by / sumaart
1 前言
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(hù)。因此，如何測(cè)量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定最佳燃燒點(diǎn)，是十分令人關(guān)心的。
2 確定最佳燃燒效率點(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(guò)程的進(jìn)行）所必須傳入的熱量。根據(jù)爐子熱平衡可知，
式中，Q——供給爐子的熱量；
Q1——爐子煙氣（廢氣）中過(guò)?？諝鈳ё叩奈锢頍幔?/span>
Q2——爐子煙氣（廢氣）中燃料不完全燃燒而生成的或未燃燒的CO氣帶走的物理熱；
Q3——爐子設(shè)備熱損失（包括爐體散熱、逸氣損失、冷卻水帶走、熱輻射等）；
Q4——其他熱損失。
由上式可以看出，爐子煙氣帶走的物理熱是熱損失中主要部分。圖1顯示了熱效率和各項(xiàng)熱損失隨著空燃比α的增減的變化規(guī)律。
當(dāng)鼓風(fēng)量過(guò)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(guò)?？諝饬科螅憩F(xiàn)為煙氣中O2含量高，過(guò)?？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(guò)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(guò)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(shuō)排煙熱損失小，但燃料沒(méi)有完全燃燒，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。
圖1 熱效率與空燃比的關(guān)系
所謂提高燃燒效率，就是要適量的燃料與適量的空氣組成最佳比例進(jìn)行燃燒。實(shí)驗(yàn)研究表明，圖2為煙氣中氧含量和CO含量與爐子能耗的關(guān)系。
圖2 煙氣中O2和CO含量與爐子能耗的關(guān)系
圖2中，“過(guò)量空氣能耗”陰影面積表示富余的空氣形成的能耗（或熱損失），表征為煙氣中O2含量?！斑^(guò)量燃料能耗”陰影面積表示有未完全燃燒的燃料所引起的能耗，表征為煙氣中CO含量?？梢钥闯觯粢档瓦@兩部分能耗（同時(shí)亦可提高產(chǎn)品質(zhì)量），必須降低煙氣中O2含量和CO含量，但煙氣中O2含量和CO含量是互相制約的兩個(gè)因素。若將上述兩個(gè)陰影區(qū)疊加成另外一條曲線，即總效率熱損失曲線，其最小值即為最佳的燃燒控制點(diǎn)，此處熱損失最小、熱效率最高，即煙氣中O2含量約為1%。
由上文可知，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(guò)測(cè)量并控制煙道氣體中CO、O2、CO2的含量來(lái)調(diào)節(jié)空氣消耗系數(shù)λ，來(lái)達(dá)到最高燃燒效率。
燃燒效率控制由來(lái)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(lái)控制空氣消耗系數(shù)λ以達(dá)到最佳，但CO2含量受燃料品種影響較大。1970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(lái)控制燃燒效率。
提高燃燒效率最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，確定最佳的空氣消耗系數(shù)。
3 正確使用煙氣分析儀
無(wú)論采取何種方式控制燃燒效率，快速、準(zhǔn)確的測(cè)量煙氣中O2含量和CO含量都是實(shí)現(xiàn)最佳燃燒的前提條件。因此，這里介紹一些典型的煙氣分析儀器的工作原理及其使用方法。
3.1 煙氣分析儀（或燃燒效率測(cè)定儀）
煙氣分析儀是抽氣采樣爐窯煙道氣體并自動(dòng)進(jìn)行成分分析的儀表，分為在線監(jiān)測(cè)式和便攜式。一般可以測(cè)量分析煙氣中的CO、O2、NOX、SO2等氣體含量，以及煙氣溫度、壓力等，并通過(guò)計(jì)算獲得CO2含量、過(guò)剩空氣系數(shù)、煙氣露點(diǎn)、燃燒效率、排煙熱損失、煙氣流量等熱工參數(shù)。
煙氣分析儀中一般安裝多個(gè)傳感器，分為電化學(xué)傳感器和紅外傳感器。電化學(xué)傳感器測(cè)量原理是將待測(cè)氣體經(jīng)過(guò)除塵、去濕后進(jìn)入傳感器室，經(jīng)由滲透膜進(jìn)入電解槽，使在電解液中被擴(kuò)散吸收的氣體在規(guī)定的氧化電位下進(jìn)行電位電解，根據(jù)耗用的電解電流求出其氣體的濃度。
紅外傳感器主要由紅外光源、紅外吸收池、紅外接收器、氣體管路、溫度傳感器等組成。它是利用各種元素對(duì)某個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收原理，當(dāng)被測(cè)氣體進(jìn)入紅外吸收池后會(huì)對(duì)紅外光有不同程度的吸收，從而計(jì)算出氣體含量。紅外傳感器具有抗中毒性好、量程范圍廣、反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。
煙氣分析儀利用測(cè)量得到的O2、CO含量等數(shù)據(jù)可計(jì)算得到相應(yīng)的熱工參數(shù)。其計(jì)算公式如下：
式中：O2、CO2——干煙氣中O2、CO2的體積百分濃度，%
CO2max——燃料完全燃燒生成的CO2最大值
Tgas、Tair——燃?xì)鉁囟取h(huán)境溫度，℃
A1——燃燒效率系數(shù) B——按Siegert公式計(jì)算出的校正系數(shù)
Vdrymin——干煙氣體積 Cpm——燃?xì)獗葻?/span>
Hu——燃?xì)鈨魺嶂?/span> VH2O——水蒸氣體積 CpmH2O——水蒸氣比熱
3.2 氧氣分析儀
測(cè)量煙氣中含氧量的儀表稱(chēng)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式兩種。
（1）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(lái)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(chēng)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(guò)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。
（2）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(guò)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(guò)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)。
3.3 產(chǎn)品及應(yīng)用
煙氣分析儀器應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如：
（1）熱電廠循環(huán)流化床鍋爐用于燃燒控制室的煙道氣體監(jiān)測(cè)；
（2）鋼鐵廠軋鋼加熱爐用于解決降低氧化燒損或脫碳層厚度時(shí)的爐氣氣氛檢測(cè)；
（3）全氫熱處理爐用于檢測(cè)輻射管是否燒穿漏氣
（4）研制新型燃燒器（蓄熱式、低NOX式、輻射管式）時(shí)用于燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)研究；
（5）汽車(chē)尾氣排放檢測(cè)；
（6）其他環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。
4 結(jié)束語(yǔ)
煙氣分析儀已經(jīng)成為控制爐窯燃燒和運(yùn)行不可缺少的重要設(shè)備，正確使用它并通過(guò)它合理調(diào)節(jié)爐窯熱工操作參數(shù)，將收到以下效果：
（1）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(guò)量空氣帶走的熱量損失，達(dá)到節(jié)能的目的。或減少過(guò)量燃燒供給量，直接實(shí)現(xiàn)節(jié)約燃料。
（2）減少環(huán)境污染。減少NOX、SO2等污染物的排放。
（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量?？刂茻煔鈿堁趿靠蓽p少鋼坯氧化燒損，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
（4）延長(zhǎng)爐窯使用壽命。
我國(guó)有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)中小型工業(yè)鍋爐和加熱爐，我國(guó)的發(fā)電煤耗和噸鋼能耗都與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距，若能采用煙氣分析儀器等自動(dòng)控制手段，對(duì)有關(guān)燃燒參數(shù)進(jìn)行在線、及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)或自動(dòng)控制，使燃燒效率達(dá)到最高（或者較高），將給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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