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備和發電廠運行的經濟性和安全性。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物CO（一氧化碳），這也是鍋爐燃燒過程中產生的污染物之一，從而造成爐膛缺氧燃燒，長時間運行后會產生結焦、結渣、高溫腐蝕、過熱器及再熱器管壁超溫等不利于機組經濟、安全運行的問題。

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

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，需要提供適當的空氣量，即控制燃料量與空氣量的比例，使過量空氣系數保持在一定范圍內，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量，關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監督燃燒質量，以便及時調整燃料和空氣的比例，使燃燒維持在良好、經濟的狀態下。CO含量、氧量與鍋爐燃燒效率之間的關系如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒相關的因素與燃燒效率關系

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物（CO，未燃燼碳等），隨著空氣量的繼續降低，未燃燼產物特別是煙氣中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，降低爐膛燃燒區域溫度，反而導致燃燒效率下降。

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

1.2 預防水冷壁高溫腐蝕

高溫腐蝕是指處于高溫煙氣環境中的爐內水冷壁管，在具有較高管壁溫度時所發生的銹蝕現象。一般發生高溫腐蝕的最重要的內在條件是燃煤中存在S，K，Na等物質，燃燒器區域的高溫環境使燃煤中礦物質成分揮發出來，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生。

此外，燃燒器區域內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CO濃度迅速上升到最大值，使得該區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，由爐內高溫氣流的劇烈擾動所引發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%，是構成大型鍋爐水冷壁發生高溫腐蝕的重要條件。

1.3 減少鍋爐NOX排放

鍋爐燃燒產生的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。

對燃燒所需氧量的控制與調整是降低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以下情況：氧量過低使得煤粉在缺氧環境下燃燒，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濃度作為調整氧量控制值的依據，進而優化調節送風量，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系

2.1 CO的生成與缺氧燃燒有關

煙氣中的CO是含碳燃料在燃燒過程中生成的一種中間產物。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。火焰中的CO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，燃燒調整的目的只需要將CO含量設定在最佳控制區域，就能保證鍋爐始終處于高效的燃燒狀態，并最終找到對應的燃燒所需氧量。經查閱相關資料，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鍋爐主控（即給煤量）及當前負荷指令2個參數進行計算，再經運行人員手動調整風量控制系數后得到。它與入爐總風量的測量反饋值一起經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PID控制器運算輸出，來調整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關系上的被動送風，僅根據鍋爐主控及負荷作為爐膛配風的參考，并沒有結合當前在線監測得到的數據（比如CO，NOX等數據）對燃燒工況進行自動的及時調整，使設備達到最優的燃燒效率。因此，這種傳統的控制策略只能通過運行人員在線分析調整來手動干預送風量。

經查閱相關文獻，目前，國外已有根據煙氣中最適宜的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整。將CO濃度值控制在最佳燃燒控制區間（根據不同類型機組進行相應計算）以內，動態微調氧量值，通過控制器的輸出調整送風動葉開度，以確定最佳送風量，指導運行人員調整燃燒，使設備達到最優的燃燒效率。

4 最佳CO排放控制值（區間）測算

根據上述章節的分析，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域，而該區域對應的CO排放值應保持不變。當與燃燒相關的因素發生變化時，根據計算所得的CO最佳控制區間來動態調整爐膛氧量值，就能保證鍋爐始終處于最佳的燃燒狀態。如表1、表2所示，通過選取2臺機組在600 MW工況下的數據進行分析，來測算其最佳CO控制值（區間）。

表1 1號機組600 MW工況下部分燃燒參數

表2 2號機組600 MW工況下部分燃燒參數

根據表1和表2中機組氧量控制值與鍋爐熱效率的數據，繪制得到圖5。

圖5 2臺機組氧量控制值與鍋爐熱效率關系

根據圖5，從經濟性角度分析得到：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間，再結合表1得到CO含量在180～250 mg/m3應為該機組最佳控制區間；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間，再結合表2得到CO含量在340～520 mg/m3應為該機組最佳控制區間。

此外，從機組運行的安全性出發：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，已經處于極度缺氧燃燒狀態，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，在某種程度上易催生水冷壁區域發生高溫腐蝕等情況。因此，結合安全性和經濟性的考慮，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 結論

（1）在機組運行過程中，應經常關注煙氣CO濃度在線檢測系統提供的煙氣CO實時數據，逐步摸索通過煙氣CO數據的變化規律，來判斷燃燒工況是否處于最佳狀態。同時，可結合NOX濃度值的變化，及時調整鍋爐送風量，避免或減緩高溫腐蝕的發生。

（2）上述2臺機組的CO監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2臺機組在600 MW工況下估算得到的CO最佳控制區間用于指導其他負荷段工況的燃燒調整，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）在機組燃燒調整實驗中，應突破傳統觀念，將煙氣CO作為燃燒調整新增的關鍵參數，探討兼顧CO和O2的燃燒控制新策略的開發和應用，進而得到更為精確的機組煙氣CO最佳控制值。

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