介紹了燃煤電廠鍋爐飛灰含碳在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，為優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，降低煤耗，提高鍋爐熱效率提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】頻譜；在線監(jiān)測(cè)；飛灰含碳；鍋爐效率

一、概述

飛灰含碳量是燃煤電廠燃燒效率的重要指標(biāo)，同時(shí)也是鍋爐燃燒控制調(diào)整的依據(jù)，合理控制飛灰含碳量的指標(biāo)，有利于降低發(fā)電成本，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。采用燃燒失重法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量從制樣烘干到完成測(cè)量一般需要6個(gè)小時(shí)，存在延時(shí)現(xiàn)象，無(wú)法滿足測(cè)量要求。同時(shí)受到灰樣采集、樣品代表性、結(jié)果滯后等因素的影響，不能及時(shí)準(zhǔn)確的反映燃燒工況的變化，對(duì)鍋爐燃燒的控制和調(diào)整的指導(dǎo)性、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

飛灰含碳量太高會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：

（1）在鍋爐運(yùn)行工況相同的情況下，若煤粉不能夠充分燃燒就會(huì)造成鍋爐尾部煙氣中的飛灰含碳量過(guò)高，從而導(dǎo)致鍋爐的固體不完全燃燒損失升高、鍋爐效率降低、煤耗增加、機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降。

（2）飛灰含碳量過(guò)高會(huì)使鍋爐的爐膛出口煙氣溫度偏高，造成爐膛出口的換熱器的管壁超溫，如果受熱面金屬長(zhǎng)期超溫，可能會(huì)導(dǎo)致受熱面的損壞率增高。另外，飛灰中的碳會(huì)沉積在鍋爐尾部煙道中，達(dá)到一定濃度時(shí)可能會(huì)二次燃燒，影響鍋爐運(yùn)行的安全性。

（3）粉煤灰是水泥生產(chǎn)中的一種添加劑，各火力發(fā)電廠都在大力發(fā)展粉煤灰項(xiàng)目，從而提高企業(yè)利潤(rùn)。飛灰含碳量過(guò)大時(shí)會(huì)影響飛灰作為添加劑的作用，不利于水泥生產(chǎn)企業(yè)對(duì)鍋爐固體污染物的回收，影響發(fā)電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

飛灰含碳量作為燃煤電廠燃燒效率的重要指標(biāo)，同時(shí)也是鍋爐燃燒控制調(diào)整的依據(jù)，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局在聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年》中明確要求：“全國(guó)新建燃煤發(fā)電機(jī)組平均供電煤耗低于300克標(biāo)準(zhǔn)煤/千瓦時(shí)”。所以，在線飛灰含碳量的檢測(cè)顯得尤為重要，只有實(shí)現(xiàn)飛灰含碳量的在線可靠監(jiān)測(cè)才能實(shí)現(xiàn)煤耗的降低、運(yùn)營(yíng)成本的減少及NOx等污染源的排放達(dá)標(biāo)。

二、不同測(cè)量方法比較

傳統(tǒng)測(cè)量飛灰含碳量檢測(cè)是采用化學(xué)灼燒失重法，即利用取樣器在煙道中提取一定重量的飛灰樣品，然后放入馬弗爐中高溫灼燒若干小時(shí)，然后利用燃燒前后的重量差來(lái)確定飛灰中的含碳量。該方法是一種離線的實(shí)驗(yàn)室分析方法，具有檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，但受灰樣采集、分析時(shí)間滯后等因素影響，導(dǎo)致測(cè)量的結(jié)果不能及時(shí)準(zhǔn)確地反映當(dāng)前的鍋爐燃燒的工況，對(duì)鍋爐燃燒的控制和燃燒調(diào)整的指導(dǎo)缺乏實(shí)時(shí)性。近些年，鍋爐飛灰含碳量的測(cè)試方法有了很大發(fā)展，除了灼燒法之外，出現(xiàn)了許多能夠快速測(cè)定飛灰含碳量的新方法。

（一）微波吸收+煙道等速取樣法

微波吸收法是利用飛灰中的碳吸收微波而使固定頻率微波信號(hào)產(chǎn)生衰減的原理進(jìn)行檢測(cè)。微波吸收法是目前研究得最多的，也是測(cè)量精度最高，測(cè)量速度最快的測(cè)量方法。但是微波吸收受煤種變換的影響較大，誤差超2%C，同時(shí)國(guó)內(nèi)電廠一般都會(huì)進(jìn)行配煤摻燒，這就嚴(yán)重影響了它的應(yīng)用。

（二）灼燒失重法

這種方法是基于傳統(tǒng)的燃燒失重法的原理開發(fā)的一種實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其基本過(guò)程是：先將天平上的空過(guò)濾筒稱重，然后用等速取樣器將煙氣中的飛灰分離出來(lái)送入過(guò)濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳出來(lái)送入過(guò)濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳出來(lái)送入過(guò)濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳完全被氧化后再次進(jìn)行稱重，根據(jù)加熱前的量差計(jì)算出飛灰樣品中碳含。這種裝置的檢測(cè)時(shí)間大于30分鐘，飛灰樣品的重量約為2克，精度為±0.5% 。

灼燒失重法的優(yōu)點(diǎn)是檢結(jié)果與煤質(zhì)和煤種無(wú)關(guān)。但除檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)外，其測(cè)量精度還受天平自身精度、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)、溫度變化等因素嚴(yán)重影響；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量較大，幾乎每周都需要維護(hù)等導(dǎo)致采用該原理的測(cè)量?jī)x一直未能在電廠廣泛應(yīng)用。

（三）紅外線檢測(cè)法

紅外線檢測(cè)法是利用飛灰中不同成分對(duì)紅外線的反射率不同的原理進(jìn)行檢測(cè)，按照標(biāo)定好的不同的飛灰樣品的反射率得出檢測(cè)結(jié)果。紅外線法的設(shè)備簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、檢測(cè)時(shí)間短且沒有環(huán)境污染。但是和光學(xué)反射法一樣，當(dāng)飛灰顆粒不均勻并且飛灰含碳量不同時(shí)，反射信號(hào)與飛灰含碳量沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，而且煤種的變化也會(huì)對(duì)反射信號(hào)的變化產(chǎn)生影響。所以飛灰顆粒和煤種的變化會(huì)對(duì)這種方法的檢測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響。根據(jù)紅外線檢測(cè)法生產(chǎn)的產(chǎn)品很多，這種方法的測(cè)量時(shí)間約為10分鐘，測(cè)量精度約為0.5%。

（四）取樣方法

以上原理設(shè)計(jì)的飛灰測(cè)碳儀均安裝在空預(yù)器后的煙道上，通過(guò)等速取樣和旋風(fēng)分離器進(jìn)行取樣，取出煙道后進(jìn)行測(cè)量。然而在實(shí)際應(yīng)用中主要存在以下問(wèn)題：

1.取樣代表性較差，由于煙道內(nèi)流場(chǎng)分布不均、顆粒粒徑分布不均，造成取樣代表性較差；

2.取樣管路易堵塞，由于煙道內(nèi)溫度較高取出后飛灰又極易吸潮板結(jié)，堵塞取樣管路；

3.當(dāng)鍋爐負(fù)荷較低時(shí)，采樣周期較長(zhǎng)，甚至長(zhǎng)期取不到灰。

綜上所述，上述在線飛灰含碳量檢測(cè)裝置都取得了一定效果，但容易受到煤種變換的影響，測(cè)量精度普遍較低，不能準(zhǔn)確的反應(yīng)飛灰含碳量的變化趨勢(shì)等問(wèn)題依然比較突出。另外多數(shù)安裝在煙道上，采用等速抽取式取樣，由于煙道內(nèi)流場(chǎng)不均導(dǎo)致此類儀器的代表性較差；同時(shí)由于將灰樣由高溫區(qū)取至低溫區(qū)極易造成灰樣的受潮吸水，從而堵塞取樣管路，造成儀器普遍無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行。

三、頻譜分析技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

采用獨(dú)特的頻譜分析技術(shù)，從原理上克服傳統(tǒng)測(cè)量方式弊端，即：采用頻譜分析技術(shù)通過(guò)頻譜掃描精確鎖定C元素的波譜特性，避免其它分子態(tài)物質(zhì)的干擾，實(shí)現(xiàn)飛灰含碳量的精確測(cè)量，避免煤種變換的影響。此外，系統(tǒng)還采用獨(dú)特安裝位置和取樣量的控制方式保證取樣代表性強(qiáng)和取樣系統(tǒng)不堵塞；同時(shí)具備同步取灰功能，可通過(guò)氣動(dòng)取灰裝置實(shí)現(xiàn)同步取灰用于精度檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定復(fù)測(cè)。

（一）頻譜掃描測(cè)量技術(shù)

基于頻譜掃描測(cè)量技術(shù)，利用飛灰主要由分子態(tài)的二氧化硅SiO2、AL2O3、Fe2O3、CaO等物質(zhì)和石墨態(tài)的C聚合而成，而電磁波在特定模式下，不同分子態(tài)物質(zhì)的波譜特性不同，通過(guò)頻譜掃描精確鎖定C元素的波譜特性，避免其它分子態(tài)物質(zhì)的干擾，實(shí)現(xiàn)飛灰含碳量的精確測(cè)量，避免煤種變換的影響。

（二）原位取樣技術(shù)

原位取樣技術(shù)利用除塵器將99%的飛灰收集并輸送到灰?guī)?，同時(shí)煙溫不高于150℃時(shí)，可燃物的含量不會(huì)發(fā)生大變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在干式除塵器I級(jí)灰斗內(nèi)安裝取樣，保證灰樣的代表性。同時(shí)測(cè)量腔體也在灰斗內(nèi)部，利用灰斗本身保溫和加熱等措施，保證需要測(cè)量的灰樣無(wú)吸潮和板結(jié)現(xiàn)象，保證了測(cè)量精度。

（三）等質(zhì)量取樣技術(shù)

高精度等質(zhì)量取樣技術(shù)利用固體粉體的堆積密度的測(cè)量原理，即當(dāng)施加外力而使粉體處于最緊充狀態(tài)時(shí)的質(zhì)量與體積的比為堆積密度，同時(shí)當(dāng)粉體受力處于最緊充狀態(tài)時(shí)持續(xù)施加外力時(shí)，粉體質(zhì)量不發(fā)生變化的特性，實(shí)現(xiàn)等質(zhì)量取樣。

四、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)現(xiàn)飛灰含碳量的精確、可靠、快速在線測(cè)量，可以帶來(lái)以下價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益：第一、飛灰含碳量的檢測(cè)不需要每天都要有專人負(fù)責(zé)取灰、化驗(yàn)，節(jié)約了人力成本；第二、為電廠運(yùn)行人員進(jìn)行鍋爐優(yōu)化調(diào)整提供直接的數(shù)據(jù)支持，提高鍋爐效率、降低煤耗、提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；第三、由于實(shí)現(xiàn)飛灰的在線檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制由于飛灰含碳量較高帶來(lái)的安全問(wèn)題如管壁溫度高和復(fù)燃問(wèn)題，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和減少了鍋爐的維修費(fèi)用；第四、由于飛灰含碳量得到了及時(shí)控制，飛灰的經(jīng)濟(jì)價(jià)值提高，直接為電廠帶來(lái)效益；第五、通過(guò)飛灰含碳量的檢測(cè)，可直接控制鍋爐的運(yùn)行，減低NOx排放，降低環(huán)保壓力同時(shí)帶來(lái)環(huán)保電價(jià)的效益。

【參考文獻(xiàn)】

1、劉俊，王政斌.發(fā)電廠鍋爐在線飛灰測(cè)碳方案分析[J].數(shù)碼世界，2017（11）：11-12.