飞灰含碳频谱测量方法解析

牛贝

【摘 要】本文介绍了燃煤电厂锅炉飞灰含碳在线监测技术，为优化燃烧系统，降低煤耗，提高锅炉热效率提供了依据。

【关键词】频谱；在线监测；飞灰含碳；锅炉效率

一、概述

飞灰含碳量是燃煤电厂燃烧效率的重要指标，同时也是锅炉燃烧控制调整的依据，合理控制飞灰含碳量的指标，有利于降低发电成本，提高机组运行的经济性。采用燃烧失重法进行测量，测量从制样烘干到完成测量一般需要6个小时，存在延时现象，无法满足测量要求。同时受到灰样采集、样品代表性、结果滞后等因素的影响，不能及时准确的反映燃烧工况的变化，对锅炉燃烧的控制和调整的指导性、实时性不强。

飞灰含碳量太高会导致以下问题：

（1）在锅炉运行工况相同的情况下，若煤粉不能够充分燃烧就会造成锅炉尾部烟气中的飞灰含碳量过高，从而导致锅炉的固体不完全燃烧损失升高、锅炉效率降低、煤耗增加、机组的经济性下降。

（2）飞灰含碳量过高会使锅炉的炉膛出口烟气温度偏高，造成炉膛出口的换热器的管壁超温，如果受热面金属长期超温，可能会导致受热面的损坏率增高。另外，飞灰中的碳会沉积在锅炉尾部烟道中，达到一定浓度时可能会二次燃烧，影响锅炉运行的安全性。

（3）粉煤灰是水泥生产中的一种添加剂，各火力发电厂都在大力发展粉煤灰项目，从而提高企业利润。飞灰含碳量过大时会影响飞灰作为添加剂的作用，不利于水泥生产企业对锅炉固体污染物的回收，影响发电厂运行的经济性。

飞灰含碳量作为燃煤电厂燃烧效率的重要指标，同时也是锅炉燃烧控制调整的依据，国家发改委、环保部、能源局在联合印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年》中明确要求：“全国新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于300克标准煤/千瓦时”。所以，在线飞灰含碳量的检测显得尤为重要，只有实现飞灰含碳量的在线可靠监测才能实现煤耗的降低、运营成本的减少及NOx等污染源的排放达标。

二、不同测量方法比较

传统测量飞灰含碳量检测是采用化学灼烧失重法，即利用取样器在烟道中提取一定重量的飞灰样品，然后放入马弗炉中高温灼烧若干小时，然后利用燃烧前后的重量差来确定飞灰中的含碳量。该方法是一种离线的实验室分析方法，具有检测精度高的特点，但受灰样采集、分析时间滞后等因素影响，导致测量的结果不能及时准确地反映当前的锅炉燃烧的工况，对锅炉燃烧的控制和燃烧调整的指导缺乏实时性。近些年，锅炉飞灰含碳量的测试方法有了很大发展，除了灼烧法之外，出现了许多能够快速测定飞灰含碳量的新方法。

（一）微波吸收+烟道等速取样法

微波吸收法是利用飞灰中的碳吸收微波而使固定频率微波信号产生衰减的原理进行检测。微波吸收法是目前研究得最多的，也是测量精度最高，测量速度最快的测量方法。但是微波吸收受煤种变换的影响较大，误差超2%C，同时国内电厂一般都会进行配煤掺烧，这就严重影响了它的应用。

（二）灼烧失重法

这种方法是基于传统的燃烧失重法的原理开发的一种实时在线检测方法，其基本过程是：先将天平上的空过滤筒称重，然后用等速取样器将烟气中的飞灰分离出来送入过滤筒中，将再次称重并加热等的飞灰样品所含碳出来送入过滤筒中，将再次称重并加热等的飞灰样品所含碳出来送入过滤筒中，将再次称重并加热等的飞灰样品所含碳完全被氧化后再次进行称重，根据加热前的量差计算出飞灰样品中碳含。这种装置的检测时间大于30分钟，飞灰样品的重量约为2克，精度为±0.5% 。

灼烧失重法的优点是检结果与煤质和煤种无关。但除检测时间较长外，其测量精度还受天平自身精度、现场振动、温度变化等因素严重影响；同时由于结构复杂，维护工作量较大，几乎每周都需要维护等导致采用该原理的测量仪一直未能在电厂广泛应用。

（三）红外线检测法

红外线检测法是利用飞灰中不同成分对红外线的反射率不同的原理进行检测，按照标定好的不同的飞灰样品的反射率得出检测结果。红外线法的设备简单经济、检测时间短且没有环境污染。但是和光学反射法一样，当飞灰颗粒不均匀并且飞灰含碳量不同时，反射信号与飞灰含碳量没有严格的线性关系，而且煤种的变化也会对反射信号的变化产生影响。所以飞灰颗粒和煤种的变化会对这种方法的检测准确性产生很大影响。根据红外线检测法生产的产品很多，这种方法的测量时间约为10分钟，测量精度约为0.5%。

（四）取样方法

以上原理设计的飞灰测碳仪均安装在空预器后的烟道上，通过等速取样和旋风分离器进行取样，取出烟道后进行测量。然而在实际应用中主要存在以下问题：

1.取样代表性较差，由于烟道内流场分布不均、颗粒粒径分布不均，造成取样代表性较差；

2.取样管路易堵塞，由于烟道内温度较高取出后飞灰又极易吸潮板结，堵塞取样管路；

3.当锅炉负荷较低时，采样周期较长，甚至长期取不到灰。

综上所述，上述在线飞灰含碳量检测装置都取得了一定效果，但容易受到煤种变换的影响，测量精度普遍较低，不能准确的反应飞灰含碳量的变化趋势等问题依然比较突出。另外多数安装在烟道上，采用等速抽取式取样，由于烟道内流场不均导致此类仪器的代表性较差；同时由于将灰样由高温区取至低温区极易造成灰样的受潮吸水，从而堵塞取样管路，造成仪器普遍无法长期运行。

三、频谱分析技术及创新点

采用独特的频谱分析技术，从原理上克服传统测量方式弊端，即：采用频谱分析技术通过频谱扫描精确锁定C元素的波谱特性，避免其它分子态物质的干扰，实现飞灰含碳量的精确测量，避免煤种变换的影响。此外，系统还采用独特安装位置和取样量的控制方式保证取样代表性强和取样系统不堵塞；同时具备同步取灰功能，可通过气动取灰装置实现同步取灰用于精度检测和现场标定复测。

（一）频谱扫描测量技术

基于频谱扫描测量技术，利用飞灰主要由分子态的二氧化硅SiO2、AL2O3、Fe2O3、CaO等物质和石墨态的C聚合而成，而电磁波在特定模式下，不同分子态物质的波谱特性不同，通过频谱扫描精确锁定C元素的波谱特性，避免其它分子态物质的干扰，实现飞灰含碳量的精确测量，避免煤种变换的影响。

（二）原位取样技术

原位取样技术利用除尘器将99%的飞灰收集并输送到灰库，同时烟温不高于150℃时，可燃物的含量不会发生大变化的特点，设计在干式除尘器I级灰斗内安装取样，保证灰样的代表性。同时测量腔体也在灰斗内部，利用灰斗本身保温和加热等措施，保证需要测量的灰样无吸潮和板结现象，保证了测量精度。

（三）等质量取样技术

高精度等质量取样技术利用固体粉体的堆积密度的测量原理，即当施加外力而使粉体处于最紧充状态时的质量与体积的比为堆积密度，同时当粉體受力处于最紧充状态时持续施加外力时，粉体质量不发生变化的特性，实现等质量取样。

四、社会效益和经济效益

实现飞灰含碳量的精确、可靠、快速在线测量，可以带来以下价值和经济效益：第一、飞灰含碳量的检测不需要每天都要有专人负责取灰、化验，节约了人力成本；第二、为电厂运行人员进行锅炉优化调整提供直接的数据支持，提高锅炉效率、降低煤耗、提高机组的经济性；第三、由于实现飞灰的在线检测，可以及时发现和控制由于飞灰含碳量较高带来的安全问题如管壁温度高和复燃问题，提高锅炉运行的安全性和减少了锅炉的维修费用；第四、由于飞灰含碳量得到了及时控制，飞灰的经济价值提高，直接为电厂带来效益；第五、通过飞灰含碳量的检测，可直接控制锅炉的运行，减低NOx排放，降低环保压力同时带来环保电价的效益。

【参考文献】

1、刘俊，王政斌.发电厂锅炉在线飞灰测碳方案分析[J].数码世界，2017（11）：11-12.