HM-OSD直插式燃烧效率在线分析探头论文.pdf

HM OSDHM OSDHM OSDHM OSD 直插式燃烧效率在线分析探头 武汉华敏测控技术有限公司 刘翼翔 摘要 本文介绍了一种新型的燃烧效率在线分析探头的特点和结构以及在新的燃烧效率控制探头与常 规氧化锆氧传感器的区别 关键词 氧一氧化碳 可燃气氛 燃烧效率过剩空气系数氧化锆在线分析探头在线 双组分 前言 当前 国家对环保减排要求越来越高 监管也越来越严格 提高燃煤 燃油 锅炉燃烧效率 以 降低污染物的排放和减少能源的消耗 就具有很现实的社会和经济意义 目前 通过测量烟气中的残余氧含量来检测和计算 空燃比 以调节和改变风量 来控制锅炉的 最佳燃烧状态 是一种比较普遍的方法 氧化锆传感器可以直接插入高温烟道中 连续在线分析烟气中 的氧含量 且相对低廉的价格 维护使用简单方便的特性 因此使用氧化锆氧传感器来检测烟气的含 氧量在实际应用中被大量采用 是目前空燃比燃烧控制监测的主要产品 理论上讲 只要保持烟气中氧含量稳定 就可使燃料在稳定的过量空气系数 条件下燃烧 通过调控送风量 即可保持和控制达到最佳燃烧控制 但实际状况并没有如此简单 充足的氧可以使得燃料充分燃烧 烟气中氧含量会较高 但并不是越多越好 过大的过剩空气系数 即 鼓风量过大 会导致的热损失过大 而导致热效率的降低 显然不是一种最佳的选择 因为空气中有 79 的氮气 这些氮气不参加燃烧 但在燃烧过程中被加热 吸取了能量然后从烟道 中被排到大气中去 这些能量的损耗是不可避免的 但可以通过有效的检测和控制手段将这种损耗将低 到可接受程度 为了降低热的损失 通常需要采用较低的过剩空气系数 适当减小鼓风量 使得残余氧含量尽可能 降低 以使得燃烧残余氧含量较少 但同时可能会导致燃料燃烧不充分 其结果是烟气中可检出氧含 量较低 但由于燃烧不充分产生的一氧化碳含量也会增加 即使鼓风量足够恰当 由于空气和燃料混合不好等原因 也会导致一定程度的不充分燃烧 导致 烟气中将会含有一氧化碳 氢 甲烷等易燃气体 因为氢 甲烷等含量极少 可以忽略不计 可见在大多数情况下 锅炉排放的烟气中会含有一氧化碳等气体 而一氧化碳的含量也一定程度的 反应了实际的燃烧状况 烟气中一氧化碳对氧化锆传感器的影响 氧化锆传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在 600600 以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计 的 在一定的温度条件下 如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压 即氧浓度 时 二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应 和氧离子的迁移 这时通过二氧化锆两侧的引出电极 可 测到稳定的毫伏级信号 我们称之为氧电势 它服从能斯特 Nernst 方程 2 2090 ln02150 O k P T E 式中 E 为氧传感器输出的氧电势 mv Tk 为炉内的绝对温度 K P1 和 P2 分别为二氧化锆两侧气体的 氧分压 氧传感器输出的信号就是氧电势信号 通过能斯特方程我们就可以得到被测炉气氛中的氧分压 和氧电势的关系 由于氧化锆的特殊的工作原理 氧化锆氧传感器的敏感原件在工作时 需要被加热到 600 以上 的温度 因此当烟气中含有其他可燃气体成分 主要是一氧化碳 时 烟气中的氧和一氧化碳会在高 温的氧传感器中发生燃烧而使其测量结果偏低 而导致错误的指示 反应过程为 O 2 2CO 2CO2 可见单纯测量氧含量 在很多情况下并不能如实的反应实际的燃烧状况 在某些情况下甚至会产 生误导 武汉华敏 HM OSD 直插式燃烧效率在线分析探头应用原理 单纯的讨论烟气中的残余氧含量的多或少 并不能全面有效的提高燃烧效率 为了保证用适量的 燃料和适量的空气组成最佳比例进行燃烧 能在保证燃料充分燃耗的前提下最大程度地减少空气的输入 量 则这种形式的损耗将减至最低 但空气量的减少是必须在保证燃料充分燃烧的前提下 否则由于燃 料未充分燃烧的能量损失也是十分可观的 可见如何才能找到最佳燃烧点是燃烧效率最高的关键 图 1 是燃烧效率和烟气中 O2 和 CO 含量之间 的关系示意图 图中 过量空气能耗 阴影面积 代表过量空气形成的能耗 并随着烟气 O2 含量的提 燃烧效率和烟气成分的关系 空气 燃 料 CO O2 燃烧效率 过量空气能耗 过量燃料 能耗 热损失 最佳空燃比 高而增加 过量燃料能耗 阴影面积 代表过量燃料形成的能耗 并随着烟气 CO 含量的提高而增加 要同时降低这两种能耗才可以达到最佳的燃烧 但这两种因素是互相制约的 过量空气量降得过低 虽 然空气带走的热量降低了 但有可能造成燃料燃烧不充分 能耗反而增加 而且还会造成冒黑烟等排放 问题 而如果仅为了燃料的充分燃烧 而加大过量空气 这又会使得过量空气带走的热量大幅上升 能 耗也会增加 而且会增加 NOX 的排放 因此如何将空气和燃料的比例 空燃比 配置在合适的水平 是 提高燃烧效率的关键 从图 4 可以看出 两种能耗变化可以从燃烧烟气中的 O2 和 CO 的含量中反映出来 通过叠加 可以得到一个热损失的曲线 这个曲线的最低点就是燃烧效率最佳点 对应的 O2 和 CO 的含 量 就是燃烧效率最高时 烟气中这两种气体的最佳含量 在实际应用中 通过连续监测燃烧烟气的 O2 和 CO 含量 不断调整空燃比 使得 O2 和 CO 始终维持在最佳值 就可以使得燃烧效率最高 最大限度 地降低能耗和排放 由此可见 能实时 在线 同步的检测烟气中氧和一氧化碳的含量 是能否正确控制燃烧效率 的关键 HM OSD 燃烧效率控制探头的产品结构 为了能实时 在线 连续和同步的检测烟气中气氛含量的变化 将气氛传感器插入到烟道内 直 接和烟气接触而不需采样气管的采样和传输 无疑是一种最佳的选择 但由于直插式探头的工作环境 恶劣 且对传感器检测精度 工作稳定性和工作寿命都要求较高 必须采用了新的传感器技术 以克服 烟道中 粉尘 高温等恶劣环境对探头传感器原件的影响 新型 HM OSD 直插式燃烧效率在线分析探 头中我们采用了可用于恶劣环境的半导体陶瓷气体传感器传感器技术和双探头结构 半导体陶瓷气体敏感技术 半导体陶瓷气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应引起元件阻值变化的原理而制 成的 当气体吸附到 n 型半导体上 还原性气体吸附到 p 型半导体上时 半导体的载流子减少 电阻值 增大 当还原性气体吸附到 n 型半导体 气体吸附到 p 型半导体时 半导体的载流子增多 电阻值下降 若气体浓度发生变化 其阻值也将发生变化 根据这一规律 我们可以从阻值的变化推导出吸附性气体 的种类和浓度 半导体陶瓷传感器相较于其它类型传感器存在价格低 体积小 使用方便 工艺简单及 测试电路简化等显著优点 特别是其检测对温度变化不敏感 很适合用于具有燃烧气氛的环境中使用 集成化的双组分探头技术集成化的双组分探头技术集成化的双组分探头技术集成化的双组分探头技术 能实时监测烟气中的氧和一氧化碳是有效控制燃烧效率的关键 由于氧和一氧化碳的相互转换和 作用 实时和同步的检测就对烟气含量准确检测尤为关键 直插式燃烧效率在线分析系统核心是可以 工作在高温下的氧及一氧化碳半导体陶瓷传感器 将两种传感器集成在一个探头内 直接插入到烟道中 可以快速准确地监测烟道内的 O2 及 CO 含量 探头的结构设计图如图 烟气通过精密陶瓷过滤器 进入到检测腔 检测腔中的二个传感器将检测的信号传输到分析及变送 单元进行数据分析处理 计算出 O2 及 CO 的含量 并转换成标准的 4 20mA 信号 分别通过两个变送通 道输出 O2 和 CO 传感器 精密陶瓷过滤器 直插式燃烧效率探头结构示意图 武汉华敏 HM OSD 燃烧效率探头接线原理图 结束语 检测烟气中残余气体含量已成为空中锅炉燃烧和运行不可缺少的重要装备 氧化锆氧分析系统由 于其量程范围宽 气体预处理简单 日常维护工作量小 响应时间短等特点 在实际工作中获得广 泛应用 但烟气中的 CO 等可燃气体会影响其应用范围 特别是最新的氧和一氧化碳组合燃烧控制技 术的应用 单纯的氧化锆烟气传感器的使用就显得力不从心 为了解决这些问题 有部分厂家采取红外和电化学分析仪的方式进行烟气成分的分析 但这类系统 均需复杂的采样及预处理系统 反应速度慢 价格昂贵 维护要求也很高 不适宜大规模的应用 因此类似于 HM OSD 双参数的燃烧效率在线分析系统将是燃烧效率在线分析的发展方向 新探头由 于采用了先进半导体陶瓷气体敏感技术 使得新型具有像氧化锆氧分析系统一样简单的直插式结构 和高反应速度 低成本 可以适应大规模应用推广 同时其实时 在线 双组分的特性也能更好的 满足日常工作对燃烧效率控制的要求 参考文献 1 吴慧 可燃性气体对氧化锆氧分析仪测量误差影响的分析 分析与测试 P