梁聚齊，王傳生，章家?guī)r，馮旭剛

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.馬鞍山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，安徽 馬鞍山 243099）

0 引言

目前我國(guó)發(fā)電以火力發(fā)電為主，火電廠耗煤占全國(guó)煤炭消耗量的50%以上［1-2］，火電企業(yè)的SO2和CO2排放量會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，在當(dāng)前國(guó)家積極倡導(dǎo)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，火電企業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排成為必然趨勢(shì)。

火電企業(yè)中使用較多的鍋爐主要是燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t。在燃煤鍋爐中，通過(guò)檢測(cè)煙道中的飛灰含碳量，可有效判別鍋爐的燃燒效率，并為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供指導(dǎo)。在燃?xì)忮仩t中，由于其燃燒能源的特殊性，相對(duì)基于氧量控制的燃燒運(yùn)行優(yōu)化，基于煙氣中CO控制的燃燒優(yōu)化被證明是一種更加有效的優(yōu)化方式［3-4］，因而燃?xì)忮仩t的燃燒效率可通過(guò)檢測(cè)煙道尾氣中的CO含量來(lái)判別。在鋼鐵冶煉等企業(yè)的自備電廠中，通常采用冶煉鋼鐵過(guò)程中產(chǎn)生的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣體作為鍋爐燃燒的主要能源，因而鍋爐煙道尾氣中CO含量檢測(cè)結(jié)果可以為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供很好的指導(dǎo)。良好的燃燒效率不僅可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)能減排［5］。

筆者首先對(duì)幾種常用的CO檢測(cè)方法進(jìn)行介紹。通過(guò)對(duì)比性分析，確定用于發(fā)電鍋爐煙道尾氣中CO在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法。然后分析用于發(fā)電鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測(cè)的在線式CO監(jiān)測(cè)裝置的原理、結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用效果。最后對(duì)在線式CO監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 CO氣體的檢測(cè)方法

CO氣體的檢測(cè)方法主要有電化學(xué)法、電氣法、色譜法、紅外線吸收法等。目前，在CO氣體在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中通常使用的是電化學(xué)法和紅外線吸收法［6］。

1.1 電化學(xué)法

電化學(xué)法指的是利用CO的平衡化學(xué)電池反應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)電池的電極電壓變化來(lái)表明CO含量［7］。該檢測(cè)CO含量方法的主要原理為定電位電解法，三端電化學(xué)式傳感器為其核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在酸性電解液中設(shè)置了測(cè)量、參考及對(duì)應(yīng)這3個(gè)電極。在兩個(gè)反應(yīng)的電極之間加上合適的電壓，一旦CO氣體透過(guò)半透膜而進(jìn)入傳感器，兩個(gè)反應(yīng)電極就會(huì)立即發(fā)生相對(duì)應(yīng)的氧化-還原反應(yīng)［8］：

陽(yáng)極：CO+H2O→CO2+2H++2e-，

陰極：1/2O2+2H++2e-→H2O 。

圖1 CO電化學(xué)傳感器原理圖Fig.1 Principle diagram of CO electrochemical sensor

綜上所述，一旦CO氣體進(jìn)入到電化學(xué)傳感器內(nèi)部，其內(nèi)部就會(huì)立即發(fā)生氧化-還原的可逆反應(yīng)。該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式如下所示：

在CO氣體經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入傳感器之后，這個(gè)可逆反應(yīng)就始終發(fā)生著，并在工作電極和對(duì)電極之間產(chǎn)生電位差。當(dāng)CO氣體濃度發(fā)生變化時(shí)，傳感器相應(yīng)的輸出電位差也成比例發(fā)生變化［9］。

在三電極電化學(xué)氣體傳感器中，參考電極的加入主要是為了維持極間電位的恒定，因此該化學(xué)傳感器輸出端的變化反映了參考電極和工作電極兩個(gè)電極之間電位所發(fā)生的變化。參比電極由于不參與上述化學(xué)反應(yīng)，故其能使電極間的電位維持恒定，此時(shí)CO含量的變化就可以通過(guò)此電位的變化直接顯示出來(lái)。

1.2 紅外線吸收法

不同物質(zhì)分子的振動(dòng)頻率一般是不同的，只有在紅外光譜的頻率與分子本身的特定頻率一致的前提下，該種分子才能吸收紅外光譜輻射能［10］。所以通常情況下，不同的分子所能吸收的紅外線輻射能的波長(zhǎng)范圍也是不同的。

圖2為一個(gè)紅外線CO檢測(cè)裝置示意圖，將紅外線發(fā)射器和接收器分別安裝在測(cè)量室的兩側(cè)。紅外線發(fā)射器產(chǎn)生一個(gè)包含波長(zhǎng)為4.65 μm的紅外線光輻射源［6］。當(dāng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾處理的樣氣進(jìn)入測(cè)量室后，若樣氣中含有CO氣體，則發(fā)射器產(chǎn)生的輻射能中波長(zhǎng)為4.65 μm的光能量就會(huì)因?yàn)楸籆O氣體吸收而有所減少，該波長(zhǎng)光能量的損耗值與CO的濃度呈正比關(guān)系。在紅外輻射能穿過(guò)測(cè)量室之后，紅外線接收器接收檢測(cè)到剩余能量，將接收器檢測(cè)到的能量值與紅外線發(fā)射器產(chǎn)生的原始發(fā)射能量值相比較，就可以得出在測(cè)量室中損失的能量值，經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算可得出被測(cè)CO氣體的濃度值。

圖2 紅外線CO氣體檢測(cè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of infrared CO gas detection

1.3 電化學(xué)法與紅外線吸收法對(duì)比

電化學(xué)法與紅外線吸收法的具體對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 電化學(xué)法與紅外線吸收法對(duì)比Tab.1 Comparisons of electrochemical method with infrared method

將兩種檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析可知，紅外線法具有非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但儀器響應(yīng)速度相對(duì)較慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂、抗干擾性差、維護(hù)難度大。電化學(xué)法應(yīng)用普遍，綜合指標(biāo)較好，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格適中、可維護(hù)性好。發(fā)電鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測(cè)中所使用的CO在線監(jiān)測(cè)裝置多使用電化學(xué)方法。

2 CO在線監(jiān)測(cè)裝置

在國(guó)家積極推行節(jié)能減排政策的環(huán)境下，CO在線監(jiān)測(cè)裝置在大型發(fā)電廠或工業(yè)鍋爐煙道尾氣參數(shù)檢測(cè)中的應(yīng)用將會(huì)有巨大的市場(chǎng)前景。目前，進(jìn)口產(chǎn)品以德國(guó)西門(mén)子以及德國(guó)西克麥哈克的煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為主，國(guó)內(nèi)相關(guān)的同類產(chǎn)品主要是以廈門(mén)格瑞斯特（ABB）和北京華圣金程（WALSN）為代表。

本文所述的是基于電化學(xué)法的CO在線監(jiān)測(cè)裝置。它具有價(jià)格適中、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于鍋爐煙氣中CO含量的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)鍋爐的燃燒狀況進(jìn)行優(yōu)化，這樣不僅可以使得燃料得以充分利用，為工礦企業(yè)節(jié)約能源，還減少污染氣體的排放，保護(hù)環(huán)境。

2.1 監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行機(jī)制

安裝于采樣探頭內(nèi)部的過(guò)濾器可以有效地將需要被分析的氣體中的小顆粒物去除，隨后經(jīng)過(guò)一次過(guò)濾處理的氣體經(jīng)過(guò)采樣管被輸送到主機(jī)柜內(nèi)。

氣體在主機(jī)柜內(nèi)經(jīng)過(guò)二次過(guò)濾和冷凝脫水后變?yōu)楦蓺?，再通過(guò)精濾送入CO傳感器，此傳感器對(duì)送入其內(nèi)氣體的CO含量進(jìn)行測(cè)量并將該濃度轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（4～20 mA）予以輸出。

2.2 監(jiān)測(cè)裝置組成

CO監(jiān)測(cè)裝置包括取樣探頭，測(cè)量控制主機(jī)單元，過(guò)濾、吹掃處理單元，其組成架構(gòu)如圖3所示。其中，取樣探頭主要用于從鍋爐煙道中抽取樣氣，并進(jìn)行初步過(guò)濾；測(cè)控單元主要用于控制系統(tǒng)運(yùn)行以及檢測(cè)、顯示CO含量；過(guò)濾、吹掃處理單元主要用于煙氣過(guò)濾、熱反吹等。

圖3 CO在線監(jiān)測(cè)裝置組成架構(gòu)Fig.3 Structure of CO online monitoring device

2.2.1 取樣探頭 采樣探頭采用耐高溫、耐磨損材質(zhì)制成標(biāo)準(zhǔn)型，不僅能夠經(jīng)受鍋爐煙道的苛刻環(huán)境，而且還可以有效防止煙道粉塵堵塞采樣管。取樣探頭外面套有高溫耐磨防護(hù)管，能有效延長(zhǎng)取樣探頭的使用壽命。

2.2.2 測(cè)控單元 測(cè)控單元安裝于一個(gè)立柜式的金屬機(jī)箱的內(nèi)部。為保證檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性和精確性，檢測(cè)單元采用雙傳感器，一用一備。在系統(tǒng)正常運(yùn)行階段，當(dāng)其中處于工作狀態(tài)的傳感器出現(xiàn)影響檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)故障時(shí)，相關(guān)的故障報(bào)警信號(hào)被觸發(fā)，同時(shí)另一個(gè)處于備用狀態(tài)的傳感器開(kāi)始運(yùn)行直至故障消除［7］。檢測(cè)CO濃度值所用的傳感器采用可適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)苛刻環(huán)境的進(jìn)口電化學(xué)傳感器，該傳感器在經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)濾處理氣體中CO濃度時(shí)，會(huì)將此濃度值自動(dòng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)（4～20 mA）予以輸出。

在正常運(yùn)行階段，控制單元控制采樣泵，并將樣氣抽入到儀器內(nèi)部。在反吹掃階段，控制中心控制相關(guān)元器件進(jìn)行系統(tǒng)的反吹掃。如果遇到異常狀態(tài)，控制中心會(huì)產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)提示工作人員進(jìn)行檢查維護(hù)。

2.2.3 過(guò)濾、吹掃處理單元 過(guò)濾、吹掃處理單元組成包括煙塵過(guò)濾組件、熱反吹加熱組件以及取樣、反吹切換系統(tǒng)等。采用熱反吹加熱元件，有效防止探頭堵塞。采樣泵通過(guò)采樣管和采樣探頭以預(yù)設(shè)的抽取速度從煙道中抽取樣氣，樣氣首先經(jīng)過(guò)采樣探頭外面的金屬濾網(wǎng)去除大顆粒物質(zhì)，然后由冷凝器降溫，除去其中的水汽，之后經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)濾器濾除其中的其他氣體成分，最后送入檢測(cè)單元分析CO含量。在多級(jí)過(guò)濾期間，樣氣在經(jīng)過(guò)冷凝器時(shí)冷凝產(chǎn)生的水由蠕動(dòng)泵排出。在系統(tǒng)分析過(guò)樣氣中的CO含量之后，剩余廢氣經(jīng)由特定的排氣口排出。

為了防止采樣氣體中的小顆粒物對(duì)系統(tǒng)采樣探頭造成堵塞，進(jìn)而影響系統(tǒng)正常工作，需要定期采用壓縮空氣對(duì)采樣探頭進(jìn)行反吹掃［11］。

2.3 監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用情況

CO在線監(jiān)測(cè)裝置在安徽某電廠鍋爐中投入運(yùn)行半年以來(lái)使用情況良好，能準(zhǔn)確檢測(cè)出煙氣中CO含量，為現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)鍋爐燃燒狀況進(jìn)行優(yōu)化提供了可靠保證。

圖4是鍋爐運(yùn)行過(guò)程中DCS中的CO、O2、含碳量以及鍋爐負(fù)荷趨勢(shì)圖，其中最上面的曲線是負(fù)荷曲線，其下面的曲線依次分別是CO含量曲線、O2含量曲線、含碳量A數(shù)據(jù)曲線和含碳量B數(shù)據(jù)曲線。從圖4中可以看出，隨著鍋爐負(fù)荷的不斷變化，煙氣含量中CO數(shù)值不斷發(fā)生變化，并且負(fù)荷變化與CO含量變化兩者之間的滯后性極小。CO和O2的值由于負(fù)荷變化而存在振蕩，但總體來(lái)說(shuō)該CO監(jiān)測(cè)裝置對(duì)鍋爐燃燒調(diào)整作用效果良好。

圖4 CO含量曲線圖Fig.4 CO content curve

3 展望

1）取樣管長(zhǎng)度。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，通常要求采樣管長(zhǎng)度在30～50 m。而過(guò)長(zhǎng)的采樣管使得采集到的樣本以及檢測(cè)到的數(shù)據(jù)具有較大的滯后性。對(duì)鍋爐燃燒狀況的優(yōu)化所依照的參數(shù)數(shù)據(jù)總是之前時(shí)刻的，這將導(dǎo)致對(duì)鍋爐燃燒狀況的優(yōu)化始終存在慢一步的情況，對(duì)于鍋爐燃燒的優(yōu)化無(wú)法提供較好的幫助。因此，在滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求的情況下，盡量減小由于采樣管長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的樣氣及其中的檢測(cè)參數(shù)的滯后性是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

2）取樣點(diǎn)位置。目前，大多數(shù)火電企業(yè)在對(duì)煙道尾氣關(guān)鍵熱工參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，通常把除塵器出口作為一個(gè)較為理想的監(jiān)測(cè)參數(shù)取樣點(diǎn)。主要是因?yàn)樵撎師煔鉁囟容^低、流速平穩(wěn)、對(duì)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求低、對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)比較方便。但是由于該采樣點(diǎn)相距鍋爐爐膛較遠(yuǎn)，檢測(cè)產(chǎn)生的CO濃度值具有一定的滯后性，無(wú)法反映鍋爐目前的燃燒狀態(tài)，故此濃度值對(duì)于鍋爐燃燒優(yōu)化的指導(dǎo)作用不強(qiáng)。因此，在綜合考慮監(jiān)測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性以及現(xiàn)有檢測(cè)器件發(fā)展水平等情況下，如何選擇最優(yōu)的、可以為鍋爐燃燒優(yōu)化提供合理指導(dǎo)數(shù)據(jù)的CO在線檢測(cè)裝置的安裝位置，可以作為下一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家積極倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，實(shí)現(xiàn)煙道尾氣中CO含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為鍋爐的燃燒優(yōu)化提供指導(dǎo)是非常有必要的。本文介紹了兩種主要的CO在線檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)苛刻的使用環(huán)境選擇電化學(xué)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。雖然基于電化學(xué)法的CO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可以在苛刻的環(huán)境下進(jìn)行關(guān)鍵燃燒參數(shù)的檢測(cè)，但是在取樣管長(zhǎng)度、取樣點(diǎn)位置的選取這兩方面仍需作進(jìn)一步研究。

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