氧化鋯氧量分析儀在鍋爐上的應用

井含龍,崔升陽

(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用

井含龍,崔升陽

(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分析儀的測氧原理、結構、安裝方法、日常維護方法,以及在我公司130t/h煤粉鍋爐上的應用情況、維修案例。

氧化鋯;氧量分析儀;氧濃差電池;煤粉鍋爐

近年來,隨著國家對環(huán)保工作的重視,明確提出了節(jié)能減排的目標,作為化工企業(yè)來講,開展節(jié)能減排工作也成為了大勢所趨。青海堿業(yè)一期年產90萬t純堿項目共有5臺130t/h煤粉鍋爐。5臺煤粉鍋爐共使用了10套ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動分析儀,每臺鍋爐安裝2套。以下就我公司在一期純堿項目煤粉鍋爐上使用的ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動分析儀進行介紹。

1 氧傳感器測氧原理

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材料的兩側用燒結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,當鋯管兩邊的氧含量不同時,它便形成一個氧濃差電池,在這個電池中,空氣是參比氣,它與煙氣分別位于內外電極。在實際的氧探頭中,空氣流經外電極,煙氣流經內電極,當煙氣氧含量 P小于空氣氧含量 P0(20.6%O2)時,空氣中的氧分子從外電極上奪取4個電子形成2個氧離子,發(fā)生如下電極反應:

氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊,在內電極上發(fā)生相反的電極反應:

由于氧濃差導致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊,因而產生的電勢又導致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊,當這兩種遷移達到平衡后,便在兩電極間產生一個與氧濃差有關的電勢信號 E,該電勢信號符合“能斯特”方程:

式中R、F分別是氣體常數和法拉第常數,T是鋯管絕對溫度(K),P0是空氣氧含量(20.6% O2),P是煙氣氧含量。由(1)式可見,在一定的高溫條件下(一般600℃),一定的煙氣氧含量便會有一對應的電勢輸出。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分析儀的結構

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

2.1 氧探頭

探頭部件是分析儀的核心,由陶瓷過濾器、氧化鋯管元件、加熱器、測溫熱電偶及殼體等主要部件組成。整個裝置采用全封閉型結構,探頭內部結構原理如圖1所示。

氧化鋯管元件置于加熱器內,由它產生氧濃差電勢信號。陶瓷過濾器主要的作用是過濾煙氣中的灰塵,防止污染電極。加熱器由加熱絲、爐管、保護套管等組成。熱電偶用來檢測電極元件部分的溫度,與加熱器溫控電路配合實現氧化鋯元件的恒溫控制。

圖1 氧化鋯探頭結構圖

2.2 信號轉換器

ZrO2-Ⅱ型氧化鋯氧量自動分析儀的信號轉換器主要由檢測電路、溫度控制電路組成。檢測電路的作用是將氧化鋯產生的氧濃差電勢轉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℃,使氧濃差電勢與氧含量成單值函數關系。它由偏差信號放大器、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φ76×100設備短節(jié)與法蘭焊接,按要求選好取樣位置(爐壁或管道),開一個φ76的孔,將短節(jié)以水平方式焊接到設備上,焊接時要保證焊接處不漏氣。在選定取樣點位置后,φ76設備短節(jié)應根據保溫厚度適當穿過爐體保溫磚,與爐體鋼殼焊牢,露出部分長度大于60mm。

法蘭尺寸及氧探頭的安裝參照圖2、圖3進行。

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

氧探頭在剛開始的安裝投運中,由于我們安裝地點選擇不合適,前后更換了幾處安裝地點,現總結出氧探頭的安裝中需要注意的問題:

1)所選的探頭安裝點必須能快速反映工藝狀態(tài)的變化情況;

2)取樣點的溫度、壓力、流量等參數不應變化太大;

3)氧探頭插入深度應達到煙道氣流部位,避免死區(qū);

4)切忌在管道、煙道底部開口取樣;

5)取樣點附近爐堂、煙道應無泄漏,否則將造成測量誤差;

6)要選擇在易于維護、檢修的地方。

3.2 信號轉換器的安裝

信號轉換器的外形尺寸:160×80×250mm(水平×垂直×深)

儀表盤面的開孔尺寸:152+1×76+1mm(水平×垂直)

信號轉換器用隨機配備的安裝夾板及螺絲安裝在儀表盤上,亦可安裝在現場儀表保護箱內。

4 氧化鋯氧量自動分析儀的日常維護

1)為了使氧化鋯氧分析儀測量準確,必須定期用標氣進行校準。標定方法:先將標氣流量調至500ml/min,然后取下探頭上的標氣入口堵頭,將標氣用導管接入標氣入口,并密封好。將變速器進入標定菜單,當標氣通入約3～5min后,顯示穩(wěn)定,這時調節(jié)變送器前面板上的顯示值,直至氧氣顯示和標氣值相等。按下確認鍵,取下標氣連接管,重新堵上標氣入口,儀器校準完畢,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)由于氧化鋯是長期在線檢測測量,煙氣中的粉塵含量大,氧化鋯探頭陶瓷過濾器和進氣孔容易被堵塞,使用一段時間后須定期拆出清理。探頭在拆裝過程中注意避免劇烈震動,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還原性的氣體,如SO2、CO等容易使鋯頭失效,發(fā)生顯示值無變化現象,這時可以打開標氣口吹入空氣進行清洗,如果顯示沒有變化,則需要更換鋯頭。

4)更換鋯頭時,要注意保護電極與鋯頭螺旋接觸面;更換鋯頭后,應校正氧化鋯的氧濃度顯示值。如果不進行此項工作,氧化鋯檢測的氧濃度可能會與實際濃度產生偏差,從而影響測量。

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

6)氧化鋯分析儀在運行中連續(xù)不斷地系統(tǒng)自檢,若有故障出現,儀表會顯示相應的故障代碼,再做相對應的維護措施。

5 維修案例

案例1:氧化鋯氧分析儀器變送器在運行過程中顯示0.25并報警。進行檢查標定,發(fā)現加熱器無供電電壓,更換另一臺變送器,故障依舊;檢查萬用表正常;檢查變送器內電路板,發(fā)現給加熱器供電的固態(tài)繼電器沒有輸出。反復看圖紙,發(fā)現固態(tài)繼電器是由氧化鋯探頭的溫度來控制的,2臺變送器都沒有輸出,而探頭沒有更換,問題出在探頭的溫度檢測上。探頭的測溫元件是1個熱電偶,檢查熱電偶輸出,發(fā)現熱電偶已經開路,在變送器的溫度輸入端子上接入1個好的熱電偶,通電試驗,氧化鋯氧分析儀工作恢復正常。

案例2:氧化鋯氧分析儀器變送器在運行過程中儀表示值偏高,且顯示值變化不大。首先檢查探頭內溫度及溫度控制電路,均沒有問題,后檢查氧化鋯管元件,用萬用表測量其電擊內阻發(fā)現內阻為150Ω左右,故判斷為氧化鋯管元件故障(新的鋯管內阻應小于50Ω,如果鋯管內阻不大于100Ω,可以適當提高測量溫度繼續(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 語

鍋爐燃燒質量的好壞,直接關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。青海堿業(yè)一期純堿項目鍋爐使用ZrO2-Ⅱ型直插式氧化鋯氧量自動分析儀4年多來,運行穩(wěn)定,測量準確,為崗位的工藝操作提供了可靠的依據,為我公司在節(jié)能減排方面做出了貢獻。

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

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

[2] 直插式氧化鋯氧分析儀使用說明.南京南分分析儀器有限責任公司

TK39

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1005-8370(2011)05-38-03

2011-08-10