氧化锆氧分析仪在焦炉和锅炉系统中的应用

摘要：通过利用氧化锆氧量分析仪对焦炉、锅炉系统烟道含氧量进行监测和分析的方法，及时合理地控制焦炉、锅炉在生产中的空/燃比例，使之达到节能减排，实现标准化管理。

关键词：氧含量 氧化锆 空/燃比

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）09-0087-01

1 概述

焦化厂炼焦车间焦炉、净化车间锅炉在燃烧过程中，由于燃烧成分、送料速率以及一些工艺条件的随时变化，直接反应在烟气中氧的含量。空气量过多或过少都会造成燃料、设备、材料损耗增加，同时造成环境污染。

针对上述问题，为了随时掌握燃烧情况，使空/燃比调控在最佳以达到节能和减少有害气体排放的效果，必须对焦炉、锅炉系统烟道进行准确的氧含量分析。目前，我们一般采取烟气抽样化验化学分析的方法，但准确率低、时间长、效果不好。

因此，利用对焦炉、锅炉系统烟道含氧量进行监测和分析的方法，及时合理地控制焦炉、锅炉在生产中的空/燃比例，使之达到节能减排，对提高经济效益、实现标准化管理起到非常重要的作用。

2 氧化锆氧分析仪的基本原理

氧化锆氧量分析仪主要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度，同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。在传感器内温度恒定的电化学电池即氧浓差电池，产生一个毫伏电势，这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。

氧传感器的关键部件是氧化锆，在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池，它位于传感器的顶端。为了使电池保持额定的工作温度，在传感器中设置了加热器。用氧控制器内的温度控制器控制氧化锆温度恒定。

在额定的温度下，电池输出电势用下面的公式计算：

mV=（RT/4F）ln（P0/P）

式中P1─在电池内侧参比气体（如空气）的氧分压；P2─在电池外侧被测气体（如烟气）的氧分压；R—气体常数；F—法拉第常数；T—绝对温度=（273+t℃）；C—电池常数。

参比气体应为干燥清洁无油的空气（含氧20.60%）。在参比气侧与被测气体侧氧浓度不同时，氧离子从高的一侧迁移到低的一侧。电池输出就以对数的规律反应出被测气体中的氧浓度值。

2.1 氧传感器

传感器装置由金属外壳、测量电池、加热器、热电偶、过滤元件以及电缆接线端子等组成。测量电池本体分为3层：铂电极-氧化锆（电解质）-铂电极，如图。烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为参比空气（含氧20.60%）。

氧化锆管在600-1200℃高温下，在氧化锆管两侧氧浓度不等的情况下，浓度大的一侧的氧分子在该侧氧化锆管表面电极上结合两个电子形成氧离子，然后通过氧化锆材料晶格中的氧离子空穴向氧浓度低的一侧游动，当到达低浓度一侧时在该侧电极上释放两个电子形成氧分子放出，于是在电极上造成电荷积累，两电极之间产生电势，此电势阻碍这种迁移的进一步进行，直到达到动平衡状态，就形成氧浓差电池。

两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，便产生一个以对数为规律的电势（两侧的氧浓度差愈大，电势信号愈大）。毫伏信号经氧分析仪转换成0-10mA或4-20mA标准电流。此电流由氧分析仪接线端子输出。

测量电池的工作温度设置为高于650℃的恒定温度，为了保持工作温度恒定，用一支K型热电偶测量电池的工作温度，经氧分析仪内的温度控制器调节加热器的加热电压。当测量烟气温度高于700℃时，传感器组成中省去加热器和测温热电偶。

2.2 氧分析仪

为了使测量电池的工作温度达到700℃，氧分析仪接受传感器中的K型热电偶输出的温度mV信号，与微处理器预置温度（毫伏）相比较，从而控制电池温度。氧分析仪采用环境温度作为热电偶冷端比较点，对氧传感器输入的氧mV信号进行放大，然后将放大的电压信号经过A/D转换器转换为数字信号。根据氧分析仪预先校准或者预置的氧传感器测量电池的特性曲线，微处理器将数字信号转变为相应的氧浓度值并显示在氧分析仪显示屏上，同时，将数字信号转变为线性标准模拟电流信号0-10mA或4-20mA输出。

3 实施方案

3.1 设备选型

（1）焦炉烟道的温度通常在400℃左右，烟气排放环境平稳，焦炉系统采用国内生产的YB-88含氧分析仪产品，使用寿命和分析精度比较可靠，其耐温高、合金抗腐蚀性能强。（2）由于锅炉生产中烟道排放烟尘和硫化物的烟气较多，环境恶劣，锅炉系统选用日本产横河产品。

3.2 合理选点

焦炉系统的氧分析仪安装在分烟道总控点上，位置固定不能变动；锅炉系统氧分析仪，选在烟尘少、烟气流量平均的地方，这样不但测量准确，而且设备寿命长、维护量小。

3.3 严格配型

一是温度配型：依据烟道实际温度选定检测器，避免数据出现偏差。二是长度选型：焦炉系统要求长度为100cm，锅炉系统要求长度为80cm，使检测器插头位于烟道中央、气流平均、信号准确。三是信号数据转换必须能与计算机相连接，这样在中控室能实时观测焦炉系统现场燃烧状况。

4 自动调节的实现

含氧量的检测信号可以进到DCS系统，通过控制系统的组态，含氧量作为一个调节参数，参与到煤气使用的调节中，使工艺控制过程中燃烧更充分，提高了煤气的使用效率，减少废气的排放。控制原理见（图2）。

5 运行效果

应用后，炼焦系统耗热量降低平均值为11KJ/Kg；锅炉运行调节时可控制燃料燃烧的过剩空气系数，在保证燃烧充分的条件下，提高锅炉热效率，可提高约1%的热效率。

6 结语

氧化锆氧分析仪在焦炉、锅炉系统应用后，有效减少了燃料、设备、材料的损耗，减少有害气体排放，具有一定的环保意义。同时可以稳定炉温，提高焦炭质量，并可以提高高炉冶炼水平。

参考文献

[1]郭光真，陈庆灵.一种氧化锆氧分析仪数据采集与处理系统[J].分析仪器，1999年03期.