大型CFB机组低负荷工况下氧量测量问题之初探

江志耀

（国能神福（龙岩）发电有限公司，福建 龙岩 364002）

锅炉炉内燃烧工况是否稳定是电站锅炉机组安全经济运行的重要基础，为了控制进入锅炉炉膛的空气量，一般设计采用氧化锆测量烟气含氧量，通过计算过量空气系数，从而实现有效调整锅炉燃烧风煤比，确保锅炉燃烧在最稳定经济状态。锅炉氧量是对炉内燃烧过程影响非常复杂的参数，如果氧量测量不准确，将会导致锅炉机组一次风机、二次风机、引风机等辅机电耗增加，锅炉尾部排烟温度升高，锅炉效率下降，机组煤耗上升等诸多问题。在运行中，锅炉氧量过大，烟气流速增大，使空预器出口灰分含碳量增加，机械不完全燃烧损失增加，锅炉风机出力电流增大，厂用电率增加，降低了锅炉的运行经济性；氧量控制过低，锅炉燃烧稳定性降低，又不利于锅炉炉膛的安全运行。

1 低负荷工况下氧量测量变化情况

某电厂建设有2×300MW循环流化床发电机组，锅炉采用的是东方锅炉厂制造的单炉膛、一次中间再热、汽冷式旋风分离器、露天布置、固态排渣的1025t/h亚临界参数自然循环单汽包循环流化床锅炉，受热面采用全悬吊方式，炉架为双排柱钢结构。汽轮机系东方汽轮机股份有限公司生产制造，容量为300MW，亚临界参数、反动式、单轴、一次中间再热、双缸双排汽、纯凝机组，机组型号为N300-16.7/537/537。系统为单元制热力系统。汽轮机发电机机组配有2个高压主汽门、2个中压主汽门和4个高压调节汽门、2个中压调节汽门。机组的DCS、DEH系统采用北京和利时系统工程股份有限公司提供的MACSV系统。液压系统采用了东方汽轮机股份有限公司成套的高压抗燃油EH装置。

根据国家有关节能环保政策要求，2015年完成了机组环保超低排放改造工作，脱硝系统采用SNCR工艺，脱硫除尘采用炉添加内石灰石和炉外循环流化床半干法脱硫除尘一体化工艺，实现机组烟气SO2排放浓度控制低于35mg/Nm3，NOX排放浓度控制低于50mg/Nm3，粉尘排放浓度控制低于5mg/Nm3的超低排放目标。

鉴于电力市场发展状况，为更好适应电力辅助服务（调峰）交易规则，通过燃用不同煤种和不同负荷下机组能耗对比，合理安排机组运行方式和采购适应煤种，使机组处于最低能耗方式运行，电厂开展了130MW低负荷工况下脱硝运行效率试验。在机组负荷130MW试验过程中，虽然锅炉炉内燃烧工况运行稳定，但在试验期间，锅炉A、B、C分离器入口温度均低于700℃，在机组负荷150MW时尿素耗量为240kg/h，机组负荷130MW时最大用量达3100kg/h，氨逃逸测量由3.34ppm上升到15ppm以上（满量程），炉外干法脱硫入口CEMS烟气干氧由4.3%～4.5%区间变化，炉外干法脱硫烟囱入口CEMS烟气干氧在4.8%～5.1%区间变化，锅炉空预器出口烟气湿氧由2.2%降至1.7%，炉外干法脱硫出口CEMS烟气湿氧由3.34%降至0.78%，CEMS烟气湿氧测量系统显示异常“倒挂”现象。在机组负荷恢复至150MW以上运行时，氨逃逸、氧量测量均自行恢复正常监测。

2 氧化锆氧量测量原理

该电厂锅炉空预器出口烟气氧量、CEMS出口烟气氧量采用氧化锆测量氧量方式。氧化锆氧量测量分析系统是直插在线式测量方式，即氧传感器安装在探头顶端，探头插入烟道当中约三分之一处的位置，使氧传感器位于被测烟气之中。氧传感器由二氧化锆基片组成（见图1），两面镀有多孔铂金电极层，密封焊在用不锈钢管制成的钢套的顶部。氧传感器通过温度控制器控制，使温度保持恒定（750℃或843℃）。在这种恒温条件下，当二氧化锆基片两侧有氧浓度差出现时，则在基片两侧将产生毫伏电势信号，当电池的参比侧和测量侧的氧含量不同时，氧离子就会从氧分压较高的一面向较低的一面迁移。此时，电池的毫伏输出信号与被测气体的氧含量的对数成反比关系。

图1 氧传感器结构示意图

这个毫伏电势信号的输出可以按下式（能斯特方程）计算：

式中，E=锆电池所产生的电动势；P1=锆电池内侧参比气体（清洁，干燥和无油的空气，默认含氧量20.6%）；P2=锆电池外侧被测气体（烟气中的氧气）的氧含量%；T=锆电池池温（绝对温度K=273+750或843℃）；C=电池常数mV。

3 CFB锅炉SNCR脱硝原理

根据有关试验研究，影响CFB锅炉NOx排放的主要因素以及对NOx排放的作用效果见表1，循环流化床锅炉的NOx主要组成成分是NO和N2O，其中绝大部分是NO，摩尔比占了95%左右，如何做好NO的排放控制是循环流化床机组的NOx排放控制的关键要点。

表1 影响NOx 排放的因素

由表1有关试验研究可知，含氮量和挥发份主要由电厂采购供应的燃料种类决定，受外部燃料供应市场影响较大，无法通过工艺控制方式调整改变。石灰石进料量和实际燃烧煤种含硫率有关，也不是人为调整减少NOx排放手段。而锅炉床温是CFB锅炉设计的一个重要参数。CFB锅炉设计采用低一次风、二次风分级、火上风等因素实现低NOx生成量，在满足燃烧效率要求的前提下才能考虑床温、过量空气系数、一二次风的分配以及二次风的分级对NOx排放控制的影响。表1第1～8项属于NOx生成环节的一次控制技术，第9～10项属于烟气脱硝二次控制技术。

该电厂锅炉烟气脱硝采用选择性非催化还原法（SNCR）烟气脱硝工艺，它是在没有催化剂存在条件下利用还原剂将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水的一种脱硝方法。用尿素作为还原剂，通过给料口进入尿素溶解罐中，按比例与补充的新鲜除盐水充分溶解，配制成40%～50Wt.%浓度的尿素溶液。然后由在线稀释系统根据锅炉运行情况和NOx排放情况在线稀释成所需的浓度，通过计量分配系统实现各喷射层的尿素溶液分配和计量后，送入喷射系统，最终由喷射系统雾化喷射进入分离器入口烟道，在分离器和尾部烟道进行选择性还原反应，高温下，还原剂迅速分解为氨（NH3）并于烟气中的氮氧化物（NOx）进行还原反应生成氮气（N2）和水（H2O），达到削减NOx排放浓度的目的。SNCR烟气脱硝工艺流程框图如图2。

图2 SNCR烟气脱硝工艺流程框图

SNCR脱硝工艺采用尿素为还原剂，其反应式如下：

当温度高于1150℃时，尿素热解的NH3则会被氧化为NO，反应式为：4NH3+5O2→4NO+6H2O。

还原剂的反应高效温度范围称为温度窗。最佳温度区一般为830～1000℃。由于SNCR技术对反应温度非常敏感，随温度降低，其还原反应速度降低，从而使大量还原剂来不及反应而降低脱硝效率，增加还原剂逃逸量。但是反应温度也不能过高，当温度高于1100℃时，NH3的氧化反应速度超过还原反应而起主导作用，从而可能造成NO排放浓度高于基准排放浓度。所以，循环流化床锅炉选用SNCR烟气脱硝工艺技术关键是选择并控制合适的反应温度条件，只有满足合适的温度反应区间，且还原剂和烟气能够快速而良好的混合条件下，还原剂在最佳温度区域停留时间越长就越有利于NOx的脱除，从而才能保证较高的脱硝效率和较低的还原剂泄漏逃逸。

4 氧量测量异常原因分析

由上可知，根据氧化锆氧量测量原理和CFB锅炉SNCR脱硝原理，在低负荷试验期间，虽然CFB锅炉炉膛床温较低，使NOx排放总量降低，但锅炉A、B、C分离器入口温度均经常低于700℃，严重偏离脱硝还原剂反应最佳温度区830～1000℃。由于喷入点的烟气温度低导致氨与NOx的反应速度降低，同时，喷入的还原剂过量或雾化不良导致还原剂分布不均匀、反应不充分，导致NOx还原率降低，脱硝效率降低，运行人员为保证出口烟气NOx达标排放，必须喷入大量尿素溶液，形成恶性循环，使尿素用量大幅上升，氨逃逸量急剧增加。在分离器未经过反应的过量的氨气跟锅炉烟气混合，经过炉外半干法脱硫系统后降低至80℃左右。由于氧化锆探头在运行过程中要进行加热，探头头部温度基本恒定在800℃，在这种恒温条件下，过量的氨气在氧化锆头部加热继续发生氧化反应，导致氧化锆头局部范围内测量侧的氧含量下降，氧离子从氧分压较高的一面向较低的一面迁移，二氧化锆基片两侧氧浓度差加大，造成烟气氧量测量显示值偏低。

由于炉外半干法脱硫出口烟气流速低于入口烟气流速，低负荷工况下烟气流速低，还原剂停留时间长，出口CEMS烟气湿氧异常影响尤为明显，呈现CEMS烟气湿氧测量系统显示异常“倒挂”现象。而对该氧化锆氧量计进行标准气校验标定并未发现异常情况，将氧化锆测量探头抽出烟道测量也正常，说明氧量测量显示异常是烟道内实际工况和工艺测量方式综合因素引起。为了避免因氧量测量异常影响CEMS环保烟气排放指标计算，将CEMS干湿氧法测量湿度方式改造为湿度计直接测量方式后，也彻底解决了低负荷工况下标杆烟气流量计算不准等问题。

5 结语

通过分析，CFB锅炉SNCR烟气脱硝工艺在低负荷工况下，投入过量的还原剂会导致氨逃逸量上升，未经过反应的氨气在氧化锆头部区域继续发生氧化反应，导致头部局部范围内测量氧量下降，仪表测量氧量失真（偏低）。运行人员进行锅炉燃烧工况调整时，需特别注意此时氧化锆氧量计的测量显示与真实氧量偏差问题。为避免此测量弊端，锅炉燃烧调整时建议参考CEMS系统的干氧的测量显示值，对于采用干湿氧法测量锅炉烟气湿度的CEMS，建议改造为湿度计直接测量更为稳定可靠。