大型CFB機組低負荷工況下氧量測量問題之初探

江志耀

（國能神福（龍巖）發電有限公司，福建 龍巖 364002）

鍋爐爐內燃燒工況是否穩定是電站鍋爐機組安全經濟運行的重要基礎，為了控制進入鍋爐爐膛的空氣量，一般設計采用氧化鋯測量煙氣含氧量，通過計算過量空氣系數，從而實現有效調整鍋爐燃燒風煤比，確保鍋爐燃燒在最穩定經濟狀態。鍋爐氧量是對爐內燃燒過程影響非常復雜的參數，如果氧量測量不準確，將會導致鍋爐機組一次風機、二次風機、引風機等輔機電耗增加，鍋爐尾部排煙溫度升高，鍋爐效率下降，機組煤耗上升等諸多問題。在運行中，鍋爐氧量過大，煙氣流速增大，使空預器出口灰分含碳量增加，機械不完全燃燒損失增加，鍋爐風機出力電流增大，廠用電率增加，降低了鍋爐的運行經濟性；氧量控制過低，鍋爐燃燒穩定性降低，又不利于鍋爐爐膛的安全運行。

1 低負荷工況下氧量測量變化情況

某電廠建設有2×300MW循環流化床發電機組，鍋爐采用的是東方鍋爐廠制造的單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風分離器、露天布置、固態排渣的1025t/h亞臨界參數自然循環單汽包循環流化床鍋爐，受熱面采用全懸吊方式，爐架為雙排柱鋼結構。汽輪機系東方汽輪機股份有限公司生產制造，容量為300MW，亞臨界參數、反動式、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、純凝機組，機組型號為N300-16.7/537/537。系統為單元制熱力系統。汽輪機發電機機組配有2個高壓主汽門、2個中壓主汽門和4個高壓調節汽門、2個中壓調節汽門。機組的DCS、DEH系統采用北京和利時系統工程股份有限公司提供的MACSV系統。液壓系統采用了東方汽輪機股份有限公司成套的高壓抗燃油EH裝置。

根據國家有關節能環保政策要求，2015年完成了機組環保超低排放改造工作，脫硝系統采用SNCR工藝，脫硫除塵采用爐添加內石灰石和爐外循環流化床半干法脫硫除塵一體化工藝，實現機組煙氣SO2排放濃度控制低于35mg/Nm3，NOX排放濃度控制低于50mg/Nm3，粉塵排放濃度控制低于5mg/Nm3的超低排放目標。

鑒于電力市場發展狀況，為更好適應電力輔助服務（調峰）交易規則，通過燃用不同煤種和不同負荷下機組能耗對比，合理安排機組運行方式和采購適應煤種，使機組處于最低能耗方式運行，電廠開展了130MW低負荷工況下脫硝運行效率試驗。在機組負荷130MW試驗過程中，雖然鍋爐爐內燃燒工況運行穩定，但在試驗期間，鍋爐A、B、C分離器入口溫度均低于700℃，在機組負荷150MW時尿素耗量為240kg/h，機組負荷130MW時最大用量達3100kg/h，氨逃逸測量由3.34ppm上升到15ppm以上（滿量程），爐外干法脫硫入口CEMS煙氣干氧由4.3%～4.5%區間變化，爐外干法脫硫煙囪入口CEMS煙氣干氧在4.8%～5.1%區間變化，鍋爐空預器出口煙氣濕氧由2.2%降至1.7%，爐外干法脫硫出口CEMS煙氣濕氧由3.34%降至0.78%，CEMS煙氣濕氧測量系統顯示異常“倒掛”現象。在機組負荷恢復至150MW以上運行時，氨逃逸、氧量測量均自行恢復正常監測。

2 氧化鋯氧量測量原理

該電廠鍋爐空預器出口煙氣氧量、CEMS出口煙氣氧量采用氧化鋯測量氧量方式。氧化鋯氧量測量分析系統是直插在線式測量方式，即氧傳感器安裝在探頭頂端，探頭插入煙道當中約三分之一處的位置，使氧傳感器位于被測煙氣之中。氧傳感器由二氧化鋯基片組成（見圖1），兩面鍍有多孔鉑金電極層，密封焊在用不銹鋼管制成的鋼套的頂部。氧傳感器通過溫度控制器控制，使溫度保持恒定（750℃或843℃）。在這種恒溫條件下，當二氧化鋯基片兩側有氧濃度差出現時，則在基片兩側將產生毫伏電勢信號，當電池的參比側和測量側的氧含量不同時，氧離子就會從氧分壓較高的一面向較低的一面遷移。此時，電池的毫伏輸出信號與被測氣體的氧含量的對數成反比關系。

圖1 氧傳感器結構示意圖

這個毫伏電勢信號的輸出可以按下式（能斯特方程）計算：

式中，E=鋯電池所產生的電動勢；P1=鋯電池內側參比氣體（清潔，干燥和無油的空氣，默認含氧量20.6%）；P2=鋯電池外側被測氣體（煙氣中的氧氣）的氧含量%；T=鋯電池池溫（絕對溫度K=273+750或843℃）；C=電池常數mV。

3 CFB鍋爐SNCR脫硝原理

根據有關試驗研究，影響CFB鍋爐NOx排放的主要因素以及對NOx排放的作用效果見表1，循環流化床鍋爐的NOx主要組成成分是NO和N2O，其中絕大部分是NO，摩爾比占了95%左右，如何做好NO的排放控制是循環流化床機組的NOx排放控制的關鍵要點。

表1 影響NOx 排放的因素

由表1有關試驗研究可知，含氮量和揮發份主要由電廠采購供應的燃料種類決定，受外部燃料供應市場影響較大，無法通過工藝控制方式調整改變。石灰石進料量和實際燃燒煤種含硫率有關，也不是人為調整減少NOx排放手段。而鍋爐床溫是CFB鍋爐設計的一個重要參數。CFB鍋爐設計采用低一次風、二次風分級、火上風等因素實現低NOx生成量，在滿足燃燒效率要求的前提下才能考慮床溫、過量空氣系數、一二次風的分配以及二次風的分級對NOx排放控制的影響。表1第1～8項屬于NOx生成環節的一次控制技術，第9～10項屬于煙氣脫硝二次控制技術。

該電廠鍋爐煙氣脫硝采用選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝工藝，它是在沒有催化劑存在條件下利用還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水的一種脫硝方法。用尿素作為還原劑，通過給料口進入尿素溶解罐中，按比例與補充的新鮮除鹽水充分溶解，配制成40%～50Wt.%濃度的尿素溶液。然后由在線稀釋系統根據鍋爐運行情況和NOx排放情況在線稀釋成所需的濃度，通過計量分配系統實現各噴射層的尿素溶液分配和計量后，送入噴射系統，最終由噴射系統霧化噴射進入分離器入口煙道，在分離器和尾部煙道進行選擇性還原反應，高溫下，還原劑迅速分解為氨（NH3）并于煙氣中的氮氧化物（NOx）進行還原反應生成氮氣（N2）和水（H2O），達到削減NOx排放濃度的目的。SNCR煙氣脫硝工藝流程框圖如圖2。

圖2 SNCR煙氣脫硝工藝流程框圖

SNCR脫硝工藝采用尿素為還原劑，其反應式如下：

當溫度高于1150℃時，尿素熱解的NH3則會被氧化為NO，反應式為：4NH3+5O2→4NO+6H2O。

還原劑的反應高效溫度范圍稱為溫度窗。最佳溫度區一般為830～1000℃。由于SNCR技術對反應溫度非常敏感，隨溫度降低，其還原反應速度降低，從而使大量還原劑來不及反應而降低脫硝效率，增加還原劑逃逸量。但是反應溫度也不能過高，當溫度高于1100℃時，NH3的氧化反應速度超過還原反應而起主導作用，從而可能造成NO排放濃度高于基準排放濃度。所以，循環流化床鍋爐選用SNCR煙氣脫硝工藝技術關鍵是選擇并控制合適的反應溫度條件，只有滿足合適的溫度反應區間，且還原劑和煙氣能夠快速而良好的混合條件下，還原劑在最佳溫度區域停留時間越長就越有利于NOx的脫除，從而才能保證較高的脫硝效率和較低的還原劑泄漏逃逸。

4 氧量測量異常原因分析

由上可知，根據氧化鋯氧量測量原理和CFB鍋爐SNCR脫硝原理，在低負荷試驗期間，雖然CFB鍋爐爐膛床溫較低，使NOx排放總量降低，但鍋爐A、B、C分離器入口溫度均經常低于700℃，嚴重偏離脫硝還原劑反應最佳溫度區830～1000℃。由于噴入點的煙氣溫度低導致氨與NOx的反應速度降低，同時，噴入的還原劑過量或霧化不良導致還原劑分布不均勻、反應不充分，導致NOx還原率降低，脫硝效率降低，運行人員為保證出口煙氣NOx達標排放，必須噴入大量尿素溶液，形成惡性循環，使尿素用量大幅上升，氨逃逸量急劇增加。在分離器未經過反應的過量的氨氣跟鍋爐煙氣混合，經過爐外半干法脫硫系統后降低至80℃左右。由于氧化鋯探頭在運行過程中要進行加熱，探頭頭部溫度基本恒定在800℃，在這種恒溫條件下，過量的氨氣在氧化鋯頭部加熱繼續發生氧化反應，導致氧化鋯頭局部范圍內測量側的氧含量下降，氧離子從氧分壓較高的一面向較低的一面遷移，二氧化鋯基片兩側氧濃度差加大，造成煙氣氧量測量顯示值偏低。

由于爐外半干法脫硫出口煙氣流速低于入口煙氣流速，低負荷工況下煙氣流速低，還原劑停留時間長，出口CEMS煙氣濕氧異常影響尤為明顯，呈現CEMS煙氣濕氧測量系統顯示異常“倒掛”現象。而對該氧化鋯氧量計進行標準氣校驗標定并未發現異常情況，將氧化鋯測量探頭抽出煙道測量也正常，說明氧量測量顯示異常是煙道內實際工況和工藝測量方式綜合因素引起。為了避免因氧量測量異常影響CEMS環保煙氣排放指標計算，將CEMS干濕氧法測量濕度方式改造為濕度計直接測量方式后，也徹底解決了低負荷工況下標桿煙氣流量計算不準等問題。

5 結語

通過分析，CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝工藝在低負荷工況下，投入過量的還原劑會導致氨逃逸量上升，未經過反應的氨氣在氧化鋯頭部區域繼續發生氧化反應，導致頭部局部范圍內測量氧量下降，儀表測量氧量失真（偏低）。運行人員進行鍋爐燃燒工況調整時，需特別注意此時氧化鋯氧量計的測量顯示與真實氧量偏差問題。為避免此測量弊端，鍋爐燃燒調整時建議參考CEMS系統的干氧的測量顯示值，對于采用干濕氧法測量鍋爐煙氣濕度的CEMS，建議改造為濕度計直接測量更為穩定可靠。