直插式燃燒效率線上分析探頭

本文介紹了一種新型的燃燒效率線上分析探頭的特點和結構以及在新的燃燒效率控制探頭與常規氧化鋯氧感測器的區別。

基本介紹

• 中文名：直插式燃燒效率線上分析探頭
• 所屬類別：科技
• 功能：降低污染物的排放
• 特點：減少能源的消耗

前言

當前， 國家對環保減排要求越來越高， 監管也越來越嚴格。 提高燃煤（燃油）鍋爐燃燒效率，以降低污染物的排放和減少能源的消耗， 就具有很現實的社會和經濟意義。

目前， 通過測量煙氣中的殘餘氧含量來檢測和計算“空燃比”， 以調節和改變風量，來控制鍋爐的最佳燃燒狀態，是一種比較普遍的方法。氧化鋯感測器可以直接插入高溫煙道中，連續線上分析煙氣中的氧含量，且相對低廉的價格，維護使用簡單方便的特性， 因此使用氧化鋯氧感測器來檢測煙氣的含氧量在實際套用中被大量採用，是目前空燃比燃燒控制監測的主要產品。

理論上講， 只要保持煙氣中氧含量穩定， 就可使燃料在穩定的過量空氣係數（α）條件下燃燒。通過調控送風量，即可保持和控制達到最佳燃燒控制。但實際狀況並沒有如此簡單。

充足的氧可以使得燃料充分燃燒，煙氣中氧含量會較高，但並不是越多越好，過大的過剩空氣係數（即鼓風量過大），會導致的熱損失過大，而導致熱效率的降低， 顯然不是一種最佳的選擇。

因為空氣中有79%的氮氣，這些氮氣不參加燃燒，但在燃燒過程中被加熱，吸取了能量然後從煙道中被排到大氣中去。這些能量的損耗是不可避免的，但可以通過有效的檢測和控制手段將這種損耗將低到可接受程度。

為了降低熱的損失，通常需要採用較低的過剩空氣係數，適當減小鼓風量， 使得殘餘氧含量儘可能降低，以使得燃燒殘餘氧含量較少。但同時可能會導致燃料燃燒不充分，其結果是煙氣中可檢出氧含量較低， 但由於燃燒不充分產生的一氧化碳含量也會增加。

即使鼓風量足夠恰當， 由於空氣和燃料混合不好等原因， 也會導致一定程度的不充分燃燒，導致煙氣中將會含有一氧化碳， 氫，甲烷等易燃氣體。因為氫，甲烷等含量極少 ，可以忽略不計。

可見在大多數情況下，鍋爐排放的煙氣中會含有一氧化碳等氣體， 而一氧化碳的含量也一定程度的反應了實際的燃燒狀況。

煙氣中一氧化碳對氧化鋯感測器的影響

氧化鋯感測器是利用穩定的二氧化鋯陶瓷在600℃以上的環境中產生的氧離子導電特性而設計的。在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側的氣體中分別存在著不同的氧分壓(即氧濃度)時，二氧化鋯陶瓷內部將產生一系列的反應，和氧離子的遷移。這時通過二氧化鋯兩側的引出電極，可測到穩定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。它服從能斯特(Nernst)方程。
式中E為氧感測器輸出的氧電勢(mv)，Tk為爐內的絕對溫度（K），P1和P2分別為二氧化鋯兩側氣體的氧分壓。氧感測器輸出的信號就是氧電勢信號，通過能斯特方程我們就可以得到被測爐氣氛中的氧分壓和氧電勢的關係。

由於氧化鋯的特殊的工作原理，氧化鋯氧感測器的敏感原件在工作時， 需要被加熱到600℃ 以上的溫度， 因此當煙氣中含有其他可燃氣體成分（主要是一氧化碳）時，煙氣中的氧和一氧化碳會在高溫的氧感測器中發生燃燒而使其測量結果偏低。 而導致錯誤的指示。

反應過程為：

O+ 2CO = 2CO₂

可見單純測量氧含量， 在很多情況下並不能如實的反應實際的燃燒狀況。在某些情況下甚至會產生誤導。

套用原理：

單純的討論煙氣中的殘餘氧含量的多或少， 並不能全面有效的提高燃燒效率，為了保證用適量的燃料和適量的空氣組成最佳比例進行燃燒，能在保證燃料充分燃耗的前提下最大程度地減少空氣的輸入量，則這種形式的損耗將減至最低。但空氣量的減少是必須在保證燃料充分燃燒的前提下，否則由於燃料未充分燃燒的能量損失也是十分可觀的。

可見如何才能找到最佳燃燒點是燃燒效率最高的關鍵。圖1是燃燒效率和煙氣中O2和CO含量之間的關係示意圖。圖中“過量空氣能耗”陰影面積，代表過量空氣形成的能耗，並隨著煙氣O2含量的提高而增加。“過量燃料能耗”陰影面積，代表過量燃料形成的能耗，並隨著煙氣CO含量的提高而增加。要同時降低這兩種能耗才可以達到最佳的燃燒，但這兩種因素是互相制約的。過量空氣量降得過低，雖然空氣帶走的熱量降低了，但有可能造成燃料燃燒不充分，能耗反而增加，而且還會造成冒黑煙等排放問題。而如果僅為了燃料的充分燃燒，而加大過量空氣，這又會使得過量空氣帶走的熱量大幅上升，能耗也會增加，而且會增加NOX的排放。因此如何將空氣和燃料的比例（空燃比）配置在合適的水平，是提高燃燒效率的關鍵。從圖4 可以看出，兩種能耗變化可以從燃燒煙氣中的O2和CO的含量中反映出來，通過疊加，可以得到一個熱損失的曲線，這個曲線的最低點就是燃燒效率最佳點！對應的O2和CO的含量，就是燃燒效率最高時，煙氣中這兩種氣體的最佳含量。在實際套用中，通過連續監測燃燒煙氣的O2和CO含量，不斷調整空燃比，使得O2和CO始終維持在最佳值，就可以使得燃燒效率最高，最大限度地降低能耗和排放。

由此可見， 能實時、線上、同步的檢測煙氣中氧和一氧化碳的含量，是能否正確控制燃燒效率的關鍵。

產品結構

為了能實時、線上、連續和同步的檢測煙氣中氣氛含量的變化， 將氣氛感測器插入到煙道內，直接和煙氣接觸而不需採樣氣管的採樣和傳輸， 無疑是一種最佳的選擇。但由於直插式探頭的工作環境惡劣，且對感測器檢測精度、工作穩定性和工作壽命都要求較高，必須採用了新的感測器技術，以克服煙道中，粉塵， 高溫等惡劣環境對探頭感測器原件的影響。 新型HM-OSD直插式燃燒效率線上分析探頭中我們採用了可用於惡劣環境的半導體陶瓷氣體感測器感測器技術和雙探頭結構。

半導體陶瓷氣體敏感技術

半導體陶瓷氣體感測器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應引起元件阻值變化的原理而製成的。當氣體吸附到n型半導體上，還原性氣體吸附到p型半導體上時，半導體的載流子減少，電阻值增大。當還原性氣體吸附到n型半導體，氣體吸附到p型半導體時，半導體的載流子增多，電阻值下降。。若氣體濃度發生變化，其阻值也將發生變化。根據這一規律，我們可以從阻值的變化推導出吸附性氣體的種類和濃度。半導體陶瓷感測器相較於其它類型感測器存在價格低、體積小、使用方便、工藝簡單及測試電路簡化等顯著優點。特別是其檢測對溫度變化不敏感， 很適合用於具有燃燒氣氛的環境中使用。

集成化的雙組分探頭技術

能實時監測煙氣中的氧和一氧化碳是有效控制燃燒效率的關鍵，由於氧和一氧化碳的相互轉換和作用， 實時和同步的檢測就對煙氣含量準確檢測尤為關鍵。直插式燃燒效率線上分析系統核心是可以工作在高溫下的氧及一氧化碳半導體陶瓷感測器，將兩種感測器集成在一個探頭內，直接插入到煙道中。

可以快速準確地監測煙道內的O2及CO含量。探頭的結構設計圖如圖

煙氣通過精密陶瓷過濾器，進入到檢測腔，檢測腔中的二個感測器將檢測的信號傳輸到分析及變送單元進行數據分析處理，計算出O2及CO的含量，並轉換成標準的4-20mA信號，分別通過兩個變送通道輸出。

結束語

檢測煙氣中殘餘氣體含量已成為空中鍋爐燃燒和運行不可缺少的重要裝備。氧化鋯氧分析系統由於其量程範圍寬， 氣體預處理簡單， 日常維護工作量小， 回響時間短等特點，在實際工作中獲得廣泛套用。 但煙氣中的CO等可燃氣體會影響其套用範圍。 特別是最新的氧和一氧化碳組合燃燒控制技術的套用， 單純的氧化鋯煙氣感測器的使用就顯得力不從心。

為了解決這些問題，有部分廠家採取紅外和電化學分析儀的方式進行煙氣成分的分析，但這類系統均需複雜的採樣及預處理系統，反應速度慢，價格昂貴，維護要求也很高，不適宜大規模的套用。

HM-OSD燃燒效率探頭接線原理圖

因此類似於HM-OSD雙參數的燃燒效率線上分析系統將是燃燒效率線上分析的發展方向，新探頭由於採用了先進半導體陶瓷氣體敏感技術，使得新型具有像氧化鋯氧分析系統一樣簡單的直插式結構，和高反應速度，低成本，可以適應大規模套用推廣， 同時其實時、線上、雙組分的特性也能更好的滿足日常工作對燃燒效率控制的要求。