煙氣分析儀如何幫助提高天然氣鍋爐的燃燒效率

所謂提高燃燒效率，就是要適量的天然氣與適量的空氣組成合適比例進(jìn)行燃燒。因?yàn)榭諝庵杏?9%的N2，這些N2不參加燃燒，但在燃燒過程中被加熱，吸取能量后從煙道中被排到大氣中去。即為了使空氣中20.9%的O2參與燃燒，必須要加熱比O2多將近4倍的N2，然后將其放掉。這些能量的損耗是不可避免的，但卻可以減到低的程度。如果能在保證天然氣充分燃耗的前提下盡可能的減少空氣的輸入量，則這種形式的損耗將減至低。但空氣量的減少必須保證天然氣充分燃燒的前提下，否則由于天然氣未充分燃燒的能量損失也是十分巨大的。因此，保證天然氣充分燃燒，合理控制空氣輸入量，有效提高天然氣燃燒效率對(duì)提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性意義重大。

一、影響天然氣鍋爐燃燒效率的因素

天然氣燃燒效率直觀體現(xiàn)在鍋爐熱效率上，天然氣燃燒效率越高，鍋爐熱效率也越高。鍋爐根據(jù)GB/T15317-2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》、GB/T10820-2011《生活鍋爐熱效率及熱工實(shí)驗(yàn)方法》與GB/T10180-2017《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》三大標(biāo)準(zhǔn)可知，天然氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括：鍋爐熱效率、過量空氣系數(shù)、排煙處CO含量和排煙溫度等。其中，鍋爐熱效率與過量空氣系數(shù)、排煙處CO含量、排煙溫度有著密切關(guān)系。

1、過量空氣系數(shù)

不同類型的鍋爐，都有一個(gè)過量空氣系數(shù)，但實(shí)際上幾乎所有的爐子都超過設(shè)計(jì)值。過量空氣系數(shù)過大或過小都會(huì)產(chǎn)生不良后果，過大會(huì)導(dǎo)致煙氣體積增大，爐膛溫度降低，增加排煙熱損失，熱效率降低；過小會(huì)使天然氣燃燒不充分，產(chǎn)生大量CO，污染環(huán)境，同時(shí)也增大了不*燃燒熱損失。可以說過量空氣系數(shù)的大小直接影響天然氣鍋爐的熱工性能，即鍋爐熱效率。一般過量空氣系數(shù)控制在1.05~1.20之間。

2、排煙處CO含量

煙氣中CO是由于天然氣不*燃燒與過量空氣量少產(chǎn)生的，天然氣不*燃燒容易產(chǎn)生炭黑，長期積累會(huì)影響鍋爐的熱傳遞，降低鍋爐的熱效率，對(duì)鍋爐本身造成損壞。CO含量越高，則表明天然氣燃燒效率越低，過量空氣量越少，鍋爐熱效率越低。DB11/T1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》和DB37/T846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》分別規(guī)定了CO含量不得超過0.01%與0.02%。

3、排煙溫度

造成鍋爐熱效率偏低的另一原因是排煙熱損失。排煙熱損失是鍋爐的主要熱損失之一，可達(dá)10%~20%，而排煙熱損失主要取決于排煙溫度和過量空氣系數(shù)的大小。排煙溫度越高，排煙處煙氣焓越高，排煙熱損失越大，鍋爐熱效率就越低。

因此，要提高天然氣燃燒效率，即提高鍋爐熱效率（以少的天然氣獲得高的熱量），就是要控制好過量空氣系數(shù)、監(jiān)測(cè)排煙處CO含量及排煙溫度。

二、提高天然氣鍋爐燃燒效率的方法

1、煙氣成分監(jiān)測(cè)

上世紀(jì)60年代，曾廣泛采用CO2分析儀監(jiān)測(cè)煙道氣體中CO2來控制過量空氣以實(shí)現(xiàn)有效率的燃燒，但CO2受燃?xì)馄贩N影響較大。上世紀(jì)70年代后，逐漸采用檢測(cè)煙氣中CO2或CO和O2相結(jié)合的方法來控制燃燒狀況。因此，改善燃燒狀況直接的方法就是使用煙氣分析儀器（如燃燒效率分析儀、煙氣分析儀等）監(jiān)測(cè)排煙處氣體成分，通過測(cè)量并控制煙道氣體中CO、O2、CO2的含量來調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)，達(dá)到天然氣燃燒效率大化的目的。

根據(jù)DB11/T1231-2015《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》和DB37/T846-2007《燃?xì)夤I(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》可知排煙處過量空氣系數(shù)計(jì)算方法為公式（1）：

式中：α——排煙處過量空氣系數(shù)；RO2——排煙處干燃燒產(chǎn)物三原子氣體容積含量（%）；O2——排煙處干燃燒產(chǎn)物氧含量（%）；CO——排煙處干燃燒產(chǎn)物一氧化碳含量（%）。

因天然氣熱值較高，雜質(zhì)較少，不*燃燒情況不多，通常認(rèn)為產(chǎn)生的CO含量少，可將公式（1）簡(jiǎn)化成公式（2）：

式中：CO2——排煙處干燃燒產(chǎn)物二氧化碳含量（%）

綜上所述，測(cè)量煙氣中O2、CO、CO2氣體體積濃度，可計(jì)算出過量空氣系數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一般采用奧式分析儀或燃燒效率分析儀可測(cè)量煙氣成分并計(jì)算出過量空氣系數(shù)。

燃燒效率分析儀可抽取煙道氣體并自動(dòng)分析其成分，計(jì)算得到爐內(nèi)的過?？諝庀禂?shù)（實(shí)際燃燒空氣量與理論燃燒空氣量的比值）或燃燒效率（燃料燃燒后實(shí)際放出的熱量占其*燃燒后放出的熱量的比值）。燃燒效率分析儀中一般安裝多個(gè)傳感器，傳感器根據(jù)測(cè)量原理不同分為電化學(xué)和紅外兩種。

電化學(xué)傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)燃燒效率分析儀采用該原理的傳感器，分別測(cè)量CO和O2，計(jì)算得到CO2，空氣過量系數(shù)等其他熱工參數(shù)。但在實(shí)際使用過程中，由于不同爐體煙道壓力的不同，經(jīng)常導(dǎo)致分析儀的取樣流量不同或波動(dòng)，電化學(xué)傳感器易受到采樣流量的影響，從而降低了測(cè)量精度；其次煙道排放氣體中還存在SO2、NOx等其他氣體，會(huì)對(duì)CO測(cè)量產(chǎn)生交叉干擾，影響CO與CO2測(cè)量準(zhǔn)確度，甚至是過量空氣系數(shù)的計(jì)算。

相較于電化學(xué)傳感器，紅外傳感器具有抗干擾性好、不受取樣流量影響、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且紅外傳感器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO、CO2測(cè)量，需要時(shí)還可擴(kuò)展測(cè)量SO2、NOx等氣體含量，為燃料燃燒提供更多的參考依據(jù)。同時(shí)紅外傳感器還具有靈敏度高，精度高，量程范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)均有利于實(shí)現(xiàn)燃燒的控制。綜合以上原因，銳意自控基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)氣體傳感器硬件及軟件核心技術(shù)，針對(duì)天然氣鍋爐實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收與運(yùn)行調(diào)控需求，專門設(shè)計(jì)出了一款燃燒效率分析儀Gasboard-3400(P)，并在電力、鋼鐵、有色金屬、煤化工、石油化工、空分、節(jié)能環(huán)保部門、科研院校等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

Gasboard-3400(P)采用非分光紅外氣體分析技術(shù)及長壽命電化學(xué)傳感器技術(shù)，可同時(shí)測(cè)量CO、CO2與O2等氣體的體積濃度，并計(jì)算得出過量空氣系數(shù)。此外，天然氣鍋爐廠家或用戶還可根據(jù)鍋爐實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收或運(yùn)行調(diào)控需求選擇在線型或便攜型產(chǎn)品。相較于奧式分析儀的低精度檢測(cè)、慢響應(yīng)速度及繁瑣的操作流程、較高的耗材成本，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2、排煙溫度測(cè)量

排煙溫度高，排煙熱損失大，鍋爐效率下降。排煙溫度每上升1℃，鍋爐效率下降0.05%-0.06%。在為了降低排煙溫度，減少運(yùn)行中天然氣鍋爐的排煙熱損失，應(yīng)在滿足燃燒反應(yīng)所需空氣的前提下盡量保持較低的空氣系數(shù)，盡可能避免燃料室及各部分煙道的漏風(fēng)，以降低排煙熱損失。然而排煙溫度不是越低越好，因?yàn)樘偷呐艧煖囟葎?shì)必要增加鍋爐爐尾部受熱面，這是不經(jīng)濟(jì)的；同時(shí)還會(huì)增加通風(fēng)阻力，增加引風(fēng)機(jī)的電耗；此外，過低的排煙溫度，若低于煙氣露點(diǎn)以下，將會(huì)引起受熱面的腐蝕，危機(jī)鍋爐的安全運(yùn)行。因此，需要合理測(cè)量并控制排煙溫度。Gasboard-3400(P)除可測(cè)量煙氣成分并計(jì)算得出過量空氣系數(shù)外，還可同時(shí)測(cè)量0℃~1200℃范圍內(nèi)的排煙溫度，為調(diào)節(jié)天然氣鍋爐燃燒工況提供合理依據(jù)。

燃燒效率分析儀已經(jīng)成為優(yōu)化天然氣鍋爐燃燒和運(yùn)行*的重要設(shè)備。正確使用它并通過它合理調(diào)節(jié)天然氣熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，減少助燃空氣量和排風(fēng)量，節(jié)省通風(fēng)機(jī)動(dòng)力費(fèi)用，減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失，減少過量燃燒供給量；降低環(huán)境污染，減少NOx、SO2等污染物的排放；延長燃燒裝置使用壽命等效益。

（來源：工業(yè)過程氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)）