隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的逐漸提高,眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠等,已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護(hù)環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的重要途徑。鋼鐵行業(yè)的軋鋼加熱爐、電力行業(yè)的鍋爐等燃燒裝置和熱工設(shè)備,是各行業(yè)的能源消耗大戶。因此,如何測(cè)量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定*燃燒點(diǎn),是十分令人關(guān)心的。
確定*燃燒效率點(diǎn)
供給加熱爐、鍋爐等加熱設(shè)備的燃料燃燒熱并不是全部被利用了。以軋鋼加熱爐或鍋爐為例,有效熱是為了使物料加熱或熔化(以及工藝過程的進(jìn)行)所必須傳入的熱量,爐子煙氣帶走的物理熱是熱損失中主要部分。當(dāng)鼓風(fēng)量過大時(shí)(即空燃比α偏大),雖然能使燃料充分燃燒,但煙氣中過??諝饬科?,表現(xiàn)為煙氣中O2含量高,過??諝鈳ё叩臒釗p失Q1值增大,導(dǎo)致熱效率η偏低。與此同時(shí),過量的氧氣會(huì)與燃料中的S、煙氣中的N2反應(yīng)生成SO2、NOX等有害物質(zhì)。而對(duì)于軋鋼加熱爐,煙氣中氧含量過高還會(huì)導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮增厚,增加氧化燒損。
當(dāng)鼓風(fēng)量偏低時(shí)(即空燃比α減小),表現(xiàn)為煙氣中O2含量低,CO含量高,雖說排煙熱損失小,但燃料沒有*燃燒,熱損失Q2增大,熱效率η也將降低。另外,煙囪也會(huì)冒黑煙而污染環(huán)境。
所謂提高燃燒效率,就是要適量的燃料與適量的空氣組成*比例進(jìn)行燃燒。熱效率與煙氣中的CO、O2、CO2含量以及排煙溫度、供熱負(fù)荷、霧化條件等因素有關(guān)。因此,可通過氧化鋯氧量分析儀測(cè)量并控制煙道氣體中CO、O2、CO2的含量來調(diào)節(jié)空氣消耗系數(shù)λ,來達(dá)到zui高燃燒效率。
燃燒效率控制由來已久,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含量來控制空氣消耗系數(shù)λ以達(dá)到*,但CO2含量受燃料品種影響較大。70年代后,逐漸采用煙氣中O2含量或O2含量和CO含量相結(jié)合的方法來控制燃燒效率。
提高燃燒效率zui直接的方法就是使用煙氣分析儀器(如煙氣分析儀、燃燒效率測(cè)定儀、氧化鋯氧含量檢測(cè)儀)連續(xù)監(jiān)測(cè)煙道氣體成分,分析煙氣中O2含量和CO含量,調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量,確定*的空氣消耗系數(shù)。
測(cè)量煙氣中含氧量的儀表稱為氧分析儀(氧量計(jì))。常用的氧分析儀主要有熱磁式和氧化鋯氧量分析儀兩種。
熱磁式氧分析儀
其原理是利用煙氣組分中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測(cè)定煙氣中含氧量。氧氣為順磁性氣體(氣體能被磁場(chǎng)所吸引的稱為順磁性氣體),在不均勻磁場(chǎng)中受到吸引而流向磁場(chǎng)較強(qiáng)處。在該處設(shè)有加熱絲,使此處氧的溫度升高而磁化率下降,因而磁場(chǎng)吸引力減小,受后面磁化率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場(chǎng),由此造成"熱磁對(duì)流"或"磁風(fēng)"現(xiàn)象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下,通過測(cè)量磁風(fēng)大小就可測(cè)得氣樣中氧氣含量。由于熱敏元件(鉑絲)既作為不平衡電橋的兩個(gè)橋臂電阻,又作為加熱電阻絲,在磁風(fēng)的作用下出現(xiàn)溫度梯度,即進(jìn)氣側(cè)橋臂的溫度低于出氣側(cè)橋臂的溫度。不平衡電橋?qū)㈦S著氣樣中氧氣含量的不同,輸出相應(yīng)的電壓值。
熱磁式氧分析儀雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造和調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),但由于其反應(yīng)速度慢、測(cè)量誤差大、容易發(fā)生測(cè)量環(huán)室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn),已逐漸被氧化鋯氧分析儀所取代。
氧化鋯傳感器式氧分析儀
氧化鋯(ZrO2)是一種陶瓷,一種具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體。在常溫下為單斜晶體,當(dāng)溫度升高到1150℃時(shí),晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w,同時(shí)約有7%的體積收縮;當(dāng)溫度降低時(shí),又變?yōu)閱涡本w。若反復(fù)加熱與冷卻,ZrO2就會(huì)破裂。因此,純凈的ZrO2不能用作測(cè)量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化鈣(CaO)或氧化釔(Y2O3)作穩(wěn)定劑,再經(jīng)過高溫焙燒,則變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料,這時(shí),四價(jià)的鋯被二價(jià)的鈣或三價(jià)的釔置換,同時(shí)產(chǎn)生氧離子空穴,所以ZrO2屬于陰離子固體電解質(zhì)。ZrO2主要通過空穴的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電,當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí),ZrO2就變?yōu)榱己玫难蹼x子導(dǎo)體。
在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結(jié)一個(gè)鉑電極,當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時(shí),氧分壓高的一側(cè)的氧以離子形式向氧分壓低的一側(cè)遷移,結(jié)果使氧分壓高的一側(cè)鉑電極失去電子顯正電,而氧分壓低的一側(cè)鉑電極得到電子顯負(fù)電,因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)。此電勢(shì)在溫度一定時(shí)只與兩側(cè)氣體中氧氣含量的差(氧濃差)有關(guān)。若一側(cè)氧氣含量已知(如空氣中氧氣含量為常數(shù)),則另一側(cè)氧氣含量(如煙氣中氧氣含量)就可用氧濃差電勢(shì)表示,測(cè)出氧濃差電勢(shì),便可知道煙氣中氧氣含量。
氧化鋯氧分析儀具有結(jié)構(gòu)和采樣預(yù)處理系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、靈敏度和分辨率高、測(cè)量范圍寬、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。