供应森美特SUMMIT-712管道烟气燃烧效率分析

一种更为精确的燃烧效率评估&控制方法

介绍了国内火电厂在燃烧效率评估&控制方面所普遍采用的基本方式以及计算方法。通过对具体情况的研究与分析，结合发达国家的应用技术及相关经验，从过程控制参数的角度介绍了一种更为简单、精确、可操作性更强的燃烧效率评估&控制方法。

附录：关于选购和操作燃烧效率检测(监测)仪器的几点建议

去年以来，全国各地普遍出现了电力供应紧张的局面。而在我国，火力发电量占总发电量的80%以上。国家电力监管委员会主席柴松岳在4月17日接受新华社记者专访时做表示：当前我国电力高速增长，但电力发展中存在的高投入、低产出、高消耗等问题没有得到根本解决。根据有关部门的统计，去年1至9月份中央电力企业销售收入同比增长17.4%，成本费用增长18.5%，火电供电煤耗比国际先进水平高22.5%。
2003年6月，全国火力发电量1174.81亿千瓦时。假定以此为平均值，则全年火力发电量将达到14097.72亿千瓦时。2002年，全国平均供电煤耗比为344克/千瓦时。假定也以此为平均值，则2003年全国电煤消耗量将达到4.85亿吨。也就是说，仅仅通过降低火电煤耗比一项，全国每年电煤的潜在节约量就可达到1.09亿吨！几乎可以抵消电力需求增长所带来的电煤消耗。
从燃烧效率控制的角度来讲，降低火电煤耗比的方法有二：一是从硬件入手，通过电厂设备的更新换代来提高燃烧效率。这种方法因为周期长、资金投入及工程量大而比较难以实现；二是从过程控制入手，在现有设备和技术条件的基础上，通过对燃烧过程控制参数的精密监测与调节来优化燃烧过程、提高燃烧效率。相比之下，后者的优势显而易见。
由于工作原因，笔者在过去的五年里曾先后走访过辽宁、内蒙、北京、河北、天津、山东、安徽、江苏、浙江、江西、广西、广州等地的一些电厂和电力试验研究所等。结果发现几乎所有相关单位都还在沿用“余氧法”这一较为陈旧的燃烧效率评估&控制方法。
在“余氧法”中，燃烧效率(E)的计算方法为(英国标准)：
公式1

由以上公式可以看出，决定燃烧效率的主要参数分别为排烟温度、助燃空气温度以及烟气中的余氧含量。
在实际的发电系统中都安装有热交换器，利用烟气余热对助燃空气进行预热。其目的就是降低排烟温度、提高助燃空气温度，进而提高燃烧效率。关于这方面的问题，我们暂不讨论。下面着重讨论一下余氧含量的问题
从理论上讲，只有当助燃空气中的氧气含量和燃料中碳的含量恰好匹配、烟气中的二氧化碳含量达到最大值时，燃烧效率最高。此时的助燃空气配给量称为理论空气。对于燃煤锅炉而言，在理想状态下，燃烧过程所排放出的烟气中应该只含有二氧化碳、水蒸气以及来自助燃空气的氮气(N2)。换句话说，如果烟气中含有氧气(O2)，则表明助燃空气过多，或者称之为空气过剩。当空气严重过剩时，将造成烟气排放量大幅度增加，在将大量热量带走并释放到大气中的同时，还造成炉膛温度下降，大幅度地降低燃烧和发电效率；反之，如果空气供给量不足，则助燃空气中的氧不足以将燃料中所含有的碳全部转化为二氧化碳，从而导致不完全燃烧，在降低燃烧效率、加重烟气排放所造成的环境污染的同时还会影响锅炉运转的稳定性和安全性。
在实际燃烧过程中，助燃空气配给量总是要大于理论空气量；也就是说空气过剩。过剩空气系数就是一个用来描述实际助燃空气配给量和理论空气配给量之间的比率的概念。既然空气过剩，那么烟气中就必然含有一定浓度的氧气，即余氧。通过测量余氧含量，我们就可以根据公式2折算出过剩空气系数。而过剩空气系数也随之成为控制燃烧效率的一个最重要的参数。
过剩空气和燃烧效率的对应关系如下图所示：


从以上介绍中可以看到，在排烟温度一定的情况下，烟气中的O2实测浓度(余氧含量)几乎成为燃烧效率评估&控制的唯一参数。
然而，对于一套具体的燃烧系统而言，炉膛温度、锅炉负荷、燃料/空气混合均匀程度、燃料的化学成分及其在燃烧室内的停留时间等参数都是变量，而这些变量又对最佳过剩空气系数有着决定性的影响。因此，确定最佳过剩空气系数实际上是一项相当复杂而且可操作性较差的任务。也正是由于这个原因，我国的绝大部分火力发电厂在实际操作中都是采用经验值控制法，即通过监测烟气中的氧气(O2)实测浓度(余氧含量)将过剩空气系数控制在某一经验值上下，很难实现对燃烧效率的精确控制。另一方面，当运行于较高的氧气设定点时，虽然燃料浪费非常严重，但是锅炉运行状态将会比较平稳，安全性较高；而且当锅炉运行于最佳氧气设定点时，不但在测量与控制方面要求更为严格，而且一旦控制出现偏差，尤其是氧气设定点偏低时，将会对锅炉运行的稳定性产生影响，严重时甚至导致熄火。由于管理体制、技术水平等多方面的原因，几乎所有国有电厂都更倾向于采用前者。
对于燃煤电厂，效率计算公式2中的K1=0.63，K2=18.6，K3=3.0。假定Ts(排烟温度)为120℃，Ta(助燃空气温度)为60℃，则该公式将演变为：

假定锅炉运行在最佳效率状态下时的烟气含氧量为5%，则当含氧量超标2%时(国产氧化锆的长期稳定性实际上往往还达不到±2%)，锅炉的燃烧效率就将降低0.38%。以2003年全国电煤4.85亿吨的消耗量计算，0.38%就意味着184.3万吨！在全球范围内的能源危机日益加重、燃料供应日趋紧张的今天，这种浪费是多么的触目惊心！
针对“余氧法”在操作上难度较大、无法对燃烧效率进行精确控制的缺点，欧、美等国在长期理论研究和科学试验的基础上总结出了一套全新的燃烧效率监测&控制方法。该方法可以从图2到解释。

从图中我们可以看出，为了使系统保持在最佳燃烧状态，当负荷发生变化时，氧气设定点(即过剩空气系数)亦必须随之发生变化。而正如前面所说的那样，确定某一稳定状态下的氧气设定点尚且是一项非常困难的任务，更遑论面对一个动态的系统？
但是，如果仔细研究一下图2，我们就会发现：与氧气设定点不同，无论锅炉的运行状态如何变化，当系统处于最佳燃烧状态时，烟气中的一氧化碳(CO)含量将始终保持在某一范围内。这一相对固定的范围称为一氧化碳控制带。对于燃煤锅炉而言，这一浓度范围介于50~300ppm之间。
为什么会出现这样的情况呢？人们可能禁不住要问：当燃烧过程中有一氧化碳产生时，不是表明空气供给量不足，出现了不完全燃烧现象吗？这种情况下怎么能说系统处于最佳燃烧状态呢？
实际上，理论空气的计算是基于一种非常理想的燃烧状态。在实际的燃烧系统中，由于受到燃料与助燃空气混合均匀程度、燃料在炉膛内部的停留(燃烧)时间和燃烧温度的影响，即使在助燃空气的配给量恰到好处的情况下，燃烧过程仍然会产生一定浓度的一氧化碳。从燃烧效率控制的角度上讲，如果烟气中检测不到一氧化碳，则表明燃烧过程实际上已经处于空气严重过剩状态。而由于前述原因，国内的大部分火力发电厂正是运行在这一状态下。可以说，这正是我国火电供电煤耗比远远高于国际先进水平的主要原因之一。
也就是说，只要把烟气中的一氧化碳(CO)含量控制在某一最佳范围内，就可以保证系统始终处于最佳燃烧状态而无需考虑其它因素。显而易见，较之‘余氧法’，‘一氧化碳(CO)控制法’可以大大简化操作流程、提高控制精度，从而显著改善燃烧状态，提高燃煤的利用率，为企业带来极高的经济和环保效益。

附录：关于选购和操作燃烧效率检测(监测)仪器的几点建议
选购：燃烧效率检测(监测)仪器在欧、美等发达国家已经有很长的发展历史，产品本身已经非常成熟。而国产的此类设备都是在近几年才陆续开发出来的，其核心部件---传感器几乎全部依赖进口。由于以上原因，尽管两者在性能参数方面可以说是在伯仲之间，但后者在适用性、稳定性以及耐用性方面确实存在着不足之处。其优点是价格便宜，通常只有进口设备的2/3左右。
操作：由于制造水平上的差异，进口设备在操作上几乎没有什么特别的要求，也很少受工作条件如温度、湿度等的影响，总体故障率也较低，通常每3个月标定一次即可。国产设备较易受到温湿度等工作条件的影响，稳定性较差。建议适当缩短标定周期，如每月标定一次。
还应该注意的是，欧美各国所采用的效率计算公式各不相同，因而对同一测量对象往往也会等到不同的测量结果。使用时必须首先掌握相关的专业知识，不可盲目对比。