锅炉飞灰含碳在线测量装置现状研究与优化

(山西侯马热电分公司，山西 侯马 043008)

0 引 言

锅炉飞灰含碳量与锅炉机械未完全燃烧损失成正比：飞灰含碳量过高，表明锅炉燃烧不完全，导致发电成本升高，降低粉煤灰利用价值，增大企业环保压力；飞灰含碳量过低，说明空气过剩系数过大或煤粉过细远离最佳煤粉细度，大量热能排出锅炉，降低锅炉效率，加大厂用电消耗，增加氮氧化物的产生量。飞灰含碳量是电厂运行经济考核、计算锅炉效率必不可少的技术数据。

飞灰含碳量对锅炉燃烧效率的影响：在燃煤锅炉热效率计算中我们知道，排烟损失是第一大损失，煤粉燃烧不充分造成的热损失仅次于此。而绝大部分机械不完全燃烧热损失是来自飞灰中的可燃物(飞灰中的含碳量)造成的；目前飞灰占锅炉总灰量的90%左右，可见降低飞灰含碳量能够有效降低机械不完全燃烧热损失，提高锅炉效率及发电企业的经济效益。

飞灰含碳量对供电煤耗的影响:以300 MW机组为例，一般供电煤耗按330 g/kWh计算，飞灰中含碳量每降低1%，平均可降低供电煤耗约1.4 g/kWh。每年发电量按10亿kWh计算，可节约1 400 t标煤，标煤单价按550 元/t计算，年可为企业节约资金约70余万元，效益可观。

飞灰含碳量对燃煤锅炉安全影响:飞灰含碳量增高，会引起火焰中心上移，严重时还会造成炉膛出口受热面管壁超温，锅炉减温水自动调节无法正常投入，造成主汽温度不能稳定控制，长此以往，就会造成锅炉受热面过热、磨损，甚至造成爆管等事件。

飞灰含碳量对环境的影响:锅炉飞灰可燃物含碳量的大小直接影响锅炉效率，飞灰含碳量过高，表明锅炉燃烧不完全，导致发电成本升高，降低粉煤灰利用价值，增大企业环保压力；飞灰含碳量过低，说明空气过剩系数过大或煤粉过细远离最佳煤粉细度，大量热能排出锅炉，降低锅炉效率，加大厂用电消耗，增加大气中氮氧化物的产生量。综上所述，锅炉飞灰含碳量的控制非常重要，对其进行必要的在线监控，对于提高锅炉效率和安全性，降低发电煤耗、提高飞灰循环利用程度和降低污染物排放都有巨大的应用价值和实用意义。

1 原飞灰含碳量在线测量装置情况简介

原锅炉飞灰含碳在线测量装置采用灼烧法测量技术，在线测量装置安装在就地，原理是通过对灰样进行灼烧，灼烧前重量减去灼烧后重量，得到重量损失信号，从而得到锅炉飞灰的含碳量，在机组运行过程中存在问题较多，主要表现在：①取灰问题：取灰困难，灰量时多时少，灰量少时易产生测量误差。灰量过大，会因灼烧不完全而得不到准确数值；②机械部分的问题：一是称重的顶杆较长，就地有震动时，导致称重顶杆震动，给电子天平多余的受力，造成测量数值的不准。二是转动盘带动坩埚转动的过程中，由于震动的原因会导致坩埚震落，使测量中断；三是坩埚结焦和损坏频繁，造成无法连续测量。③系统庞大：整个系统过于复杂环节众多维护量大，任何环节的故障都会造成整体系统无法正常工作。④维护量大：系统因频发故障无法长期稳定运行，检修人员维护量过高，日常通过采取更换备件等措施很难保障装置连续稳定运行，在线测量装置的信号趋势及运行效果一直不能满足日常运行监视、调整需要。

优化前锅炉飞灰含碳量监测只能靠运行人员每日每班现场取样，化学人员实验室灼烧的方法进行，该实验数据结果较滞后，没有时效性。

因此通过对原飞灰在线测量装置故障进行汇总分析，以及对兄弟单位使用情况调研，确定技术革新路线，拟通过优化测量装置来实现飞灰在线测量的有效监测，以辅助日常调整，提高机组效率，改善经济性。

2 各种飞灰含碳在线测量装置原理分析

据了解，目前国内飞灰含碳量在线测量原理可分为三大类：①微波法在线测量含碳量技术，是利用碳对微波能量产生吸收的特性，通过计算微波能量的损耗从而计算出锅炉飞灰可燃物中的含碳量。但是，除了碳对微波能量会产生吸收外，飞灰中残留的矿物质(如：二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁和氧化铁、氧化镁、氧化钙、碳)同样会对微波能量造成影响，所以如果煤种发生变化，微波损失量与含碳量就不存在一定的对应关系。这就说明了微波法测碳技术在实际应用中会出现测量误差大，甚至出现测量值与实际含碳量的趋势不一致现象。另外，微波法测碳技术产品，需要进行取样测量，取样的代表性对测量值的影响也无法忽视。②灼烧法测碳技术，是通过对飞灰标样进行称重、灼烧和再称重的操作，依据飞灰中的碳被充分燃尽后的失重情况来计算含碳量的。该类技术从理论角度分析非常完美，但是在实际应用过程中却存在着非常多的问题，主要表现在：飞灰标样的取样过程存在代表性问题、称重设备在抖动的实际工况下精度无法保证、反复称重造成累积误差增大、干锅结焦问题无法避免、灼烧过程飞灰中的碳物质是否充分燃尽无法得知、系统过于复杂环节众多维护量大，任何环节的故障都会造成整体系统无法正常工作。该技术产品在国内机组尽管有着多年大量应用业绩，但是实际运行情况非常不好，都处于缺陷运行或已被弃用状况；关键问题就是无法长期稳定运行(维护量过高，很难做到连续稳定运行)，测量值的累积无法过高(取样误差、称重误差、结焦引起的误差、灼烧误差)。③交流电荷感应式测碳技术，原理是每一种物质都在‘电荷感应序列’中占有一个席位，在动态环境下，任何两种不同物质将相互感应产生电荷信号，而同种或在‘电荷感应序列’中位置相近的物质，在相同情况下几乎没有感应信号(或信号小到无法采集)。感应信号的大小与特征仅仅与被测介质的质量与成份有关，不受其他任何工况因素的影响，当烟道中的烟气流经传感器探头时，在烟气流动过程中烟尘会产生碰撞、摩擦，会产生电荷，从而产生电荷场。当烟尘流经传感器时，传感器表面会产生等量感应电荷，在传感器附近流动的带电烟尘颗粒，产生了感生电流，飞灰含碳量的测量是以传感器的感生电流信号为基础，当不同含碳量的飞灰可燃物流经传感器时，感生电流信号功率密度频谱特征和时域形态就有所不同，系统每秒对1万个飞灰颗粒进行过计算，通过数字信号处理和功率密度谱变化分析，就可测出飞灰中的相对含碳量，连续测量可以确定含碳量变化情况。在国外该技术也叫：无源质量感应技术，非常适合飞灰气固两相流复杂工况下介质参数的精确测量需求。系统通过有效感应区域超过半径3.5米的高敏感度插入式传感器探头，直接在烟道中对飞灰进行含碳量检测。设备设计非常简单，无取样、排灰环节，数据变化趋势符合机组负荷变化趋势，稳定测出相对飞灰含碳量。

3 应用情况分析

优化前：机组启动或停止后飞灰含碳量仍显示2%左右，在线测量数据没有参考依据。

优化后：实现了以下技术性能指标的提升：

(1)测量数据与负荷变化趋势对应，能实时在线反映烟道飞灰中的含碳量，相对于实验室数据，更直接反映机组的工况，给运行人员锅炉燃烧在线调整提供指导依据，运行人员可以根据飞灰含碳量的指标及时对燃烧过程做必要调整，确保煤更完全的燃烧，以减少燃煤消耗和污染物排放。

(2)当飞灰含碳量变化，通过在线监测数据，如飞灰可燃物增加代表燃烧工况恶化，运行人员会立即觉察，必须做适当调整，依此控制和调整燃烧工况；如飞灰含碳量显示维持在较佳值持续不变，则没有进一步运行调整必要。可以保持机组长期稳定经济运行。

(3)飞灰中的含碳量低于综合利用方面所要求的数值，则将能够销售更多的优质粉煤灰，这样不但可以提高经济效益，也能降低灰处置成本。使火电灰具有更广阔的市场，更显著的效益，将产生重大的社会效益和环境效益。

(4)减量提效：原在线测量装置基本失效，设备不稳定无法连续工作；测量飞灰含碳量完全采用实验室取样，具体的流程是：人工采样——实验室烘干——缩分称重——灼烧——再称重——含碳量计算，测量一次数据至少需要2个小时，采样周期长，工作量很大，测量数据滞后，无法实时反映机组燃烧工况。在线测量装置优化后降低人员劳动力。而实验室数据可以作为后续比对的依据。技术优化后解决了以往存在的技术难点，降低了维护量，从而增加现有维护人员的效益。