氧化鋯氧量分析儀在鍋爐上的應(yīng)用

井含龍,崔升陽(yáng)

(青海堿業(yè)有限公司,青海 德令哈 817000)

氧化鋯氧量分析儀在鍋爐上的應(yīng)用

井含龍,崔升陽(yáng)

(青海堿業(yè)有限公司,青海 德令哈 817000)

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的測(cè)氧原理、結(jié)構(gòu)、安裝方法、日常維護(hù)方法,以及在我公司130t/h煤粉鍋爐上的應(yīng)用情況、維修案例。

氧化鋯;氧量分析儀;氧濃差電池;煤粉鍋爐

近年來(lái),隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視,明確提出了節(jié)能減排的目標(biāo),作為化工企業(yè)來(lái)講,開(kāi)展節(jié)能減排工作也成為了大勢(shì)所趨。青海堿業(yè)一期年產(chǎn)90萬(wàn)t純堿項(xiàng)目共有5臺(tái)130t/h煤粉鍋爐。5臺(tái)煤粉鍋爐共使用了10套ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀,每臺(tái)鍋爐安裝2套。以下就我公司在一期純堿項(xiàng)目煤粉鍋爐上使用的ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀進(jìn)行介紹。

1 氧傳感器測(cè)氧原理

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量分析儀,其探頭核心是由氧化鋯固體電解質(zhì)材料的兩側(cè)用燒結(jié)的方法制成多孔鉑層作為電極,再在電極上焊上鉑絲作為引線。在一定高溫下,當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí),它便形成一個(gè)氧濃差電池,在這個(gè)電池中,空氣是參比氣,它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中,空氣流經(jīng)外電極,煙氣流經(jīng)內(nèi)電極,當(dāng)煙氣氧含量 P小于空氣氧含量 P0(20.6%O2)時(shí),空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子,發(fā)生如下電極反應(yīng):

氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊,在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng):

由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊,因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊,當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后,便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào) E,該電勢(shì)信號(hào)符合“能斯特”方程:

式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù),T是鋯管絕對(duì)溫度(K),P0是空氣氧含量(20.6% O2),P是煙氣氧含量。由(1)式可見(jiàn),在一定的高溫條件下(一般600℃),一定的煙氣氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出。ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量分析儀的正常工作溫度為700℃。

2 ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的結(jié)構(gòu)

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的探頭為直插式,可直接置于被測(cè)氣樣中,不需附加取樣裝置,整套儀器由氧探頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換器(氧量變送器)及有關(guān)附件組成。

2.1 氧探頭

探頭部件是分析儀的核心,由陶瓷過(guò)濾器、氧化鋯管元件、加熱器、測(cè)溫?zé)犭娕技皻んw等主要部件組成。整個(gè)裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu),探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

氧化鋯管元件置于加熱器內(nèi),由它產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)信號(hào)。陶瓷過(guò)濾器主要的作用是過(guò)濾煙氣中的灰塵,防止污染電極。加熱器由加熱絲、爐管、保護(hù)套管等組成。熱電偶用來(lái)檢測(cè)電極元件部分的溫度,與加熱器溫控電路配合實(shí)現(xiàn)氧化鋯元件的恒溫控制。

圖1 氧化鋯探頭結(jié)構(gòu)圖

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換器

ZrO2-Ⅱ型氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的信號(hào)轉(zhuǎn)換器主要由檢測(cè)電路、溫度控制電路組成。檢測(cè)電路的作用是將氧化鋯產(chǎn)生的氧濃差電勢(shì)轉(zhuǎn)換為氧量顯示并輸出4～20mADC。溫度控制電路是保證探頭電極部分的溫度為700℃,使氧濃差電勢(shì)與氧含量成單值函數(shù)關(guān)系。它由偏差信號(hào)放大器、PI控制器,可控硅控制電路等組成 。

3 氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的安裝

3.1 氧化鋯探頭的安裝

氧化鋯探頭的安裝方式為法蘭安裝,儀表自帶配套法蘭,安裝前先需要加工好一個(gè)φ76×100設(shè)備短節(jié)與法蘭焊接,按要求選好取樣位置(爐壁或管道),開(kāi)一個(gè)φ76的孔,將短節(jié)以水平方式焊接到設(shè)備上,焊接時(shí)要保證焊接處不漏氣。在選定取樣點(diǎn)位置后,φ76設(shè)備短節(jié)應(yīng)根據(jù)保溫厚度適當(dāng)穿過(guò)爐體保溫磚,與爐體鋼殼焊牢,露出部分長(zhǎng)度大于60mm。

法蘭尺寸及氧探頭的安裝參照?qǐng)D2、圖3進(jìn)行。

圖2 氧探頭安裝法蘭尺寸

圖3 焊接爐壁上的氧探頭安裝法蘭

氧探頭在剛開(kāi)始的安裝投運(yùn)中,由于我們安裝地點(diǎn)選擇不合適,前后更換了幾處安裝地點(diǎn),現(xiàn)總結(jié)出氧探頭的安裝中需要注意的問(wèn)題:

1)所選的探頭安裝點(diǎn)必須能快速反映工藝狀態(tài)的變化情況;

2)取樣點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應(yīng)變化太大;

3)氧探頭插入深度應(yīng)達(dá)到煙道氣流部位,避免死區(qū);

4)切忌在管道、煙道底部開(kāi)口取樣;

5)取樣點(diǎn)附近爐堂、煙道應(yīng)無(wú)泄漏,否則將造成測(cè)量誤差;

6)要選擇在易于維護(hù)、檢修的地方。

3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的安裝

信號(hào)轉(zhuǎn)換器的外形尺寸:160×80×250mm(水平×垂直×深)

儀表盤面的開(kāi)孔尺寸:152+1×76+1mm(水平×垂直)

信號(hào)轉(zhuǎn)換器用隨機(jī)配備的安裝夾板及螺絲安裝在儀表盤上,亦可安裝在現(xiàn)場(chǎng)儀表保護(hù)箱內(nèi)。

4 氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的日常維護(hù)

1)為了使氧化鋯氧分析儀測(cè)量準(zhǔn)確,必須定期用標(biāo)氣進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)定方法:先將標(biāo)氣流量調(diào)至500ml/min,然后取下探頭上的標(biāo)氣入口堵頭,將標(biāo)氣用導(dǎo)管接入標(biāo)氣入口,并密封好。將變速器進(jìn)入標(biāo)定菜單,當(dāng)標(biāo)氣通入約3～5min后,顯示穩(wěn)定,這時(shí)調(diào)節(jié)變送器前面板上的顯示值,直至氧氣顯示和標(biāo)氣值相等。按下確認(rèn)鍵,取下標(biāo)氣連接管,重新堵上標(biāo)氣入口,儀器校準(zhǔn)完畢,按下返回鍵,即可讀出記錄該值。工廠所在地青海省德令哈市的氧含量大約在17%左右。

2)由于氧化鋯是長(zhǎng)期在線檢測(cè)測(cè)量,煙氣中的粉塵含量大,氧化鋯探頭陶瓷過(guò)濾器和進(jìn)氣孔容易被堵塞,使用一段時(shí)間后須定期拆出清理。探頭在拆裝過(guò)程中注意避免劇烈震動(dòng),以免損壞。

3)由于氧化鋯電極所用的材料是鉑,而煙氣中含有大量的強(qiáng)還原性的氣體,如SO2、CO等容易使鋯頭失效,發(fā)生顯示值無(wú)變化現(xiàn)象,這時(shí)可以打開(kāi)標(biāo)氣口吹入空氣進(jìn)行清洗,如果顯示沒(méi)有變化,則需要更換鋯頭。

4)更換鋯頭時(shí),要注意保護(hù)電極與鋯頭螺旋接觸面;更換鋯頭后,應(yīng)校正氧化鋯的氧濃度顯示值。如果不進(jìn)行此項(xiàng)工作,氧化鋯檢測(cè)的氧濃度可能會(huì)與實(shí)際濃度產(chǎn)生偏差,從而影響測(cè)量。

5)在停爐或氧化鋯退出使用時(shí),不能在切斷電源情況下放置在煙氣管道內(nèi),應(yīng)保持加熱器供電以防止鋯頭和鋯管被腐蝕。

6)氧化鋯分析儀在運(yùn)行中連續(xù)不斷地系統(tǒng)自檢,若有故障出現(xiàn),儀表會(huì)顯示相應(yīng)的故障代碼,再做相對(duì)應(yīng)的維護(hù)措施。

5 維修案例

案例1:氧化鋯氧分析儀器變送器在運(yùn)行過(guò)程中顯示0.25并報(bào)警。進(jìn)行檢查標(biāo)定,發(fā)現(xiàn)加熱器無(wú)供電電壓,更換另一臺(tái)變送器,故障依舊;檢查萬(wàn)用表正常;檢查變送器內(nèi)電路板,發(fā)現(xiàn)給加熱器供電的固態(tài)繼電器沒(méi)有輸出。反復(fù)看圖紙,發(fā)現(xiàn)固態(tài)繼電器是由氧化鋯探頭的溫度來(lái)控制的,2臺(tái)變送器都沒(méi)有輸出,而探頭沒(méi)有更換,問(wèn)題出在探頭的溫度檢測(cè)上。探頭的測(cè)溫元件是1個(gè)熱電偶,檢查熱電偶輸出,發(fā)現(xiàn)熱電偶已經(jīng)開(kāi)路,在變送器的溫度輸入端子上接入1個(gè)好的熱電偶,通電試驗(yàn),氧化鋯氧分析儀工作恢復(fù)正常。

案例2:氧化鋯氧分析儀器變送器在運(yùn)行過(guò)程中儀表示值偏高,且顯示值變化不大。首先檢查探頭內(nèi)溫度及溫度控制電路,均沒(méi)有問(wèn)題,后檢查氧化鋯管元件,用萬(wàn)用表測(cè)量其電擊內(nèi)阻發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻為150Ω左右,故判斷為氧化鋯管元件故障(新的鋯管內(nèi)阻應(yīng)小于50Ω,如果鋯管內(nèi)阻不大于100Ω,可以適當(dāng)提高測(cè)量溫度繼續(xù)使用),更換新的氧化鋯管元件后,氧化鋯氧分析儀工作正常。

6 結(jié) 語(yǔ)

鍋爐燃燒質(zhì)量的好壞,直接關(guān)系燃料消耗率的高低;為了保持鍋爐燃燒處于最佳工況,需有正確的氧量值作為操作依據(jù)。青海堿業(yè)一期純堿項(xiàng)目鍋爐使用ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀4年多來(lái),運(yùn)行穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,為崗位的工藝操作提供了可靠的依據(jù),為我公司在節(jié)能減排方面做出了貢獻(xiàn)。

但是,由于鍋爐煙氣中含塵量較大,探頭需經(jīng)常取出清理灰塵,增加了維護(hù)量。筆者認(rèn)為,如果ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀能增加在線自動(dòng)吹掃探頭的功能,可以減少儀表的維護(hù)量,延長(zhǎng)儀表的使用壽命,從而為企業(yè)與社會(huì)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

[1] 厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1999

[2] 直插式氧化鋯氧分析儀使用說(shuō)明.南京南分分析儀器有限責(zé)任公司

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2011-08-10