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氣體分析儀在提高火電廠燃燒效率及降耗減排中的應用
摘要：據調查顯示，火力發電是目前電力發展的主力軍，火電廠發電主要是依靠鍋爐燃燒，即燃料與氧的化學反應。火電廠鍋爐燃燒過程中的燃燒效率控制極其重要，提高燃燒效率可保證鍋爐運行經濟性與安全性，使火電廠資源利用大化，提高產電率。同時，隨著國家綠色環保政策的逐漸推進，火電廠還需要在提高發電技術的方向上著重考慮發電過程中燃料的利用率及對能源的影響，簡而言之，就是降耗減排。因此，火電廠在提高燃料轉換電能效率的同時，也要做到減少自身的能耗，降低污染排放，提高火電廠的綜合競爭力，適應和諧社會發展的需要。
一
火電廠面臨的問題
現代火電廠大容量鍋爐效率一般為90-94%，但由于當前大多數火電廠對燃燒效率控制不，導致炭燃燒不*，飛灰含炭量達10%-13%，鍋爐效率僅為85.3%-88.66%，極大的影響了鍋爐運行的安全性和經濟性。此外，隨著環境污染的問題愈發嚴峻，以及火電廠超低排放改造的實施，環保部門提出了更為嚴厲的污染氣體排放標準，甚至關停了部分污染排放不達標的生產企業，2018年環保稅的啟征，更加快了企業尋求技術革新、降低污染排放的步伐。因此，如何提高燃燒效率，將能源損耗及污染排放降到低，是現代火電廠高質量發展首要考慮的問題。
二
控制過量空氣系數是提高鍋爐效率的關鍵
提高鍋爐效率的目的是在滿足外界電負荷需要的蒸汽數量和合格的蒸汽品質的基礎上，保證鍋爐安全、經濟和環保運行。具體歸納為：
1.提高鍋爐運行經濟性
1）通過運行優化調整盡量減少各種損失，以提高鍋爐的效率；
2）優化配煤方式提供鍋爐運行經濟性；
3）保證鍋爐正常穩定的汽壓、汽溫和蒸發量，減少再熱器減溫水的流量等，以提高整個機組熱效率；
4）主蒸汽溫度每降低10℃，影響發電煤耗約0.93g/kWh；再熱蒸汽溫度每降低10℃，影響發電煤耗約0.75g/kWh；
5）過熱器減溫水流量每增加10t/h，影響發電煤耗約0.08～0.12g/kWh；再熱器減溫水流量每增加10t/h，影響發電煤耗約0.52～0.63g/kWh。
2.提高鍋爐運行的安全性
1）提高鍋爐運行的穩定性；
2）保證鍋爐燃燒*火焰均勻充滿爐膛，防止鍋爐運行火焰偏斜；
3）減少水平煙道出口煙溫偏差；
4）減少水冷璧周圍產生還原性氣氛；
5）減少鍋爐結渣、防止燒損燃燒器；
6）保證水冷壁、過熱器、再熱器不超溫等。
想要提高鍋爐的熱效率，就要適當減少鍋爐的熱損失，鍋爐的熱損失主要包括排煙熱損失、氣體不*燃燒熱損失、固定不*燃燒熱損失、鍋爐散熱損失和灰渣物理熱損失五種。而過量空氣系數是影響鍋爐熱損失的主要因素之一，也是鍋爐運行非常重要的燃燒技術經濟指標。
所謂過量空氣系數，即燃料燃燒時，實際空氣供給量與理論空氣需求量的比值。鍋爐排放標準中規定的過量空氣系數與鍋爐類型和功率相關，具體規定為：對于燃煤鍋爐，功率小于等于45.5MW的，過量空氣系數采用1.8，功率大于45.5MW的，過量空氣系數采用1.4，對于燃氣或燃油鍋爐，過量空氣系數采用1.2。
在實際描述中，有些鍋爐的功率以t/h計，它與MW的換算關系為：0.7MW=1t/h，比如45.5MW的鍋爐相當于65t/h的鍋爐。 鍋爐的過量空氣系數越高，表明該鍋爐的燃燒效率越低，因此燃煤鍋爐的系數比燃油燃氣鍋爐要高，而小的燃煤鍋爐的系數比大的燃煤鍋爐要高。 過量空氣系數越高，也意味著氧可以越高，對于65t/h以上的鍋爐，其煙氣理論氧含量為6%，而65t/h以下的鍋爐，理論氧含量為9.3%。
過量空氣系數過高或過低都不利于燃燒：過量空氣系數大，表示爐內供風過多，不僅降低爐溫，惡化燃燒，且使煙氣量增加，從而引起鍋爐排煙熱損失增加，鍋爐效率降低，同時也使風機的電耗以及火電廠用電率和供電煤耗增加；過量空氣系數太小則會增加氣體不*燃燒熱損失和固體不*燃燒熱損失，能源利用無法實現大化。好的辦法是：在盡可能保證燃料得到充足O2而*燃燒的前提下，過量空氣系數越低，燃燒越經濟。
要保證燃料燃燒正常，就要把過量空氣系數控制在合適的范圍之內。通常采用分析煙氣中CO、O2和CO2的含量來判斷過量空氣系數的大小。一般采用燃燒效率分析儀抽取煙道氣體實時分析其氣體成分，并計算得到過量空氣系數，或采用在線煙氣分析儀連續在線監測煙道氣中CO、O2和CO2的含量，折算過量空氣系數。燃燒效率分析儀或在線煙氣分析儀中氣體傳感器根據測量原理不同可分為電化學和紅外兩種。
電化學傳感器由于結構簡單，體積小巧等優點，大多數燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測量CO和O2，計算得到CO2，空氣過剩系數等其他熱工參數。但在實際使用過程中，由于不同爐體的煙道壓力不同，經常導致分析儀的取樣流量不同或波動，電化學傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測試精度。其次由于煙道排放氣體中還存在SO2、NOx等其他氣體，會對CO測量產生交叉干擾的影響。此外，電化學傳感器在排放氣體濃度較高時還容易出現“中毒”現象，導致傳感器*失效。
相較于電化學傳感器，紅外傳感器具有抗干擾性好、不受取樣流量影響、壽命長等優點，且紅外傳感器可同時實現CO、CO2測量，需要時還可擴展SO2、NOx等氣體的測量，為燃料燃燒控制提供更多的參考依據。同時紅外傳感器還具有靈敏度高，精度高，量程范圍廣等優點，這些特點均有利于實現空氣過量系數的準確計算。如燃燒效率分析儀Gasboard-3400P與在線煙氣分析儀Gasboard-3000，均采用紅外氣體分析技術，并結合長壽命電化學傳感器技術，可同時測量煙道氣體中CO、CO2、O2含量，并拓展測量SO2、NOx等氣體含量。
三、超低排放成為火電廠質量發展的重要課題
超低排放是指火電廠燃煤鍋爐在發電運行、末端治理等過程中，采用多種污染物協同脫除集成系統技術使其大氣污染物排放濃度達到天然氣燃氣輪機組標準的排放限值，即煙塵不超過5mg/m³、二氧化硫不超過35mg/m³、氮氧化物不超過50mg/m³，比《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)中規定的燃煤鍋爐重點地區特別排放限值分別下降75%、30%和50%，由浙能集團在2011年提出，是燃煤發電機組清潔生產水平的新*。
表1-1 相關大氣污染物排放濃度限值表
針對新的排放標準，原來適用于高濃度煙氣監測的技術已經很難準確測量超低排放條件下SO2和NO濃度，這對現有煙氣濃度監測技術提出了很大的挑戰。目前正在進行的超低排放改造正是執行了上述煙氣排放標準，大量的工程應用以及實驗反復測試表明，目前超凈排放環境下CEMS，均不能保證現有CEMS在“超低排放”條件下準確測量。原因主要包括：
1）采樣管路吸附，待測氣體損失。
2）待測氣體溶于水，造成氣體損失，管路腐蝕。
3）分析儀表量程大，造成儀表精度低，誤差大。
任何一種監測技術的量程、精度都有其適應性，而非通過軟件任意修改量程就可滿足現場運行要求。所以性能良好CEMS系統除了需要配備合適的預處理系統，氣體分析儀本身的性能也是十分關鍵的，針對超低排放煙氣中SO2、NO濃度低、煙氣濕度大和溫度低的特點，目前市面上推出了一種基于紫外差分吸收光譜氣體分析技術的超低量程煙氣分析儀，如銳意自控Gasboard-3000UV，采用*算法，可同時測量煙氣中SO2、NO、O2含量，其中煙氣中氣態水對SO2、NO測量基本無影響，煙氣中采樣流量對SO2、NO、O2測量基本無影響，多組分測量氣體間無交叉干擾，抗干擾能力強，測量精度高，檢測下限達0.1mg/m³，滿足國家環保超低排放要求。此外，儀器光機系統經過高信噪比、高穩定性設計，提高了儀器穩定性。
四、結語
針對新的排放標準，原來適用于高濃度煙氣監測的技術已經很難準確測量超低排放條件下SO2和NO濃度，這對現有煙氣濃度監測技術提出了很大的挑戰。目前正在進行的超低排放改造正是執行了上述煙氣排放標準，大量的工程應用以及實驗反復測試表明，目前超凈排放環境下CEMS，均不能保證現有CEMS在“超低排放”條件下準確測量。原因主要包括：
1）采樣管路吸附，待測氣體損失。
2）待測氣體溶于水，造成氣體損失，管路腐蝕。
3）分析儀表量程大，造成儀表精度低，誤差大。
任何一種監測技術的量程、精度都有其適應性，而非通過軟件任意修改量程就可滿足現場運行要求。所以性能良好CEMS系統除了需要配備合適的預處理系統，氣體分析儀本身的性能也是十分關鍵的，針對超低排放煙氣中SO2、NO濃度低、煙氣濕度大和溫度低的特點，目前市面上推出了一種基于紫外差分吸收光譜氣體分析技術的超低量程煙氣分析儀，如銳意自控Gasboard-3000UV，采用*算法，可同時測量煙氣中SO2、NO、O2含量，其中煙氣中氣態水對SO2、NO測量基本無影響，煙氣中采樣流量對SO2、NO、O2測量基本無影響，多組分測量氣體間無交叉干擾，抗干擾能力強，測量精度高，檢測下限達0.1mg/m³，滿足國家環保超低排放要求。此外，儀器光機系統經過高信噪比、高穩定性設計，提高了儀器穩定性。