基于TDLAS 的煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S 同步在線監測

彭志敏，賀拴玲，周佩麗，杜艷君，王振，丁艷軍，吳玉新，呂俊復

（1.清華大學能源與動力工程系，北京 100084；2.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206）

近年來，我國火電機組超低排放政策實施了全球最嚴格的排放標準，其中 NOx排放限值為50 mg/m3（標準狀態）。為此，煤粉鍋爐普遍采用分級燃燒以實現NOx超低排放目標[1-3]。分級燃燒雖然可有效地降低燃燒區燃燒速率和溫度，在還原性氣氛條件下抑制NOx生成量，但深度缺氧工況會導致還原性氣氛H2S 和CO 體積分數急劇增加。其中，H2S 作為一種強腐蝕性氣體，當其體積分數較高時（如100 μL/L 量級）會對水冷壁造成強烈的高溫腐蝕作用，嚴重時會引起水冷壁“爆管”，影響機組安全運行[4-6]；與此同時，未燃盡的CO 和飛灰含碳過量排放也會導致發電煤耗增加。因此，在線監測煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數以及基于監測數據反饋的燃燒調整對實現鍋爐高效環保安全運行具有重要意義。

目前，火電機組尾部煙道（如SCR 煙氣脫硝出入口、煙囪總排口）煙氣中CO 體積分數通常采用非分散紅外吸收光譜（NDIR）結合伴熱抽取預處理方式進行測量。NDIR 采用單光源雙光束探測方案，光源發出的紅外光束經濾波片后分別進入測量氣室和參比氣室，經探測器接收后由信號處理系統對測量信號和參比信號進行分析，進而確定待測氣體體積分數[7-9]。如CO 在4.6 μm 附近中紅外波段吸收最強，但NDIR 技術采用寬譜測量容易受煙氣中H2O 分子吸收譜線干擾，因此該技術對預處理尤其是冷凝除水要求較高，而復雜的取樣過程容易造成氣體組分失真、管線腐蝕和堵塞等問題[10-11]。與CO相比，盡管煤粉鍋爐水冷壁H2S 高溫腐蝕問題嚴重，且經常出現“爆管”等安全事故，但目前尚未見煤粉鍋爐H2S 在線監測報道，其主要原因在于H2S 易吸附、腐蝕強、溶于水、含量低等特性使得在線監測其體積分數存在困難。目前H2S 檢測在天然氣行業較為普遍，常用的檢測方法包括氣相色譜、電化學傳感器等，其中氣相色譜基于不同氣體通過色譜柱的速度差異原理進行測量，該技術通用性強、成熟度高，可實現多組分、高精度檢測，但其預處理及測量系統極其復雜，對操作環境和操作技術要求較高且單次檢測時間較長，無法實時反映氣體體積分數快速動態變化，在關鍵生產工藝過程（工況惡劣、瞬態變化等）氣體檢測領域存在局限性[12-14]；而電化學傳感器通過與H2S 氣體反應產生的電信號實現氣體體積分數測量，其優點在于技術成熟、操作簡單、成本低，但容易受SO2等組分干擾、損耗大、壽命短[15-17]，一般只適用于實驗室或已知氣體組分條件下H2S 體積分數檢測。

考慮到NDIR 測量CO 體積分數的局限性以及目前尚無煤粉鍋爐H2S 在線監測技術等問題，本文擬采用可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）結合恒流稀釋預處理技術實現煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數同步在線測量。與NDIR 寬帶吸收光譜相比，TDLAS 是利用窄帶激光掃描氣體分子特征譜線，基于分子譜線對激光的吸收作用確定待測氣體體積分數，具有波長選擇性強、測量精度高、響應速度快等優點，目前已成為氣體在線監測技術的重要發展方向之一[18-20]。本文首先基于TDLAS 技術開展CO/H2S 體積分數在線測量實驗研究，同時基于原理實驗研制在線監測裝置并應用于大型火電機組煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原氣氛體積分數在線監測，研究預期可為煤粉鍋爐水冷壁高溫腐蝕預警和燃燒協同控制優化提供技術支撐，最終實現火電機組高效、環保、安全、智能化運行。

1 TDLAS 測量原理及驗證實驗

1.1 TDLAS 測量原理

TDLAS 測量原理如圖1 所示。

圖1 TDLAS 測量原理Fig.1 Measurement principle of TDLAS

當激光穿過待測氣體時被分子特征譜線吸收，透射光強和入射光強遵循Beer-Lambert 定律[21]，通過分析被氣體分子吸收前后激光光強的變化即可得到待測氣體溫度、體積分數等參數。

激光穿過氣體時強度變化可描述為：

式中：v為激光頻率；τ(v)為激光透射率；I0為入射光強；It為透射光強；p為氣體總壓；T為氣體溫度，K；S(T)為譜線線強度，僅與氣體溫度T有關；L為有效吸收光程，cm；φ為待測氣體體積分數；?(v)為吸收線型函數，cm；α(ν)為吸收截面。

1.2 驗證實驗方案

為驗證TDLAS 測量CO/H2S 的可靠性和準確度，本文開展了CO/H2S 動態工況下氣體體積分數測量實驗研究，實驗方案如圖2 所示。實驗前首先對激光器參數和赫里奧特（Herriott）多次反射池有效吸收光程進行標定，由信號發生器產生正弦信號輸入到激光控制器中，驅動激光波長在待測吸收譜線附近發生掃描。輸出激光通過光纖分束器分為2 束，一束通過F-P 干涉儀進行波長標定，一束入射到測量氣室中，透射光強經光電探測器接收并轉換為電信號后被示波器采集。然后基于標定的有效吸收光程和激光器參數，利用質量流量控制器精確配比不同體積分數的CO 和H2S 進行動態測量，最后采用本文作者提出的直接吸收-波長調制法（WM-DAS）對蘊含氣體吸收信息的透射光強進行FFT 分析并重構吸收截面[22-24]，在已知有效吸收光程條件下根據測得的吸收截面確定待測氣體體積分數。

圖2 基于TDLAS 的CO/H2S 測量方案Fig.2 Measurement scheme of CO/H2S based on TDLAS

為提高CO/H2S 體積分數的測量精度并降低其檢測限，實驗中采用Herriott 多次反射池作為測量氣室以增加有效吸收光程，進而實現氣體參數高精度測量。Herriott 多次反射池主要由2 片曲率半徑相同的凹面反射鏡組成，激光光束進入測量池后在2 片反射鏡之間多次反射后出射，蘊含氣體吸收信息的透射光強經光電探測器接收并轉化為電信號后由示波器采集，隨后經Labview 或MATLAB 軟件對采集數據進行處理，得到CO/H2S 分子特征譜線吸收截面，進而根據測得的吸收截面確定氣體體積分數（已知吸收光程）。

1.3 譜線選擇及實驗結果分析

實驗前首先通過Hitran 2016 數據庫選擇CO 和H2S 的特征吸收譜線，并對其進行吸收率仿真，結果如圖3 所示。由圖3a)可知，在101 kPa、4 290～4 310 cm-1范圍內，CO 在4 297.704 6 cm-1處有較強吸收且可避免H2O、CO2氣體吸收譜線的干擾，所以選擇4 297.704 6 cm-1作為后續研究中CO 的測量譜線?？紤]到常壓下H2S 測量在1 578 nm 波長處存在CO2干擾問題，所以實際測量中選擇在低壓（25 kPa）環境下進行。從圖3b)中可以明顯看出，在25 kPa、6 334～6 337 cm-1范圍內，H2S 與H2O、CO2的測量譜線相互干擾很小，因此選擇6 336.617 2 cm-1譜線測量H2S 可避免CO2的干擾。

圖3 吸收率仿真結果Fig.3 Simulation results of absorptivity

為驗證TDLAS 測量CO/H2S 的精度，在實驗室環境（296 K）并已知Herriott 池有效吸收光程（CO和H2S 有效吸收光程分別為2.4 m 和61.9 m）條件下，開展CO/H2S 體積分數動態測量實驗研究。首先調節CO 和H2S 測量池的壓力分別為101 kPa 和25 kPa，然后通過質量流量控制器精確配比CO 和H2S 體積分數（背景氣為氮氣）分別在0～2 000 μL/L和0～20 μL/L 范圍內動態變化，并控制氣體流量為1 L/min，在每個體積分數下穩定時間為3～5 min，實驗數據采用工控機實時采集并進行在線處理，其實驗結果如圖4 所示。

圖4 CO/H2S 體積分數動態測量結果Fig.4 Dynamic measurement results of CO/H2S volume fraction

由圖4 的測量結果可知，CO 和H2S 體積分數在0～2 000 μL/L 和0～20 μL/L 范圍內，測量值與配比值一致，其線性度達到0.99 以上，測量結果準確度高且穩定性好。但測量過程中改變氣體配氣體積分數時，測量值穩定需要較長的響應時間（1～2 min）。其主要原因在于：1）實驗中改變配氣體積分數需要一定的操作時間，氣體體積分數約45 s 才能穩定；2）Herroitt 測量池腔體中氣體完全更新需要1 min 左右。上述因素導致測量系統響應時間增加。而在現場實際應用中，首先無需配氣所占用時間，同時還可通過增加進氣流量、減小測量池體積等手段提高氣體更新速率，進而實現工業現場CO和H2S 體積分數快速高精度在線測量。

2 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數在線監測

2.1 CO/H2S 在線監測分析儀表

為將上述研究成果應用于煤粉鍋爐等工業現場氣體體積分數的在線監測，研究者對基于TDLAS測量原理的CO/H2S 在線測量系統進行了集成和優化，其分析儀表結構如圖5 所示。測量系統主要包括DFB 半導體激光器及其溫度/電流驅動模塊、光電探測模塊、Herriott 多次反射池、溫度和壓力傳感模塊、數據處理模塊等核心部件。其中數據處理采用作者提出的波長調制-直接吸收（WM-DAS）測量方法[22-24]。該方法采用TDLAS 中抗干擾能力強、響應速度快的固定點波長調制策略，利用蘊含分子吸收信息的透射光強FFT 頻譜重構分子吸收截面，并基于重構的吸收截面確定待測氣體體積分數等參數。該方法充分融合了TDLAS 中直接吸收和波長調制法的優點，具有免標定、抗干擾能力強、信噪比高、操作簡單等優點，適用于煤粉鍋爐等復雜工業現場氣體體積分數高精度在線測量。在實際現場測量中，煙氣經恒流稀釋高保真預處理后進入CO/H2S 在線監測裝置進行測量，其測量結果就地顯示在分析儀觸摸顯示屏上，并由控制單元將其轉換為RS485 信號上傳至DCS。

圖5 CO/H2S 在線監測分析儀表Fig.5 The CO/H2S on-line monitoring instrument

2.2 CO/H2S 在線監測系統方案

考慮到目前工業現場煙氣測量常采用的多級過濾伴熱抽取預處理方式存在樣氣失真、管線堵塞/腐蝕、測量延時及維護量大等問題，本文針對煤粉鍋爐水冷壁近壁面氣氛場高溫、高塵、高腐蝕等惡劣工況，提出一種基于恒流稀釋煙氣高保真預處理技術結合CO/H2S 在線監測系統，其系統方案如圖6 所示。研究根據鍋爐爐膛“主燃區”“還原區”及“燃盡區”等區域水冷壁高溫腐蝕情況，在燃燒器和高位燃盡風間的“還原區”以及高位燃盡風上方的“燃盡區”各安裝2 個測點，共計4 套恒流稀釋預處理探頭，同時各安裝CO 和H2S 體積分數在線分析儀1 臺。4 個測點采用輪測方式共用2 臺分析儀，單點測量時間3 min，單輪測量周期12 min。每個測點處的高溫、高濕煙氣經恒流稀釋（稀釋比60 倍）探頭預處理后，依次進入分析儀表以實現CO/H2S同步高精度在線測量。

圖6 煤粉鍋爐CO/H2S 在線監測系統方案Fig.6 Scheme of CO/H2S online monitoring system for pulverized coal boiler

在上述研究基礎上，依托某350 MW 四角切圓煤粉鍋爐開展工程應用示范研究，現場應用示范情況如圖7 所示。

圖7 350 MW 四角切圓煤粉鍋爐現場應用示范Fig.7 Field application demonstration of 350 MW tangentially fired boiler

由圖7 可見，鍋爐腐蝕區域主要位于“還原區”和“燃盡區”，在鍋爐檢修更換水冷壁期間將4 套恒流稀釋預處理探頭（稀釋比60）安裝在該區域。利用干燥潔凈空氣稀釋目標氣體，不僅可以降低煙氣露點（如-25 ℃），還能極大減小樣氣對取樣管線和儀器設備的腐蝕作用。稀釋后樣氣在正壓條件下經聚四氟管線輸送至測量系統，可避免H2S 吸附、管線密封漏氣等造成的測量不準確問題，從而實現煙氣高保真取樣，解決高溫高塵等惡劣工況下煙氣預處理難題，最終實現煤粉鍋爐水冷壁近壁面還原性氣氛CO/H2S 體積分數高精度在線測量。

2.3 CO/H2S 在線監測結果分析

在監測系統完成安裝和調試后，目前已在現場無故障連續運行10 個月，圖8 為該系統“還原區”3 號測點在此期間某24 h 測量曲線。其中綠色、紅色、黃色和橘色曲線分別代表H2S、CO、SO2和O2體積分數測量結果。測量SO2主要是為了研究煤質中硫元素在不同燃燒工況下的轉化形式；氧量為煙囪總排口電廠DCS 已有的測量數據。

根據圖8 測量結果可知，在該時段內，該測點還原性氣氛CO 體積分數高達2%～4%，此時煤質中部分硫元素在還原性氣氛下轉化為H2S，其體積分數高達300 μL/L。通過觀察近10 個月監測數據，在鍋爐部分燃燒工況下，H2S 體積分數與SO2相當，甚至接近1 000 μL/L，并且該數值會隨著煤質中含硫量增加而增加。與此同時，H2S 生成量與CO 體積分數呈明顯的正相關，其體積分數隨著CO 體積分數增大而增大，與此相反，H2S 體積分數與SO2體積分數呈明顯的負相關，但總硫保持守恒且僅與煤質中含硫量有關。另外，現場鍋爐檢修和機組運行結果表明，H2S 體積分數較高已導致該煤粉鍋爐“還原區”水冷壁高溫腐蝕嚴重，存在“爆管”風險，而且CO/飛灰含碳過量也導致單位發電煤耗增加，造成資源浪費。

圖8 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數24 h 連續監測數據Fig.8 24-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

圖9 為168 h CO/H2S 連續監測數據。由圖9 可見，其數據變化規律與圖8 相同，即H2S 體積分數與CO 體積分數呈正相關而與SO2體積分數反相關。其中CO 和H2S 體積分數主要在1%～5%和100～500 μL/L 范圍內波動，但與尾部煙氣氧量關系不明顯。其主要原因在于：鍋爐爐膛燃燒氣氛場分布不均勻，而尾部煙氣中氧量由于煙氣經過尾部煙道較長路徑混合已相對均勻，這也使得尾部煙氣氧量監測數據并不能真實反映鍋爐爐膛實際燃燒情況。因此，開展大型火電機組煤粉鍋爐爐膛分布式CO、H2S 以及O2體積分數在線監測對水冷壁高溫腐蝕預警、鍋爐燃燒調整具有重要意義。

圖9 某350 MW 煤粉鍋爐CO/H2S 體積分數168 h 連續監測數據Fig.9 168-hour continuous monitoring data of CO/H2S volume fraction of a 350 MW pulverized coal boiler

3 結論

本文基于TDLAS 氣體檢測和恒流稀釋預處理技術開展煤粉鍋爐爐膛CO 和H2S 體積分數高精度在線測量研究并進行工程應用示范。研究首先基于TDLAS 測量原理開展CO/H2S 體積分數動態測量實驗研究，驗證了該技術測量CO/H2S 體積分數的可靠性和精度；然后結合恒流稀釋煙氣高保真預處理技術和分布式多點輪測方式，將研制的CO/H2S在線監測分析儀表應用于工業現場，最終實現大型火電機組煤粉鍋爐水冷壁近壁面CO/H2S 體積分數同步在線監測。

研究結果表明：煤粉鍋爐爐膛H2S 體積分數與CO 體積分數完全正相關，而與SO2體積分數呈負相關且總硫守恒；另外，鍋爐爐膛局部區域還原性氣氛CO/H2S 體積分數與尾部煙氣中O2體積分數相關性較小，這也使得目前火電機組根據尾部煙氣O2體積分數進行燃燒調整的控制策略存在局限性。因此，深入研究大型火電機組煤粉鍋爐深度調峰、煤質波動等復雜工況下“主燃區”“還原區”及“燃盡區”多組分氣氛場的分布特點，對開發總碳（CO/CO2）、總硫（H2S/SO2）、總氮（NO/NO2）以及氧量（O2）分布式可視化在線監測、高溫腐蝕預警及燃燒協同控制系統具有重要意義。