飛灰含碳頻譜測量方法解析

牛貝

【摘 要】本文介紹了燃煤電廠鍋爐飛灰含碳在線監測技術，為優化燃燒系統，降低煤耗，提高鍋爐熱效率提供了依據。

【關鍵詞】頻譜；在線監測；飛灰含碳；鍋爐效率

一、概述

飛灰含碳量是燃煤電廠燃燒效率的重要指標，同時也是鍋爐燃燒控制調整的依據，合理控制飛灰含碳量的指標，有利于降低發電成本，提高機組運行的經濟性。采用燃燒失重法進行測量，測量從制樣烘干到完成測量一般需要6個小時，存在延時現象，無法滿足測量要求。同時受到灰樣采集、樣品代表性、結果滯后等因素的影響，不能及時準確的反映燃燒工況的變化，對鍋爐燃燒的控制和調整的指導性、實時性不強。

飛灰含碳量太高會導致以下問題：

（1）在鍋爐運行工況相同的情況下，若煤粉不能夠充分燃燒就會造成鍋爐尾部煙氣中的飛灰含碳量過高，從而導致鍋爐的固體不完全燃燒損失升高、鍋爐效率降低、煤耗增加、機組的經濟性下降。

（2）飛灰含碳量過高會使鍋爐的爐膛出口煙氣溫度偏高，造成爐膛出口的換熱器的管壁超溫，如果受熱面金屬長期超溫，可能會導致受熱面的損壞率增高。另外，飛灰中的碳會沉積在鍋爐尾部煙道中，達到一定濃度時可能會二次燃燒，影響鍋爐運行的安全性。

（3）粉煤灰是水泥生產中的一種添加劑，各火力發電廠都在大力發展粉煤灰項目，從而提高企業利潤。飛灰含碳量過大時會影響飛灰作為添加劑的作用，不利于水泥生產企業對鍋爐固體污染物的回收，影響發電廠運行的經濟性。

飛灰含碳量作為燃煤電廠燃燒效率的重要指標，同時也是鍋爐燃燒控制調整的依據，國家發改委、環保部、能源局在聯合印發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年》中明確要求：“全國新建燃煤發電機組平均供電煤耗低于300克標準煤/千瓦時”。所以，在線飛灰含碳量的檢測顯得尤為重要，只有實現飛灰含碳量的在線可靠監測才能實現煤耗的降低、運營成本的減少及NOx等污染源的排放達標。

二、不同測量方法比較

傳統測量飛灰含碳量檢測是采用化學灼燒失重法，即利用取樣器在煙道中提取一定重量的飛灰樣品，然后放入馬弗爐中高溫灼燒若干小時，然后利用燃燒前后的重量差來確定飛灰中的含碳量。該方法是一種離線的實驗室分析方法，具有檢測精度高的特點，但受灰樣采集、分析時間滯后等因素影響，導致測量的結果不能及時準確地反映當前的鍋爐燃燒的工況，對鍋爐燃燒的控制和燃燒調整的指導缺乏實時性。近些年，鍋爐飛灰含碳量的測試方法有了很大發展，除了灼燒法之外，出現了許多能夠快速測定飛灰含碳量的新方法。

（一）微波吸收+煙道等速取樣法

微波吸收法是利用飛灰中的碳吸收微波而使固定頻率微波信號產生衰減的原理進行檢測。微波吸收法是目前研究得最多的，也是測量精度最高，測量速度最快的測量方法。但是微波吸收受煤種變換的影響較大，誤差超2%C，同時國內電廠一般都會進行配煤摻燒，這就嚴重影響了它的應用。

（二）灼燒失重法

這種方法是基于傳統的燃燒失重法的原理開發的一種實時在線檢測方法，其基本過程是：先將天平上的空過濾筒稱重，然后用等速取樣器將煙氣中的飛灰分離出來送入過濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳出來送入過濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳出來送入過濾筒中，將再次稱重并加熱等的飛灰樣品所含碳完全被氧化后再次進行稱重，根據加熱前的量差計算出飛灰樣品中碳含。這種裝置的檢測時間大于30分鐘，飛灰樣品的重量約為2克，精度為±0.5% 。

灼燒失重法的優點是檢結果與煤質和煤種無關。但除檢測時間較長外，其測量精度還受天平自身精度、現場振動、溫度變化等因素嚴重影響；同時由于結構復雜，維護工作量較大，幾乎每周都需要維護等導致采用該原理的測量儀一直未能在電廠廣泛應用。

（三）紅外線檢測法

紅外線檢測法是利用飛灰中不同成分對紅外線的反射率不同的原理進行檢測，按照標定好的不同的飛灰樣品的反射率得出檢測結果。紅外線法的設備簡單經濟、檢測時間短且沒有環境污染。但是和光學反射法一樣，當飛灰顆粒不均勻并且飛灰含碳量不同時，反射信號與飛灰含碳量沒有嚴格的線性關系，而且煤種的變化也會對反射信號的變化產生影響。所以飛灰顆粒和煤種的變化會對這種方法的檢測準確性產生很大影響。根據紅外線檢測法生產的產品很多，這種方法的測量時間約為10分鐘，測量精度約為0.5%。

（四）取樣方法

以上原理設計的飛灰測碳儀均安裝在空預器后的煙道上，通過等速取樣和旋風分離器進行取樣，取出煙道后進行測量。然而在實際應用中主要存在以下問題：

1.取樣代表性較差，由于煙道內流場分布不均、顆粒粒徑分布不均，造成取樣代表性較差；

2.取樣管路易堵塞，由于煙道內溫度較高取出后飛灰又極易吸潮板結，堵塞取樣管路；

3.當鍋爐負荷較低時，采樣周期較長，甚至長期取不到灰。

綜上所述，上述在線飛灰含碳量檢測裝置都取得了一定效果，但容易受到煤種變換的影響，測量精度普遍較低，不能準確的反應飛灰含碳量的變化趨勢等問題依然比較突出。另外多數安裝在煙道上，采用等速抽取式取樣，由于煙道內流場不均導致此類儀器的代表性較差；同時由于將灰樣由高溫區取至低溫區極易造成灰樣的受潮吸水，從而堵塞取樣管路，造成儀器普遍無法長期運行。

三、頻譜分析技術及創新點

采用獨特的頻譜分析技術，從原理上克服傳統測量方式弊端，即：采用頻譜分析技術通過頻譜掃描精確鎖定C元素的波譜特性，避免其它分子態物質的干擾，實現飛灰含碳量的精確測量，避免煤種變換的影響。此外，系統還采用獨特安裝位置和取樣量的控制方式保證取樣代表性強和取樣系統不堵塞；同時具備同步取灰功能，可通過氣動取灰裝置實現同步取灰用于精度檢測和現場標定復測。

（一）頻譜掃描測量技術

基于頻譜掃描測量技術，利用飛灰主要由分子態的二氧化硅SiO2、AL2O3、Fe2O3、CaO等物質和石墨態的C聚合而成，而電磁波在特定模式下，不同分子態物質的波譜特性不同，通過頻譜掃描精確鎖定C元素的波譜特性，避免其它分子態物質的干擾，實現飛灰含碳量的精確測量，避免煤種變換的影響。

（二）原位取樣技術

原位取樣技術利用除塵器將99%的飛灰收集并輸送到灰庫，同時煙溫不高于150℃時，可燃物的含量不會發生大變化的特點，設計在干式除塵器I級灰斗內安裝取樣，保證灰樣的代表性。同時測量腔體也在灰斗內部，利用灰斗本身保溫和加熱等措施，保證需要測量的灰樣無吸潮和板結現象，保證了測量精度。

（三）等質量取樣技術

高精度等質量取樣技術利用固體粉體的堆積密度的測量原理，即當施加外力而使粉體處于最緊充狀態時的質量與體積的比為堆積密度，同時當粉體受力處于最緊充狀態時持續施加外力時，粉體質量不發生變化的特性，實現等質量取樣。

四、社會效益和經濟效益

實現飛灰含碳量的精確、可靠、快速在線測量，可以帶來以下價值和經濟效益：第一、飛灰含碳量的檢測不需要每天都要有專人負責取灰、化驗，節約了人力成本；第二、為電廠運行人員進行鍋爐優化調整提供直接的數據支持，提高鍋爐效率、降低煤耗、提高機組的經濟性；第三、由于實現飛灰的在線檢測，可以及時發現和控制由于飛灰含碳量較高帶來的安全問題如管壁溫度高和復燃問題，提高鍋爐運行的安全性和減少了鍋爐的維修費用；第四、由于飛灰含碳量得到了及時控制，飛灰的經濟價值提高，直接為電廠帶來效益；第五、通過飛灰含碳量的檢測，可直接控制鍋爐的運行，減低NOx排放，降低環保壓力同時帶來環保電價的效益。

【參考文獻】

1、劉俊，王政斌.發電廠鍋爐在線飛灰測碳方案分析[J].數碼世界，2017（11）：11-12.