燃?xì)忮仩t煙氣含氧量對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響規(guī)律研究

高海旺

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030001)

0 引言

大氣污染、生態(tài)環(huán)境問題是我國當(dāng)前急需重點(diǎn)解決的問題之一，冬季霧霾頻發(fā)的主要原因之一便是來自于工業(yè)燃煤鍋爐排放的污染物[1]。隨著國家“西氣東輸”“海氣登陸”等大型天然氣項(xiàng)目的推進(jìn)實(shí)施以及國家能源發(fā)展計(jì)劃的提出[2]，天然氣作為一種方便、清潔、熱效率高的優(yōu)質(zhì)能源已被廣泛應(yīng)用，天然氣取代煤炭成為主要能源已是必然趨勢(shì)和發(fā)展方向[3]。

隨著城市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市集中供熱覆蓋區(qū)域快速增大，集中供熱面積急劇增加，為緩解當(dāng)前超負(fù)荷供熱現(xiàn)狀和改善大氣環(huán)境質(zhì)量，全面取締小型分散燃煤鍋爐，大力發(fā)展城市集中供熱，除大型集中供熱熱源外，增加燃?xì)庹{(diào)峰等清潔能源供熱作為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)清潔能源供熱全覆蓋[4]。

燃?xì)忮仩t作為一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、操作簡單、污染少、效率高的新時(shí)代產(chǎn)物，已被廣泛應(yīng)用到供熱行業(yè)[5]。鍋爐運(yùn)行時(shí)，若設(shè)定合理的燃?xì)馀c空氣配比，則可以降低鍋爐熱損失，提高鍋爐效率，以及提高鍋爐的安全性[6]。煙道出口煙氣含氧量作為重要參數(shù)之一，可以直接反映鍋爐運(yùn)行過程中燃?xì)馊紵龑?shí)況[7]。通過對(duì)煙氣含氧量的分析可以判斷鍋爐的燃?xì)馀c空氣配比是否達(dá)到合理匹配，鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)如何。本文通過某燃?xì)庹{(diào)峰熱源廠116 MW燃?xì)忮仩t運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，研究了在不同負(fù)荷下鍋爐運(yùn)行時(shí)煙道出口煙氣含氧量對(duì)燃?xì)忮仩t爐膛溫度(每臺(tái)鍋爐設(shè)置兩臺(tái)燃燒器，爐膛燃燒室由隔屏分為A側(cè)與B側(cè))、鍋爐效率、對(duì)流受熱面出口煙溫、氮氧化合物排放的影響規(guī)律，從而通過分析燃?xì)忮仩t煙氣含氧量了解鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

1 煙氣含氧量的測(cè)量

煙氣含氧量是通過氧化鋯氧量分析儀對(duì)煙道的排煙實(shí)時(shí)采集分析得到的數(shù)據(jù)，氧化鋯氧量分析儀主要由探頭(如圖1所示)和數(shù)據(jù)傳輸二次儀表(如圖2所示)組成，氧化鋯探頭與煙道中的高溫?zé)煔庵苯咏佑|，利用氧化鋯氧濃差電勢(shì)來提取數(shù)據(jù)，再通過儀表將氧化鋯探頭提取的氧濃差電勢(shì)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，呈百分比氧含量的線性曲線，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)煹莱隹谘鹾縖8]。氧化鋯氧量分析儀有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨率高，可以對(duì)采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)處理，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[9]，但也存在氧化鋯探頭價(jià)格相對(duì)昂貴、壽命短、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。由于煙氣中含有水蒸氣，所以對(duì)氧化鋯探頭應(yīng)安裝在鍋爐煙道尾部出口溫度較低的位置，并且將探頭與煙氣流向垂直，探頭尾部微微向下，避免探頭受高溫和積水影響頻繁發(fā)生故障。

2 煙氣含氧量對(duì)爐膛溫度的影響

2.1 鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了鍋爐負(fù)荷50%時(shí)的煙氣含氧量與對(duì)應(yīng)的爐膛溫度(A側(cè)、B側(cè))的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，繪制了煙氣含氧量與爐膛溫度變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，鍋爐負(fù)荷為50%時(shí)，煙氣含氧量在2.4%～3.6%范圍內(nèi)波動(dòng)。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)煙氣含氧量從2.4%增加至2.5%，爐膛溫度(A側(cè))由838 ℃升高至840.6 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由842 ℃升高至843 ℃；煙氣含氧量從2.5%增加至3.6%時(shí)，爐膛溫度(A側(cè))由840.6 ℃降低至826 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由843 ℃降低至819 ℃。

鍋爐效率作為鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，計(jì)算公式如下：

Q1=CMΔt。

Q2=q×V氣。

其中，η為鍋爐效率；Q1為單位時(shí)間內(nèi)鍋爐水吸收的熱量；Q2為單位時(shí)間內(nèi)燃燒天然氣釋放的熱量;C為水的比熱容(本文取4.186 8);M為單位時(shí)間內(nèi)水的質(zhì)量;Δt為水的溫差;q為天然氣熱值(7 800大卡);V氣為單位時(shí)間內(nèi)日天然氣用量(溫度參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)和自控溫變提供，流量參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)西門子流量計(jì)提供，含氧量由氧量分析儀提供，天然氣熱值由燃?xì)夤咎峁?。

鍋爐負(fù)荷在50%工況下具體參數(shù)如表1所示，通過計(jì)算得到50%負(fù)荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖4所示，由圖4整個(gè)曲線的趨勢(shì)分析可知，鍋爐負(fù)荷在50%工況下，當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到2.5%時(shí)，鍋爐效率達(dá)到最高91.6%。

表1 鍋爐負(fù)荷為50%時(shí)各項(xiàng)參數(shù)

2.2 鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行

鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了鍋爐負(fù)荷70%與80%時(shí)的煙氣含氧量與對(duì)應(yīng)的爐膛溫度(A側(cè)、B側(cè))的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，得出了煙氣含氧量與爐膛溫度變化曲線以及煙氣含氧量與鍋爐效率變化曲線。

由圖5可知，在鍋爐運(yùn)行負(fù)荷為70%時(shí)，煙氣含氧量在3.8%～4.6%范圍內(nèi)波動(dòng)。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)煙氣含氧量從3.8%增加至3.9%時(shí)，爐膛溫度(A側(cè))由874.1 ℃升高至874.8 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由876.5 ℃升高至878.5 ℃；煙氣含氧量從3.8%增加至4.6%時(shí)，爐膛溫度(A側(cè))由874.8 ℃降低至871.4 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由878.5 ℃降低至875.4 ℃。

鍋爐負(fù)荷在70%工況下具體參數(shù)如表2所示，通過計(jì)算得到70%負(fù)荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖6所示，由圖6整個(gè)曲線的趨勢(shì)分析可知，鍋爐負(fù)荷在70%工況下，當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到3.9%時(shí)，鍋爐效率最高88.1%。

表2 鍋爐負(fù)荷為70%時(shí)各項(xiàng)參數(shù)

由圖7可知，在鍋爐負(fù)荷為80%時(shí)，煙氣含氧量在3.6%～4.6%范圍內(nèi)波動(dòng)。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)煙氣含氧量從3.6%增加至3.7%時(shí)，爐膛溫度(A側(cè))由906.5 ℃升高至907.5 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由904 ℃升高至905 ℃；煙氣含氧量從3.7%增加至4.6%時(shí)，爐膛溫度(A側(cè))由907.5 ℃降低至879 ℃，爐膛溫度(B側(cè))由905 ℃降低至889 ℃。

鍋爐負(fù)荷在80%工況時(shí)具體參數(shù)如表3所示，通過計(jì)算得到80%負(fù)荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖8所示，由圖8整個(gè)曲線的趨勢(shì)分析可知，鍋爐負(fù)荷80%工況下，當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到3.7%時(shí)，鍋爐效率最高87.1%。

表3 鍋爐負(fù)荷為80%時(shí)各項(xiàng)參數(shù)

造成以上現(xiàn)象的主要原因是，燃?xì)忮仩t運(yùn)行前，燃燒器廠家基于燃?xì)忪o態(tài)壓力(0.22 MPa)、鍋爐負(fù)荷(1%～100%)、煙氣中氮氧化合物排放標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg/m3)等參數(shù)，將燃?xì)夂涂諝獾呐浔冗M(jìn)行調(diào)試設(shè)定。煙氣含氧量的變化是由于實(shí)際運(yùn)行過程中燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)，導(dǎo)致燃?xì)馑矔r(shí)流量發(fā)生變化而造成的。由于設(shè)定的鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是固定值，在一定范圍內(nèi)，燃?xì)鈮毫εc流量增加，必然耗費(fèi)更多的空氣進(jìn)行燃燒，從而使得出口煙氣含氧量減??；反之，燃?xì)鈮毫εc流量減小，則煙氣含氧量增大。煙氣含氧量在達(dá)到最優(yōu)值之前的區(qū)間內(nèi)，燃?xì)馀c空氣配比沒有達(dá)到最優(yōu)，風(fēng)量偏小，燃?xì)馊紵怀浞?，此時(shí)的出口煙氣是可燃?xì)怏w與空氣的混合物，還留存一小部分未燃盡的天然氣；煙氣含氧量在最優(yōu)值之后的區(qū)間內(nèi)，由于燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)，導(dǎo)致進(jìn)入爐膛的燃?xì)饬繙p少，進(jìn)入爐膛的空氣量是一定的，此時(shí)燃燒充分，但由于實(shí)際空氣量大于此時(shí)燃?xì)馑璧目諝饬浚瑢?dǎo)致一小部分熱量被過剩的空氣帶入煙氣中，導(dǎo)致爐膛溫度降低，此時(shí)鍋爐效率也降低，鼓風(fēng)機(jī)電耗增加，生產(chǎn)成本增加，不利于鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。煙氣含氧量為最優(yōu)值時(shí)，此時(shí)燃?xì)馀c空氣的配比最優(yōu)，燃料燃燒最充分，鍋爐效率也最高[10]。

3 煙氣含氧量對(duì)對(duì)流受熱面出口煙溫的影響

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了鍋爐負(fù)荷50%時(shí)的煙氣含氧量與對(duì)應(yīng)的對(duì)流受熱面出口煙溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，得出了煙氣含氧量與對(duì)流受熱面出口煙溫的變化曲線，如圖9所示。鍋爐運(yùn)行負(fù)荷50%工況時(shí)，隨著煙氣含氧量的升高，對(duì)流受熱面出口煙溫呈現(xiàn)先升高，后維持不變，最后降低的趨勢(shì)。

造成該現(xiàn)象的原因是由于，煙氣含氧量小于2.5%時(shí)，由圖3可知，爐膛溫度逐漸升高，導(dǎo)致排煙溫度也隨之升高。當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到2.5%時(shí)，爐膛溫度達(dá)到最高，之后由于燃?xì)鈮毫Φ牟▌?dòng)，燃?xì)饬繙p少，燃料提供的熱量減少，而進(jìn)入鍋爐的空氣量較大，一小部分熱量被過剩的空氣帶走進(jìn)入煙氣中，兩者結(jié)合，導(dǎo)致對(duì)流受熱面溫度基本維持不變。當(dāng)煙氣含氧量大于2.6%時(shí)，對(duì)流受熱面出口煙溫降低。主要原因是由于燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)，進(jìn)入爐膛的燃料減少，導(dǎo)致排煙溫度降低，雖然過剩的空氣將一小部分熱量帶入煙氣中，但所占比例較小，最終，兩者結(jié)合導(dǎo)致對(duì)流受熱面出口煙溫降低。

鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了運(yùn)行負(fù)荷70%與80%時(shí)的煙氣含氧量與對(duì)應(yīng)的對(duì)流受熱面出口煙溫的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，得出了煙氣含氧量與對(duì)流受熱面出口煙溫的變化曲線。

鍋爐運(yùn)行負(fù)荷70%工況時(shí)，由圖10可知，隨著煙氣含氧量的升高，對(duì)流受熱面出口煙溫呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。由圖5可知，當(dāng)鍋爐運(yùn)行負(fù)荷70%時(shí)，含氧量3.9%時(shí)，爐膛溫度最高，鍋爐效率最優(yōu)，之后由于過剩的空氣將一部分熱量帶入煙氣中，導(dǎo)致排煙溫度上升，圖10曲線的變化完全印證了上述的分析情況。

鍋爐運(yùn)行負(fù)荷80%工況時(shí)，由圖11可知，隨著煙氣含氧量的升高，對(duì)流受熱面出口煙溫呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢(shì)。當(dāng)煙氣含氧量到達(dá)2.7%時(shí)，對(duì)流受熱面出口煙溫短暫上升，與圖7分析的結(jié)果相一致。

4 煙氣含氧量對(duì)氮氧化合物排放量的影響

鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了鍋爐負(fù)荷50%時(shí)的煙氣含氧量對(duì)應(yīng)的氮氧化合物排放的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，如圖12所示，研究發(fā)現(xiàn)鍋爐負(fù)荷50%，煙氣含氧量為2.5%時(shí)，氮氧化合物排放最小為25.5 mg/m3。

鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提取了鍋爐負(fù)荷70%與80%時(shí)的煙氣含氧量對(duì)應(yīng)的氮氧化合物排放的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

由圖13可知，鍋爐負(fù)荷70%工況時(shí)，煙氣含氧量為3.9%時(shí)，氮氧化合物排放最小為32.3 mg/m3。

由圖14可知，鍋爐負(fù)荷80%工況時(shí)，煙氣含氧量為3.7%時(shí)，氮氧化合物排放最小為30 mg/m3。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷運(yùn)行段氮氧化合物排放與煙氣含氧量密切相關(guān)，當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到最優(yōu)值時(shí)，其氮氧化合物的排放最低。也側(cè)面證實(shí)了當(dāng)煙氣含氧量最優(yōu)時(shí)，鍋爐燃燒狀態(tài)最優(yōu)。

5 結(jié)論

在鍋爐運(yùn)行過程中，通過煙氣含氧量可以直觀的反映鍋爐的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，因此運(yùn)行人員要時(shí)刻關(guān)注煙氣含氧量的變化情況。當(dāng)煙氣含氧量偏高時(shí)，此時(shí)爐膛內(nèi)的空氣過量時(shí)，爐膛溫度降低，排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鼓風(fēng)機(jī)電耗增加，鍋爐運(yùn)行效率降低，生產(chǎn)成本增加。當(dāng)煙氣含氧量偏低時(shí)，鍋爐燃燒效率偏低且煙道內(nèi)存在可燃?xì)怏w鍋爐存在安全隱患。通過不同負(fù)荷段的參數(shù)曲線分析發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷段均存在最優(yōu)的煙氣含氧量值，設(shè)置合理的空燃比，當(dāng)煙氣含氧量達(dá)到最優(yōu)時(shí)，鍋爐運(yùn)行效率最高，能耗最小、氮氧化合物排放最低。