燃氣鍋爐煙氣含氧量對運行狀態的影響規律研究

高海旺

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030001)

0 引言

大氣污染、生態環境問題是我國當前急需重點解決的問題之一，冬季霧霾頻發的主要原因之一便是來自于工業燃煤鍋爐排放的污染物[1]。隨著國家“西氣東輸”“海氣登陸”等大型天然氣項目的推進實施以及國家能源發展計劃的提出[2]，天然氣作為一種方便、清潔、熱效率高的優質能源已被廣泛應用，天然氣取代煤炭成為主要能源已是必然趨勢和發展方向[3]。

隨著城市經濟的高速發展，城市集中供熱覆蓋區域快速增大，集中供熱面積急劇增加，為緩解當前超負荷供熱現狀和改善大氣環境質量，全面取締小型分散燃煤鍋爐，大力發展城市集中供熱，除大型集中供熱熱源外，增加燃氣調峰等清潔能源供熱作為補充，實現清潔能源供熱全覆蓋[4]。

燃氣鍋爐作為一種結構簡單、安全可靠、操作簡單、污染少、效率高的新時代產物，已被廣泛應用到供熱行業[5]。鍋爐運行時，若設定合理的燃氣與空氣配比，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之一，可以直接反映鍋爐運行過程中燃氣燃燒實況[7]。通過對煙氣含氧量的分析可以判斷鍋爐的燃氣與空氣配比是否達到合理匹配，鍋爐的運行狀態如何。本文通過某燃氣調峰熱源廠116 MW燃氣鍋爐運行實時監控數據，研究了在不同負荷下鍋爐運行時煙道出口煙氣含氧量對燃氣鍋爐爐膛溫度(每臺鍋爐設置兩臺燃燒器，爐膛燃燒室由隔屏分為A側與B側)、鍋爐效率、對流受熱面出口煙溫、氮氧化合物排放的影響規律，從而通過分析燃氣鍋爐煙氣含氧量了解鍋爐的實時運行狀態。

1 煙氣含氧量的測量

煙氣含氧量是通過氧化鋯氧量分析儀對煙道的排煙實時采集分析得到的數據，氧化鋯氧量分析儀主要由探頭(如圖1所示)和數據傳輸二次儀表(如圖2所示)組成，氧化鋯探頭與煙道中的高溫煙氣直接接觸，利用氧化鋯氧濃差電勢來提取數據，再通過儀表將氧化鋯探頭提取的氧濃差電勢轉化為標準的電流信號，呈百分比氧含量的線性曲線，從而實現實時監控煙道出口氧含量[8]。氧化鋯氧量分析儀有結構簡單、靈敏度高、分辨率高，可以對采取的數據進行系統的預處理，測量范圍廣等優點[9]，但也存在氧化鋯探頭價格相對昂貴、壽命短、維護保養費用高等缺點。由于煙氣中含有水蒸氣，所以對氧化鋯探頭應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生故障。

2 煙氣含氧量對爐膛溫度的影響

2.1 鍋爐低負荷運行

鍋爐低負荷運行時，提取了鍋爐負荷50%時的煙氣含氧量與對應的爐膛溫度(A側、B側)的實時監控數據，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，鍋爐負荷為50%時，煙氣含氧量在2.4%～3.6%范圍內波動。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現先升高、后降低的趨勢。當煙氣含氧量從2.4%增加至2.5%，爐膛溫度(A側)由838 ℃升高至840.6 ℃，爐膛溫度(B側)由842 ℃升高至843 ℃；煙氣含氧量從2.5%增加至3.6%時，爐膛溫度(A側)由840.6 ℃降低至826 ℃，爐膛溫度(B側)由843 ℃降低至819 ℃。

鍋爐效率作為鍋爐運行的重要參數，計算公式如下：

Q1=CMΔt。

Q2=q×V氣。

其中，η為鍋爐效率；Q1為單位時間內鍋爐水吸收的熱量；Q2為單位時間內燃燒天然氣釋放的熱量;C為水的比熱容(本文取4.186 8);M為單位時間內水的質量;Δt為水的溫差;q為天然氣熱值(7 800大卡);V氣為單位時間內日天然氣用量(溫度參數由現場溫度計和自控溫變提供，流量參數由現場西門子流量計提供，含氧量由氧量分析儀提供，天然氣熱值由燃氣公司提供)。

鍋爐負荷在50%工況下具體參數如表1所示，通過計算得到50%負荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖4所示，由圖4整個曲線的趨勢分析可知，鍋爐負荷在50%工況下，當煙氣含氧量達到2.5%時，鍋爐效率達到最高91.6%。

表1 鍋爐負荷為50%時各項參數

2.2 鍋爐高負荷運行

鍋爐高負荷運行時，提取了鍋爐負荷70%與80%時的煙氣含氧量與對應的爐膛溫度(A側、B側)的實時監控數據，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，在鍋爐運行負荷為70%時，煙氣含氧量在3.8%～4.6%范圍內波動。爐膛溫度隨煙氣含氧量的升高，呈現先升高、后降低的趨勢。當煙氣含氧量從3.8%增加至3.9%時，爐膛溫度(A側)由874.1 ℃升高至874.8 ℃，爐膛溫度(B側)由876.5 ℃升高至878.5 ℃；煙氣含氧量從3.8%增加至4.6%時，爐膛溫度(A側)由874.8 ℃降低至871.4 ℃，爐膛溫度(B側)由878.5 ℃降低至875.4 ℃。

鍋爐負荷在70%工況下具體參數如表2所示，通過計算得到70%負荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖6所示，由圖6整個曲線的趨勢分析可知，鍋爐負荷在70%工況下，當煙氣含氧量達到3.9%時，鍋爐效率最高88.1%。

表2 鍋爐負荷為70%時各項參數

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

鍋爐負荷在80%工況時具體參數如表3所示，通過計算得到80%負荷不同煙氣含氧量的鍋爐效率圖，如圖8所示，由圖8整個曲線的趨勢分析可知，鍋爐負荷80%工況下，當煙氣含氧量達到3.7%時，鍋爐效率最高87.1%。

表3 鍋爐負荷為80%時各項參數

造成以上現象的主要原因是，燃氣鍋爐運行前，燃燒器廠家基于燃氣靜態壓力(0.22 MPa)、鍋爐負荷(1%～100%)、煙氣中氮氧化合物排放標準(≤50 mg/m3)等參數，將燃氣和空氣的配比進行調試設定。煙氣含氧量的變化是由于實際運行過程中燃氣壓力波動，導致燃氣瞬時流量發生變化而造成的。由于設定的鼓風機的風量是固定值，在一定范圍內，燃氣壓力與流量增加，必然耗費更多的空氣進行燃燒，從而使得出口煙氣含氧量減??；反之，燃氣壓力與流量減小，則煙氣含氧量增大。煙氣含氧量在達到最優值之前的區間內，燃氣與空氣配比沒有達到最優，風量偏小，燃氣燃燒不充分，此時的出口煙氣是可燃氣體與空氣的混合物，還留存一小部分未燃盡的天然氣；煙氣含氧量在最優值之后的區間內，由于燃氣壓力波動，導致進入爐膛的燃氣量減少，進入爐膛的空氣量是一定的，此時燃燒充分，但由于實際空氣量大于此時燃氣所需的空氣量，導致一小部分熱量被過剩的空氣帶入煙氣中，導致爐膛溫度降低，此時鍋爐效率也降低，鼓風機電耗增加，生產成本增加，不利于鍋爐的經濟運行。煙氣含氧量為最優值時，此時燃氣與空氣的配比最優，燃料燃燒最充分，鍋爐效率也最高[10]。

3 煙氣含氧量對對流受熱面出口煙溫的影響

鍋爐低負荷運行時，提取了鍋爐負荷50%時的煙氣含氧量與對應的對流受熱面出口煙溫的實時監控數據，得出了煙氣含氧量與對流受熱面出口煙溫的變化曲線，如圖9所示。鍋爐運行負荷50%工況時，隨著煙氣含氧量的升高，對流受熱面出口煙溫呈現先升高，后維持不變，最后降低的趨勢。

造成該現象的原因是由于，煙氣含氧量小于2.5%時，由圖3可知，爐膛溫度逐漸升高，導致排煙溫度也隨之升高。當煙氣含氧量達到2.5%時，爐膛溫度達到最高，之后由于燃氣壓力的波動，燃氣量減少，燃料提供的熱量減少，而進入鍋爐的空氣量較大，一小部分熱量被過剩的空氣帶走進入煙氣中，兩者結合，導致對流受熱面溫度基本維持不變。當煙氣含氧量大于2.6%時，對流受熱面出口煙溫降低。主要原因是由于燃氣壓力波動，進入爐膛的燃料減少，導致排煙溫度降低，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，兩者結合導致對流受熱面出口煙溫降低。

鍋爐高負荷運行時，提取了運行負荷70%與80%時的煙氣含氧量與對應的對流受熱面出口煙溫的實時監控數據，得出了煙氣含氧量與對流受熱面出口煙溫的變化曲線。

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

鍋爐運行負荷80%工況時，由圖11可知，隨著煙氣含氧量的升高，對流受熱面出口煙溫呈現先升高、后降低的趨勢。當煙氣含氧量到達2.7%時，對流受熱面出口煙溫短暫上升，與圖7分析的結果相一致。

4 煙氣含氧量對氮氧化合物排放量的影響

鍋爐低負荷運行時，提取了鍋爐負荷50%時的煙氣含氧量對應的氮氧化合物排放的實時監控數據，如圖12所示，研究發現鍋爐負荷50%，煙氣含氧量為2.5%時，氮氧化合物排放最小為25.5 mg/m3。

鍋爐高負荷運行時，提取了鍋爐負荷70%與80%時的煙氣含氧量對應的氮氧化合物排放的實時監控數據。

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

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

經研究發現，不同負荷運行段氮氧化合物排放與煙氣含氧量密切相關，當煙氣含氧量達到最優值時，其氮氧化合物的排放最低。也側面證實了當煙氣含氧量最優時，鍋爐燃燒狀態最優。

5 結論

在鍋爐運行過程中，通過煙氣含氧量可以直觀的反映鍋爐的實時運行狀態，因此運行人員要時刻關注煙氣含氧量的變化情況。當煙氣含氧量偏高時，此時爐膛內的空氣過量時，爐膛溫度降低，排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鼓風機電耗增加，鍋爐運行效率降低，生產成本增加。當煙氣含氧量偏低時，鍋爐燃燒效率偏低且煙道內存在可燃氣體鍋爐存在安全隱患。通過不同負荷段的參數曲線分析發現，不同負荷段均存在最優的煙氣含氧量值，設置合理的空燃比，當煙氣含氧量達到最優時，鍋爐運行效率最高，能耗最小、氮氧化合物排放最低。