烟气分析及运行过量空气系数的确定

4.2.3　烟气分析及运行过量空气系数的确定

烟气分析的主要目的是通过对烟气中各种成分及含量的测定，了解炉内的燃烧工况，提出正确的燃烧调整方案，以保持锅炉运行的高效率。因为一台锅炉运行时的效率是随当时的运行工况（主要是燃烧工况）而变化的。不同的运行工况将产生不同的烟气成分及含量。其次，烟气中的某些成分及含量还可反映出锅炉机组本身的状况，如燃烧设备的设计和布置，烟气及空气侧的密封装置等等，从而为设备的检修和进一步改进提供依据。

烟气分析的方法很多，有化学吸收法，电气测量法，红外光谱法以及色谱分析法等。

（1）奥氏（Orsat）烟气分析仪是一种典型的化学吸收法烟气分析仪器，它的工作原理是利用某些化学药剂对气体具有选择性吸收的特性来实现烟气成分测量的。如将一定量的烟气（通常为100mL）反复多次流经这些药剂时，其中某一成分的气体便与之反应而被吸收。通过在等温等压条件下对气体减少量的测定，便可获得该气体的容积百分数。一般来说，使用奥氏烟气分析仪最先获得的是RO₂，其次是O₂，最后是CO。奥氏烟气分析仪的具体构造可见参考文献［1］。奥氏烟气分析仪具有结构简单、操作容易、测量准确等优点，但该仪器所需分析时间长，一般一个熟练的操作人员需要15～20min才能完成一次测量。因而，不宜作为锅炉运行时监督燃烧工况的仪表使用。

（2）热导式CO₂烟气分析仪是利用二氧化碳的热导率比其它成分小这一物理特性来测定烟气中CO₂的含量。磁性氧量计则是利用氧的顺磁性来测定烟气中的O₂含量。以上两种烟气分析仪均能连续测量，并自动记录，可作为大型电站锅炉的运行监督仪表使用。

用来测量氧含量的仪器称作氧量分析仪，或氧量计。常用的氧量计除磁性氧量分析仪外，还有氧化锆氧量分析仪。氧化锆氧量计是根据氧浓差电池的原理制造的。当二氧化锆掺入一定数量的氧化钙或氧化镱，氧化锆就具备了传递氧离子的特性，这样，在烟气和掺入空气之间便组成了氧浓差电池，测定该电池的电动势便可确定烟气中的含氧量。由于氧化锆氧量计具有结构简单、信号准确、使用可靠、反应迅速（反应时间小于0.4s）、维修方便等一系列优点，因而其应用范围日益广泛^［5］。

有时为了研究锅炉的燃烧过程，需要全面地测定烟气成分，除RO₂，O₂，CO外，还需测定H₂、C_mH_n等。

（3）色谱法（GC，gas chromatography）是一种混合物组份的分离技术，其基本原理是：被分析的混合物样品在流动气体或液体（流动相）的推动下，流经一根装有填充物（固定相）的管子（称色谱柱）时，受固定相的吸附或溶解作用，样品中的各组分在流动相和固定相中产生浓度分配。由于固定相对不同组分的吸附或溶解能力不同，因此各种组分在流动相和固定相中的浓度分配情况不同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而达到分离混合物组分的目的。根据不同的流动相物态，色谱法又分为液相色谱法和气相色谱法，前者用液体作为流动相，后者则用气体作为流动相，通常称之为载气。色谱柱中的固定相也有两种状态，即固态和液态，因此，以气相色谱为例，它又有气固色谱和气液色谱之分。前者利用固态充填物对不同组分吸附能力的差别进行组分分离，后者则利用不同组分在液态充填物中的不同溶解度实现组分分离^［5］。

（4）在烟气的主要成分中，除同原子的双原子气体（H₂、N₂和O₂等）外，其它非对称分子气体，如CO、CO₂、H₂O、NO、C_mH_n等，在红外区均有特定的吸收带（波段）。这种特定的吸收带对于某一种分子是确定的、标准的，其特性如同“物质指纹”。也就是说，根据特定的吸收带，可以鉴别分子的种类。利用这一原理可制成各种红外气体分析仪，实现对烟气进行定性或定量的分析和测量。

用二氧化碳仪对锅炉运行状况进行监督时，正常的二氧化碳值可参照值来确定。但实际烟气中或多或少都有一氧化碳的存在，所以三原子气体含量都比小一些。与β一样，基本上只与燃料的可燃物含量有关。测定RO₂（或CO₂）的目的与直接测定氧含量的目的一样，都是为了调整供给锅炉的空气量，控制好过量空气系数，减小锅炉的各项热损失。

一般来说，依据氧量控制燃烧工况更为方便，更为合理。其原因如下：

①如图4.1所示，在同一过量空气系数下，不同燃料燃烧产生的CO₂含量相差很大，而在相同情况下O₂的含量却相差很小。

图4.1　烟气中CO₂及O₂含量随α变化的关系

1－无烟煤；2－褐煤；3－重油；4－天然气

②只凭CO₂%的指示，有时会导致错误的风量调节。原因如下：一般CO₂%较小时意味着过剩空气较多，应该减少送风量，这仅在完全燃烧或烟气中CO含量很少的情况下才是正确的。而当有明显的不完全燃烧时，燃料中的C不仅氧化成CO₂，还氧化成CO，而使烟气中的CO₂%减少。正确的调节应该是增大风量以减少不完全燃烧损失。而烟气中的氧含量则能直接反映送风量是否适当。

锅炉运行时的过量空气系数α可根据烟气分析的结果予以确定。

由于燃料中的氮含量很少，燃烧后燃料释放出来的氮的容积远小于烟气中氮的容积，即0.8《VN2。

忽略燃料中的氮N_ar时，进入炉内的实际空气量可简化为

烟气中氮的容积为

所以

同样

于是

完全燃烧时，干烟气的组分为RO₂＋O₂＋N₂＝100，即N₂＝100－RO₂－O₂，于是，式（4.59）成为

当通过烟气分析测出RO₂和O₂之后，便可由上式求得过量空气系数。

由式（4.52）和式（4.60），有

由式（4.53）和式（4.60），可得到

对于燃煤锅炉来说，β＝0.06～0.2，数值上是很小的。从以上两式不难得出，若采用式（4.61）来确定过量空气系数α，燃料特性系数β的影响是较大的；而若采用式（4.62）来确定过量空气系数α，燃料特性系数β的影响是较小的。事实上，图4.1中各曲线就是依据以上两式做出的。

这样一来，在式（4.62）中忽略β的影响，即认为

则有

因此，完全燃烧时，过量空气系数α与烟气中氧的容积成分O₂基本上是对应的。若知道了运行中锅炉的烟气中的含氧量，就可以知道过量空气系数。

不完全燃烧时，烟气中的氧既来自过量空气，也来自理论空气中由于碳不完全燃烧而未消耗的氧。若不完全燃烧产生中仅考虑CO时，未消耗的氧的体积份额为0.5CO，即过量空气中的氧应为烟气分析测定的氧减去0.5CO。因此

此时，干烟气中氮的容积份额为

由式（4.55），式（4.57），式（4.65），及式（4.66）得

上式即为确定不完全燃烧时的过量空气系数表达式。同样也可确定气体燃料燃烧的过量空气系数^［6］。