基于TDLAS 的煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S 同步在線監(jiān)測

彭志敏，賀拴玲，周佩麗，杜艷君，王振，丁艷軍，吳玉新，呂俊復(fù)

（1.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084；2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206）

近年來，我國火電機(jī)組超低排放政策實(shí)施了全球最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中 NOx排放限值為50 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。為此，煤粉鍋爐普遍采用分級燃燒以實(shí)現(xiàn)NOx超低排放目標(biāo)[1-3]。分級燃燒雖然可有效地降低燃燒區(qū)燃燒速率和溫度，在還原性氣氛條件下抑制NOx生成量，但深度缺氧工況會導(dǎo)致還原性氣氛H2S 和CO 體積分?jǐn)?shù)急劇增加。其中，H2S 作為一種強(qiáng)腐蝕性氣體，當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)（如100 μL/L 量級）會對水冷壁造成強(qiáng)烈的高溫腐蝕作用，嚴(yán)重時(shí)會引起水冷壁“爆管”，影響機(jī)組安全運(yùn)行[4-6]；與此同時(shí)，未燃盡的CO 和飛灰含碳過量排放也會導(dǎo)致發(fā)電煤耗增加。因此，在線監(jiān)測煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)以及基于監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的燃燒調(diào)整對實(shí)現(xiàn)鍋爐高效環(huán)保安全運(yùn)行具有重要意義。

目前，火電機(jī)組尾部煙道（如SCR 煙氣脫硝出入口、煙囪總排口）煙氣中CO 體積分?jǐn)?shù)通常采用非分散紅外吸收光譜（NDIR）結(jié)合伴熱抽取預(yù)處理方式進(jìn)行測量。NDIR 采用單光源雙光束探測方案，光源發(fā)出的紅外光束經(jīng)濾波片后分別進(jìn)入測量氣室和參比氣室，經(jīng)探測器接收后由信號處理系統(tǒng)對測量信號和參比信號進(jìn)行分析，進(jìn)而確定待測氣體體積分?jǐn)?shù)[7-9]。如CO 在4.6 μm 附近中紅外波段吸收最強(qiáng)，但NDIR 技術(shù)采用寬譜測量容易受煙氣中H2O 分子吸收譜線干擾，因此該技術(shù)對預(yù)處理尤其是冷凝除水要求較高，而復(fù)雜的取樣過程容易造成氣體組分失真、管線腐蝕和堵塞等問題[10-11]。與CO相比，盡管煤粉鍋爐水冷壁H2S 高溫腐蝕問題嚴(yán)重，且經(jīng)常出現(xiàn)“爆管”等安全事故，但目前尚未見煤粉鍋爐H2S 在線監(jiān)測報(bào)道，其主要原因在于H2S 易吸附、腐蝕強(qiáng)、溶于水、含量低等特性使得在線監(jiān)測其體積分?jǐn)?shù)存在困難。目前H2S 檢測在天然氣行業(yè)較為普遍，常用的檢測方法包括氣相色譜、電化學(xué)傳感器等，其中氣相色譜基于不同氣體通過色譜柱的速度差異原理進(jìn)行測量，該技術(shù)通用性強(qiáng)、成熟度高，可實(shí)現(xiàn)多組分、高精度檢測，但其預(yù)處理及測量系統(tǒng)極其復(fù)雜，對操作環(huán)境和操作技術(shù)要求較高且單次檢測時(shí)間較長，無法實(shí)時(shí)反映氣體體積分?jǐn)?shù)快速動態(tài)變化，在關(guān)鍵生產(chǎn)工藝過程（工況惡劣、瞬態(tài)變化等）氣體檢測領(lǐng)域存在局限性[12-14]；而電化學(xué)傳感器通過與H2S 氣體反應(yīng)產(chǎn)生的電信號實(shí)現(xiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)測量，其優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟、操作簡單、成本低，但容易受SO2等組分干擾、損耗大、壽命短[15-17]，一般只適用于實(shí)驗(yàn)室或已知?dú)怏w組分條件下H2S 體積分?jǐn)?shù)檢測。

考慮到NDIR 測量CO 體積分?jǐn)?shù)的局限性以及目前尚無煤粉鍋爐H2S 在線監(jiān)測技術(shù)等問題，本文擬采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）結(jié)合恒流稀釋預(yù)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)同步在線測量。與NDIR 寬帶吸收光譜相比，TDLAS 是利用窄帶激光掃描氣體分子特征譜線，基于分子譜線對激光的吸收作用確定待測氣體體積分?jǐn)?shù)，具有波長選擇性強(qiáng)、測量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為氣體在線監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[18-20]。本文首先基于TDLAS 技術(shù)開展CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)在線測量實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)基于原理實(shí)驗(yàn)研制在線監(jiān)測裝置并應(yīng)用于大型火電機(jī)組煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原氣氛體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測，研究預(yù)期可為煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕預(yù)警和燃燒協(xié)同控制優(yōu)化提供技術(shù)支撐，最終實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組高效、環(huán)保、安全、智能化運(yùn)行。

1 TDLAS 測量原理及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

1.1 TDLAS 測量原理

TDLAS 測量原理如圖1 所示。

圖1 TDLAS 測量原理Fig.1 Measurement principle of TDLAS

當(dāng)激光穿過待測氣體時(shí)被分子特征譜線吸收，透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)遵循Beer-Lambert 定律[21]，通過分析被氣體分子吸收前后激光光強(qiáng)的變化即可得到待測氣體溫度、體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。

激光穿過氣體時(shí)強(qiáng)度變化可描述為：

式中：v為激光頻率；τ(v)為激光透射率；I0為入射光強(qiáng)；It為透射光強(qiáng)；p為氣體總壓；T為氣體溫度，K；S(T)為譜線線強(qiáng)度，僅與氣體溫度T有關(guān)；L為有效吸收光程，cm；φ為待測氣體體積分?jǐn)?shù)；?(v)為吸收線型函數(shù)，cm；α(ν)為吸收截面。

1.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證TDLAS 測量CO/H2S 的可靠性和準(zhǔn)確度，本文開展了CO/H2S 動態(tài)工況下氣體體積分?jǐn)?shù)測量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)方案如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)前首先對激光器參數(shù)和赫里奧特（Herriott）多次反射池有效吸收光程進(jìn)行標(biāo)定，由信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號輸入到激光控制器中，驅(qū)動激光波長在待測吸收譜線附近發(fā)生掃描。輸出激光通過光纖分束器分為2 束，一束通過F-P 干涉儀進(jìn)行波長標(biāo)定，一束入射到測量氣室中，透射光強(qiáng)經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號后被示波器采集。然后基于標(biāo)定的有效吸收光程和激光器參數(shù)，利用質(zhì)量流量控制器精確配比不同體積分?jǐn)?shù)的CO 和H2S 進(jìn)行動態(tài)測量，最后采用本文作者提出的直接吸收-波長調(diào)制法（WM-DAS）對蘊(yùn)含氣體吸收信息的透射光強(qiáng)進(jìn)行FFT 分析并重構(gòu)吸收截面[22-24]，在已知有效吸收光程條件下根據(jù)測得的吸收截面確定待測氣體體積分?jǐn)?shù)。

圖2 基于TDLAS 的CO/H2S 測量方案Fig.2 Measurement scheme of CO/H2S based on TDLAS

為提高CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)的測量精度并降低其檢測限，實(shí)驗(yàn)中采用Herriott 多次反射池作為測量氣室以增加有效吸收光程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體參數(shù)高精度測量。Herriott 多次反射池主要由2 片曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，激光光束進(jìn)入測量池后在2 片反射鏡之間多次反射后出射，蘊(yùn)含氣體吸收信息的透射光強(qiáng)經(jīng)光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電信號后由示波器采集，隨后經(jīng)Labview 或MATLAB 軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到CO/H2S 分子特征譜線吸收截面，進(jìn)而根據(jù)測得的吸收截面確定氣體體積分?jǐn)?shù)（已知吸收光程）。

1.3 譜線選擇及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)前首先通過Hitran 2016 數(shù)據(jù)庫選擇CO 和H2S 的特征吸收譜線，并對其進(jìn)行吸收率仿真，結(jié)果如圖3 所示。由圖3a)可知，在101 kPa、4 290～4 310 cm-1范圍內(nèi)，CO 在4 297.704 6 cm-1處有較強(qiáng)吸收且可避免H2O、CO2氣體吸收譜線的干擾，所以選擇4 297.704 6 cm-1作為后續(xù)研究中CO 的測量譜線?？紤]到常壓下H2S 測量在1 578 nm 波長處存在CO2干擾問題，所以實(shí)際測量中選擇在低壓（25 kPa）環(huán)境下進(jìn)行。從圖3b)中可以明顯看出，在25 kPa、6 334～6 337 cm-1范圍內(nèi)，H2S 與H2O、CO2的測量譜線相互干擾很小，因此選擇6 336.617 2 cm-1譜線測量H2S 可避免CO2的干擾。

圖3 吸收率仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of absorptivity

為驗(yàn)證TDLAS 測量CO/H2S 的精度，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（296 K）并已知Herriott 池有效吸收光程（CO和H2S 有效吸收光程分別為2.4 m 和61.9 m）條件下，開展CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)動態(tài)測量實(shí)驗(yàn)研究。首先調(diào)節(jié)CO 和H2S 測量池的壓力分別為101 kPa 和25 kPa，然后通過質(zhì)量流量控制器精確配比CO 和H2S 體積分?jǐn)?shù)（背景氣為氮?dú)猓┓謩e在0～2 000 μL/L和0～20 μL/L 范圍內(nèi)動態(tài)變化，并控制氣體流量為1 L/min，在每個(gè)體積分?jǐn)?shù)下穩(wěn)定時(shí)間為3～5 min，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用工控機(jī)實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行在線處理，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)動態(tài)測量結(jié)果Fig.4 Dynamic measurement results of CO/H2S volume fraction

由圖4 的測量結(jié)果可知，CO 和H2S 體積分?jǐn)?shù)在0～2 000 μL/L 和0～20 μL/L 范圍內(nèi)，測量值與配比值一致，其線性度達(dá)到0.99 以上，測量結(jié)果準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定性好。但測量過程中改變氣體配氣體積分?jǐn)?shù)時(shí)，測量值穩(wěn)定需要較長的響應(yīng)時(shí)間（1～2 min）。其主要原因在于：1）實(shí)驗(yàn)中改變配氣體積分?jǐn)?shù)需要一定的操作時(shí)間，氣體體積分?jǐn)?shù)約45 s 才能穩(wěn)定；2）Herroitt 測量池腔體中氣體完全更新需要1 min 左右。上述因素導(dǎo)致測量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加。而在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，首先無需配氣所占用時(shí)間，同時(shí)還可通過增加進(jìn)氣流量、減小測量池體積等手段提高氣體更新速率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場CO和H2S 體積分?jǐn)?shù)快速高精度在線測量。

2 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測

2.1 CO/H2S 在線監(jiān)測分析儀表

為將上述研究成果應(yīng)用于煤粉鍋爐等工業(yè)現(xiàn)場氣體體積分?jǐn)?shù)的在線監(jiān)測，研究者對基于TDLAS測量原理的CO/H2S 在線測量系統(tǒng)進(jìn)行了集成和優(yōu)化，其分析儀表結(jié)構(gòu)如圖5 所示。測量系統(tǒng)主要包括DFB 半導(dǎo)體激光器及其溫度/電流驅(qū)動模塊、光電探測模塊、Herriott 多次反射池、溫度和壓力傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等核心部件。其中數(shù)據(jù)處理采用作者提出的波長調(diào)制-直接吸收（WM-DAS）測量方法[22-24]。該方法采用TDLAS 中抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的固定點(diǎn)波長調(diào)制策略，利用蘊(yùn)含分子吸收信息的透射光強(qiáng)FFT 頻譜重構(gòu)分子吸收截面，并基于重構(gòu)的吸收截面確定待測氣體體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)。該方法充分融合了TDLAS 中直接吸收和波長調(diào)制法的優(yōu)點(diǎn)，具有免標(biāo)定、抗干擾能力強(qiáng)、信噪比高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于煤粉鍋爐等復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場氣體體積分?jǐn)?shù)高精度在線測量。在實(shí)際現(xiàn)場測量中，煙氣經(jīng)恒流稀釋高保真預(yù)處理后進(jìn)入CO/H2S 在線監(jiān)測裝置進(jìn)行測量，其測量結(jié)果就地顯示在分析儀觸摸顯示屏上，并由控制單元將其轉(zhuǎn)換為RS485 信號上傳至DCS。

圖5 CO/H2S 在線監(jiān)測分析儀表Fig.5 The CO/H2S on-line monitoring instrument

2.2 CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

考慮到目前工業(yè)現(xiàn)場煙氣測量常采用的多級過濾伴熱抽取預(yù)處理方式存在樣氣失真、管線堵塞/腐蝕、測量延時(shí)及維護(hù)量大等問題，本文針對煤粉鍋爐水冷壁近壁面氣氛場高溫、高塵、高腐蝕等惡劣工況，提出一種基于恒流稀釋煙氣高保真預(yù)處理技術(shù)結(jié)合CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)方案如圖6 所示。研究根據(jù)鍋爐爐膛“主燃區(qū)”“還原區(qū)”及“燃盡區(qū)”等區(qū)域水冷壁高溫腐蝕情況，在燃燒器和高位燃盡風(fēng)間的“還原區(qū)”以及高位燃盡風(fēng)上方的“燃盡區(qū)”各安裝2 個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)4 套恒流稀釋預(yù)處理探頭，同時(shí)各安裝CO 和H2S 體積分?jǐn)?shù)在線分析儀1 臺。4 個(gè)測點(diǎn)采用輪測方式共用2 臺分析儀，單點(diǎn)測量時(shí)間3 min，單輪測量周期12 min。每個(gè)測點(diǎn)處的高溫、高濕煙氣經(jīng)恒流稀釋（稀釋比60 倍）探頭預(yù)處理后，依次進(jìn)入分析儀表以實(shí)現(xiàn)CO/H2S同步高精度在線測量。

圖6 煤粉鍋爐CO/H2S 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案Fig.6 Scheme of CO/H2S online monitoring system for pulverized coal boiler

在上述研究基礎(chǔ)上，依托某350 MW 四角切圓煤粉鍋爐開展工程應(yīng)用示范研究，現(xiàn)場應(yīng)用示范情況如圖7 所示。

圖7 350 MW 四角切圓煤粉鍋爐現(xiàn)場應(yīng)用示范Fig.7 Field application demonstration of 350 MW tangentially fired boiler

由圖7 可見，鍋爐腐蝕區(qū)域主要位于“還原區(qū)”和“燃盡區(qū)”，在鍋爐檢修更換水冷壁期間將4 套恒流稀釋預(yù)處理探頭（稀釋比60）安裝在該區(qū)域。利用干燥潔凈空氣稀釋目標(biāo)氣體，不僅可以降低煙氣露點(diǎn)（如-25 ℃），還能極大減小樣氣對取樣管線和儀器設(shè)備的腐蝕作用。稀釋后樣氣在正壓條件下經(jīng)聚四氟管線輸送至測量系統(tǒng)，可避免H2S 吸附、管線密封漏氣等造成的測量不準(zhǔn)確問題，從而實(shí)現(xiàn)煙氣高保真取樣，解決高溫高塵等惡劣工況下煙氣預(yù)處理難題，最終實(shí)現(xiàn)煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)高精度在線測量。

2.3 CO/H2S 在線監(jiān)測結(jié)果分析

在監(jiān)測系統(tǒng)完成安裝和調(diào)試后，目前已在現(xiàn)場無故障連續(xù)運(yùn)行10 個(gè)月，圖8 為該系統(tǒng)“還原區(qū)”3 號測點(diǎn)在此期間某24 h 測量曲線。其中綠色、紅色、黃色和橘色曲線分別代表H2S、CO、SO2和O2體積分?jǐn)?shù)測量結(jié)果。測量SO2主要是為了研究煤質(zhì)中硫元素在不同燃燒工況下的轉(zhuǎn)化形式；氧量為煙囪總排口電廠DCS 已有的測量數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖8 測量結(jié)果可知，在該時(shí)段內(nèi)，該測點(diǎn)還原性氣氛CO 體積分?jǐn)?shù)高達(dá)2%～4%，此時(shí)煤質(zhì)中部分硫元素在還原性氣氛下轉(zhuǎn)化為H2S，其體積分?jǐn)?shù)高達(dá)300 μL/L。通過觀察近10 個(gè)月監(jiān)測數(shù)據(jù)，在鍋爐部分燃燒工況下，H2S 體積分?jǐn)?shù)與SO2相當(dāng)，甚至接近1 000 μL/L，并且該數(shù)值會隨著煤質(zhì)中含硫量增加而增加。與此同時(shí)，H2S 生成量與CO 體積分?jǐn)?shù)呈明顯的正相關(guān)，其體積分?jǐn)?shù)隨著CO 體積分?jǐn)?shù)增大而增大，與此相反，H2S 體積分?jǐn)?shù)與SO2體積分?jǐn)?shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)，但總硫保持守恒且僅與煤質(zhì)中含硫量有關(guān)。另外，現(xiàn)場鍋爐檢修和機(jī)組運(yùn)行結(jié)果表明，H2S 體積分?jǐn)?shù)較高已導(dǎo)致該煤粉鍋爐“還原區(qū)”水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重，存在“爆管”風(fēng)險(xiǎn)，而且CO/飛灰含碳過量也導(dǎo)致單位發(fā)電煤耗增加，造成資源浪費(fèi)。

圖8 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)24 h 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 24-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

圖9 為168 h CO/H2S 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。由圖9 可見，其數(shù)據(jù)變化規(guī)律與圖8 相同，即H2S 體積分?jǐn)?shù)與CO 體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)而與SO2體積分?jǐn)?shù)反相關(guān)。其中CO 和H2S 體積分?jǐn)?shù)主要在1%～5%和100～500 μL/L 范圍內(nèi)波動，但與尾部煙氣氧量關(guān)系不明顯。其主要原因在于：鍋爐爐膛燃燒氣氛場分布不均勻，而尾部煙氣中氧量由于煙氣經(jīng)過尾部煙道較長路徑混合已相對均勻，這也使得尾部煙氣氧量監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能真實(shí)反映鍋爐爐膛實(shí)際燃燒情況。因此，開展大型火電機(jī)組煤粉鍋爐爐膛分布式CO、H2S 以及O2體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測對水冷壁高溫腐蝕預(yù)警、鍋爐燃燒調(diào)整具有重要意義。

圖9 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)168 h 連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 168-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

3 結(jié)論

本文基于TDLAS 氣體檢測和恒流稀釋預(yù)處理技術(shù)開展煤粉鍋爐爐膛CO 和H2S 體積分?jǐn)?shù)高精度在線測量研究并進(jìn)行工程應(yīng)用示范。研究首先基于TDLAS 測量原理開展CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)動態(tài)測量實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該技術(shù)測量CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)的可靠性和精度；然后結(jié)合恒流稀釋煙氣高保真預(yù)處理技術(shù)和分布式多點(diǎn)輪測方式，將研制的CO/H2S在線監(jiān)測分析儀表應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，最終實(shí)現(xiàn)大型火電機(jī)組煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)同步在線監(jiān)測。

研究結(jié)果表明：煤粉鍋爐爐膛H2S 體積分?jǐn)?shù)與CO 體積分?jǐn)?shù)完全正相關(guān)，而與SO2體積分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)且總硫守恒；另外，鍋爐爐膛局部區(qū)域還原性氣氛CO/H2S 體積分?jǐn)?shù)與尾部煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)相關(guān)性較小，這也使得目前火電機(jī)組根據(jù)尾部煙氣O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行燃燒調(diào)整的控制策略存在局限性。因此，深入研究大型火電機(jī)組煤粉鍋爐深度調(diào)峰、煤質(zhì)波動等復(fù)雜工況下“主燃區(qū)”“還原區(qū)”及“燃盡區(qū)”多組分氣氛場的分布特點(diǎn)，對開發(fā)總碳（CO/CO2）、總硫（H2S/SO2）、總氮（NO/NO2）以及氧量（O2）分布式可視化在線監(jiān)測、高溫腐蝕預(yù)警及燃燒協(xié)同控制系統(tǒng)具有重要意義。