CO在线监测装置在锅炉烟气参数检测中的应用

梁聚齐，王传生，章家岩，冯旭刚

（1.安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243032；2.马鞍山市质量技术监督局，安徽 马鞍山 243099）

0 引言

目前我国发电以火力发电为主，火电厂耗煤占全国煤炭消耗量的50%以上［1-2］，火电企业的SO2和CO2排放量会对空气质量产生很大影响。因此，在当前国家积极倡导低碳经济发展的背景下，火电企业进行节能减排成为必然趋势。

火电企业中使用较多的锅炉主要是燃煤锅炉和燃气锅炉。在燃煤锅炉中，通过检测烟道中的飞灰含碳量，可有效判别锅炉的燃烧效率，并为锅炉的燃烧优化提供指导。在燃气锅炉中，由于其燃烧能源的特殊性，相对基于氧量控制的燃烧运行优化，基于烟气中CO控制的燃烧优化被证明是一种更加有效的优化方式［3-4］，因而燃气锅炉的燃烧效率可通过检测烟道尾气中的CO含量来判别。在钢铁冶炼等企业的自备电厂中，通常采用冶炼钢铁过程中产生的高炉煤气、焦炉煤气以及转炉煤气的混合气体作为锅炉燃烧的主要能源，因而锅炉烟道尾气中CO含量检测结果可以为锅炉的燃烧优化提供很好的指导。良好的燃烧效率不仅可以提高企业的经济效益，还可以节能减排［5］。

笔者首先对几种常用的CO检测方法进行介绍。通过对比性分析，确定用于发电锅炉烟道尾气中CO在线实时检测的方法。然后分析用于发电锅炉烟道尾气参数检测的在线式CO监测装置的原理、结构组成和应用效果。最后对在线式CO监测装置的发展进行展望。

1 CO气体的检测方法

CO气体的检测方法主要有电化学法、电气法、色谱法、红外线吸收法等。目前，在CO气体在线监测过程中通常使用的是电化学法和红外线吸收法［6］。

1.1 电化学法

电化学法指的是利用CO的平衡化学电池反应，通过监测电池的电极电压变化来表明CO含量［7］。该检测CO含量方法的主要原理为定电位电解法，三端电化学式传感器为其核心部件，其结构如图1所示。在酸性电解液中设置了测量、参考及对应这3个电极。在两个反应的电极之间加上合适的电压，一旦CO气体透过半透膜而进入传感器，两个反应电极就会立即发生相对应的氧化-还原反应［8］：

阳极：CO+H2O→CO2+2H++2e-，

阴极：1/2O2+2H++2e-→H2O 。

图1 CO电化学传感器原理图Fig.1 Principle diagram of CO electrochemical sensor

综上所述，一旦CO气体进入到电化学传感器内部，其内部就会立即发生氧化-还原的可逆反应。该反应的化学反应式如下所示：

在CO气体经扩散进入传感器之后，这个可逆反应就始终发生着，并在工作电极和对电极之间产生电位差。当CO气体浓度发生变化时，传感器相应的输出电位差也成比例发生变化［9］。

在三电极电化学气体传感器中，参考电极的加入主要是为了维持极间电位的恒定，因此该化学传感器输出端的变化反映了参考电极和工作电极两个电极之间电位所发生的变化。参比电极由于不参与上述化学反应，故其能使电极间的电位维持恒定，此时CO含量的变化就可以通过此电位的变化直接显示出来。

1.2 红外线吸收法

不同物质分子的振动频率一般是不同的，只有在红外光谱的频率与分子本身的特定频率一致的前提下，该种分子才能吸收红外光谱辐射能［10］。所以通常情况下，不同的分子所能吸收的红外线辐射能的波长范围也是不同的。

图2为一个红外线CO检测装置示意图，将红外线发射器和接收器分别安装在测量室的两侧。红外线发射器产生一个包含波长为4.65 μm的红外线光辐射源［6］。当经过过滤处理的样气进入测量室后，若样气中含有CO气体，则发射器产生的辐射能中波长为4.65 μm的光能量就会因为被CO气体吸收而有所减少，该波长光能量的损耗值与CO的浓度呈正比关系。在红外辐射能穿过测量室之后，红外线接收器接收检测到剩余能量，将接收器检测到的能量值与红外线发射器产生的原始发射能量值相比较，就可以得出在测量室中损失的能量值，经进一步计算可得出被测CO气体的浓度值。

图2 红外线CO气体检测示意图Fig.2 Schematic diagram of infrared CO gas detection

1.3 电化学法与红外线吸收法对比

电化学法与红外线吸收法的具体对比情况见表1。

表1 电化学法与红外线吸收法对比Tab.1 Comparisons of electrochemical method with infrared method

将两种检测方法进行对比分析可知，红外线法具有非接触测量等优点，但仪器响应速度相对较慢、结构复杂、造价高昂、抗干扰性差、维护难度大。电化学法应用普遍，综合指标较好，其优点是响应速度快、结构简单、价格适中、可维护性好。发电锅炉烟道尾气参数检测中所使用的CO在线监测装置多使用电化学方法。

2 CO在线监测装置

在国家积极推行节能减排政策的环境下，CO在线监测装置在大型发电厂或工业锅炉烟道尾气参数检测中的应用将会有巨大的市场前景。目前，进口产品以德国西门子以及德国西克麦哈克的烟气连续监测系统为主，国内相关的同类产品主要是以厦门格瑞斯特（ABB）和北京华圣金程（WALSN）为代表。

本文所述的是基于电化学法的CO在线监测装置。它具有价格适中、可维护性好等优点，主要用于锅炉烟气中CO含量的监测，进而根据监测结果对锅炉的燃烧状况进行优化，这样不仅可以使得燃料得以充分利用，为工矿企业节约能源，还减少污染气体的排放，保护环境。

2.1 监测装置运行机制

安装于采样探头内部的过滤器可以有效地将需要被分析的气体中的小颗粒物去除，随后经过一次过滤处理的气体经过采样管被输送到主机柜内。

气体在主机柜内经过二次过滤和冷凝脱水后变为干气，再通过精滤送入CO传感器，此传感器对送入其内气体的CO含量进行测量并将该浓度转换成标准电流信号（4～20 mA）予以输出。

2.2 监测装置组成

CO监测装置包括取样探头，测量控制主机单元，过滤、吹扫处理单元，其组成架构如图3所示。其中，取样探头主要用于从锅炉烟道中抽取样气，并进行初步过滤；测控单元主要用于控制系统运行以及检测、显示CO含量；过滤、吹扫处理单元主要用于烟气过滤、热反吹等。

图3 CO在线监测装置组成架构Fig.3 Structure of CO online monitoring device

2.2.1 取样探头 采样探头采用耐高温、耐磨损材质制成标准型，不仅能够经受锅炉烟道的苛刻环境，而且还可以有效防止烟道粉尘堵塞采样管。取样探头外面套有高温耐磨防护管，能有效延长取样探头的使用寿命。

2.2.2 测控单元 测控单元安装于一个立柜式的金属机箱的内部。为保证检测结果的实时性和精确性，检测单元采用双传感器，一用一备。在系统正常运行阶段，当其中处于工作状态的传感器出现影响检测结果的相关故障时，相关的故障报警信号被触发，同时另一个处于备用状态的传感器开始运行直至故障消除［7］。检测CO浓度值所用的传感器采用可适应工业现场苛刻环境的进口电化学传感器，该传感器在经过多级过滤处理气体中CO浓度时，会将此浓度值自动转换为标准的电流信号（4～20 mA）予以输出。

在正常运行阶段，控制单元控制采样泵，并将样气抽入到仪器内部。在反吹扫阶段，控制中心控制相关元器件进行系统的反吹扫。如果遇到异常状态，控制中心会产生故障报警信号提示工作人员进行检查维护。

2.2.3 过滤、吹扫处理单元 过滤、吹扫处理单元组成包括烟尘过滤组件、热反吹加热组件以及取样、反吹切换系统等。采用热反吹加热元件，有效防止探头堵塞。采样泵通过采样管和采样探头以预设的抽取速度从烟道中抽取样气，样气首先经过采样探头外面的金属滤网去除大颗粒物质，然后由冷凝器降温，除去其中的水汽，之后经过多级过滤器滤除其中的其他气体成分，最后送入检测单元分析CO含量。在多级过滤期间，样气在经过冷凝器时冷凝产生的水由蠕动泵排出。在系统分析过样气中的CO含量之后，剩余废气经由特定的排气口排出。

为了防止采样气体中的小颗粒物对系统采样探头造成堵塞，进而影响系统正常工作，需要定期采用压缩空气对采样探头进行反吹扫［11］。

2.3 监测装置应用情况

CO在线监测装置在安徽某电厂锅炉中投入运行半年以来使用情况良好，能准确检测出烟气中CO含量，为现场人员对锅炉燃烧状况进行优化提供了可靠保证。

图4是锅炉运行过程中DCS中的CO、O2、含碳量以及锅炉负荷趋势图，其中最上面的曲线是负荷曲线，其下面的曲线依次分别是CO含量曲线、O2含量曲线、含碳量A数据曲线和含碳量B数据曲线。从图4中可以看出，随着锅炉负荷的不断变化，烟气含量中CO数值不断发生变化，并且负荷变化与CO含量变化两者之间的滞后性极小。CO和O2的值由于负荷变化而存在振荡，但总体来说该CO监测装置对锅炉燃烧调整作用效果良好。

图4 CO含量曲线图Fig.4 CO content curve

3 展望

1）取样管长度。由于现场环境限制，通常要求采样管长度在30～50 m。而过长的采样管使得采集到的样本以及检测到的数据具有较大的滞后性。对锅炉燃烧状况的优化所依照的参数数据总是之前时刻的，这将导致对锅炉燃烧状况的优化始终存在慢一步的情况，对于锅炉燃烧的优化无法提供较好的帮助。因此，在满足工业现场需求的情况下，尽量减小由于采样管长度过长导致的样气及其中的检测参数的滞后性是未来研究的一个重要方向。

2）取样点位置。目前，大多数火电企业在对烟道尾气关键热工参数进行监测时，通常把除尘器出口作为一个较为理想的监测参数取样点。主要是因为该处烟气温度较低、流速平稳、对设备的环境适应性要求低、对设备进行维护比较方便。但是由于该采样点相距锅炉炉膛较远，检测产生的CO浓度值具有一定的滞后性，无法反映锅炉目前的燃烧状态，故此浓度值对于锅炉燃烧优化的指导作用不强。因此，在综合考虑监测结果的实时性、准确性以及现有检测器件发展水平等情况下，如何选择最优的、可以为锅炉燃烧优化提供合理指导数据的CO在线检测装置的安装位置，可以作为下一步研究的重点。

4 结语

在国家积极倡导节能减排的大背景下，实现烟道尾气中CO含量的实时监测，为锅炉的燃烧优化提供指导是非常有必要的。本文介绍了两种主要的CO在线检测技术，根据工业现场苛刻的使用环境选择电化学法进行现场应用。虽然基于电化学法的CO在线监测系统具有良好的稳定性，可以在苛刻的环境下进行关键燃烧参数的检测，但是在取样管长度、取样点位置的选取这两方面仍需作进一步研究。

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