高溫型余氧儀

李軍明 馮建業(yè)

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

玻璃的熔化澄清過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，所需熱能主要來(lái)自燃料燃燒所釋放的化學(xué)能。目前玻璃廠所用的燃料大部分是管道天然氣，其燃燒化學(xué)方程式為CH4＋2O2＝CO2＋2H2O，氧氣的來(lái)源主要是助燃介質(zhì)。當(dāng)氧氣不足時(shí)，天然氣過(guò)剩，過(guò)剩的天然氣隨煙氣通過(guò)煙囪排到大氣中，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境；氧氣過(guò)量時(shí)，多余的氧氣或空氣需從室溫加熱到1600 ℃再隨煙氣通過(guò)煙囪排到大氣中，氣體被加熱需消耗能源，造成能源浪費(fèi)。同時(shí)，顏色玻璃對(duì)窯爐氣氛又有特殊要求，準(zhǔn)確測(cè)量煙氣中氧氣的濃度來(lái)調(diào)節(jié)玻璃生產(chǎn)的工藝參數(shù)非常有必要。

1 高溫型余氧儀

現(xiàn)有余氧儀多為低溫型，即先將高溫?zé)煔饨禍刂?00 ℃以下，再將煙氣加熱到800 ℃，然后檢測(cè)其含氧量，這樣就避開(kāi)了溫度變化對(duì)檢測(cè)煙氣含氧量的影響，也避免余氧儀在高溫下受損，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單。但在玻璃窯爐上使用有一致命弱點(diǎn)，玻璃煙氣中含有堿性物質(zhì)，在900 ℃以下為黏稠液體或粉末狀固體，易黏附在余氧儀傳感器探頭上，堵塞煙氣余氧儀探頭的傳感器，使傳感器探頭無(wú)法接觸煙氣，從而無(wú)法檢測(cè)煙氣中氧含量，而煙氣中的堿性物質(zhì)在900 ℃以上分解為氣體狀態(tài)［1］，不會(huì)堵塞煙氣余氧儀探頭的傳感器。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有余氧儀的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、工作原理和使用中遇到的問(wèn)題的研究分析，研發(fā)了高溫型余氧儀，監(jiān)測(cè)煙氣中氧氣的含量來(lái)調(diào)節(jié)氧燃比，可有效節(jié)約燃料，減少環(huán)境污染，提高玻璃質(zhì)量。

1.1 余氧儀測(cè)量氧氣含量工作原理

余氧儀傳感器探頭材質(zhì)為氧化釔摻雜的六立方氧化鋯晶體，其結(jié)構(gòu)為螢石結(jié)構(gòu)［2］，六立方氧化鋯晶格中有氧離子空位穴存在，在600 ℃以上其是良好的氧離子導(dǎo)體。當(dāng)氧化鋯兩邊的氧含量不同時(shí)，氧濃度差產(chǎn)生電勢(shì)差。通過(guò)測(cè)量煙氣端和參比空氣端的電勢(shì)差來(lái)檢測(cè)煙氣氧含量。其電勢(shì)差符合能斯特方程：

1.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)采用自制的氧化鋯傳感器為檢測(cè)元件，檢測(cè)煙氣側(cè)與參比空氣側(cè)的電勢(shì)差，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；采用自制氧含量變送器將電勢(shì)差信號(hào)轉(zhuǎn)換為氧氣的濃度；人機(jī)交互端采用LED屏幕集成在輔助系統(tǒng)控制箱內(nèi)，LED液晶屏負(fù)責(zé)顯示和打印輸出；配置輔助系統(tǒng)控制箱為測(cè)量元件提供參比氣并吹掃殘余雜塵，將顯示變送器及維護(hù)儀制成一體，直接壁掛安裝在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)顯示記錄，通過(guò)有恒流性能的4～20 mA直流電流信號(hào)將數(shù)據(jù)傳送至中控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整套設(shè)備免去了復(fù)雜的采樣和預(yù)處理系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，靈敏度高，使用壽命長(zhǎng)。

1.3 系統(tǒng)配置

高溫型余氧儀系統(tǒng)配備用以氧氣濃度檢測(cè)的傳感器探頭、用以電信號(hào)與氧氣濃度轉(zhuǎn)換的信號(hào)變換傳送裝置、用以校準(zhǔn)的參比空氣裝置和防塵吹掃裝置組成的輔助系統(tǒng)、用以將信號(hào)傳送至中控室的屏蔽電纜。系統(tǒng)配置見(jiàn)圖1。

圖1 高溫型余氧儀系統(tǒng)配置

1.3.1 HOT氧探頭

HOT氧探頭采用自行研制的管筒形氧化釔摻雜的六立方氧化鋯氧傳感器，耐溫達(dá)1700 ℃。玻璃窯爐蓄熱室上部空間溫度為1300～1350 ℃，可將傳感器探頭插入蓄熱室上部空間1300～1350 ℃溫度的煙氣中直接檢測(cè)余氧量，此時(shí)煙氣的堿性物質(zhì)為氣體狀態(tài)，不會(huì)堵塞余氧儀探頭。氧化鋯在1300～1350 ℃溫度環(huán)境下為穩(wěn)定的六立方螢石型晶體，不會(huì)因產(chǎn)生相變影響檢測(cè)結(jié)果。傳感器做成細(xì)長(zhǎng)管筒狀，桶底內(nèi)外表面貼合鉑金片作催化劑和電極，煙氣在管筒外部流動(dòng)，參比空氣通過(guò)氣泵輸入到管筒內(nèi)部，傳感器與隔離裝置采用一體化設(shè)計(jì)，材質(zhì)相同，均為六立方氧化鋯材質(zhì)，膨脹系數(shù)相同，不會(huì)因溫變斷裂，結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，增加了余氧儀的強(qiáng)度，圓筒型結(jié)構(gòu)使煙氣和參比空氣徹底隔絕，測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠。自制氧化鋯探頭，在制作中用標(biāo)準(zhǔn)氣在不同溫度下標(biāo)定，解決了溫度對(duì)測(cè)量氧氣濃度的影響，不同的電壓對(duì)應(yīng)不同的氧氣濃度，環(huán)境溫度為1300～1350 ℃，無(wú)需設(shè)置加熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)外界電信號(hào)干擾，測(cè)量精度高，可以測(cè)量到（10～23）×10-6的氧含量。HOT氧探頭設(shè)置熱電偶，檢測(cè)溫度的變化，及時(shí)修正溫度對(duì)檢測(cè)氧濃度的影響。外設(shè)帶過(guò)濾功能的高鋁保護(hù)套管，可過(guò)濾有害雜質(zhì)，也能減緩環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的熱沖擊，延長(zhǎng)傳感器使用壽命。

HOT氧探頭結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 HOT氧探頭結(jié)構(gòu)示意圖

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）測(cè)量介質(zhì)溫度：1300～1350 ℃（外設(shè)帶過(guò)濾孔的氧化鋁保護(hù)管）；

（2）氧濃度測(cè)量范圍：0～20.9%；

（3）輸出信號(hào)：毫伏電壓，溫度測(cè)量采用S型熱電偶；

（4）安裝環(huán)境溫度：80～220 ℃。

1.3.2 信號(hào)變換傳送裝置

信號(hào)變換傳送裝置與HOT氧檢測(cè)端口配合使用，通過(guò)液晶顯示器可顯示多重參數(shù)；全中文人機(jī)交互端，操作及顯示通俗易掌握；可組態(tài)入DCS控制系統(tǒng)。將HOT氧檢測(cè)端口測(cè)量的毫伏電壓轉(zhuǎn)換為氧氣濃度并顯示，也可以轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸至DCS控制系統(tǒng)。

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）量程范圍：0～209000×10-6；

（2）輸入類型：4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流，0～1200 mV標(biāo)準(zhǔn)電壓；

（3）輸出類型：4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流；

（4）報(bào)警信號(hào)：兩路，220VAC/3A或24VDC/3A；

（5）安裝環(huán)境溫度：-20～70 ℃；

（6）電源：110～240 V，50～60 Hz，30 W；

（7）外型尺寸：350 mm×200 mm×150 mm。

1.3.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要是在現(xiàn)場(chǎng)為測(cè)量元件提供參比氣和維護(hù)的設(shè)備，內(nèi)部包含測(cè)量元件參比氣控制電路。信號(hào)變換傳送裝置與輔助系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，安裝在測(cè)量元件使用附近環(huán)境溫度在0～45 ℃的位置，可以直接將測(cè)得的氧氣濃度以模擬量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給DCS控制系統(tǒng)。

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）電源：110～240 V，100 W；

（2）安裝環(huán)境溫度：10～60 ℃；

（3）外型尺寸：400 mm×300 mm×150 mm。

1.3.4 HOT氧探頭外型及安裝尺寸

（1）外部保護(hù)套管直徑：25 mm；

（2）圓筒形傳感器探頭有效長(zhǎng)度1000 mm，實(shí)際插入墻體內(nèi)約600 mm；

（3）安裝接口配置支架。

圖3為高溫型余氧儀HOT探頭安裝示意圖。

圖3 高溫型余氧儀HOT探頭安裝示意圖

1.3.5 系統(tǒng)配置清單

高溫直插式余氧分析儀系統(tǒng)配置清單見(jiàn)表1 。

表1 系統(tǒng)配置清單

2 高溫型余氧儀在玻璃生產(chǎn)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某玻璃有限公司，2#窯爐為81 m2天然氣馬蹄焰窯爐，主要生產(chǎn)白酒瓶，采用普通余氧儀取氣管加長(zhǎng)的形式在蓄熱式上部空間取煙氣檢測(cè)。2020年7月投產(chǎn)運(yùn)行，運(yùn)行初期，瓶子顏色白中帶綠，空燃比為12∶1，能耗為151 Nm3/t 玻璃液，玻璃微泡為140個(gè)/100 g玻璃液，煙氣中CO濃度為0.07%，余氧計(jì)檢測(cè)煙氣中氧氣濃度為5%～7%，3天后余氧計(jì)顯示氧氣濃度為20.9%，余氧計(jì)失靈，將余氧計(jì)取出檢查發(fā)現(xiàn)傳感器探頭上附著粉末，清除粉末后用了三天又堵塞了，余氧計(jì)自此不能穩(wěn)定運(yùn)行。瓶子顏色白中帶綠、煙氣中CO濃度為0.07%說(shuō)明天然氣未燃盡，空燃比為12∶1時(shí)，余氧儀失靈，確定不了準(zhǔn)確的燃燒狀態(tài)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步調(diào)整空燃比為13∶1，煙氣中CO濃度為0.05%，瓶子顏色轉(zhuǎn)正，能耗為149 Nm3/t玻璃液， 玻璃微泡為100個(gè)/100 g玻璃液，玻璃瓶質(zhì)量好轉(zhuǎn)，能耗略有降低，自此維持了很長(zhǎng)時(shí)間。高溫型余氧儀研制成功后在該公司安裝試用，測(cè)得煙氣中氧氣的濃度為5%。確定空氣過(guò)剩，但天然氣依然沒(méi)燃盡，天然氣和空氣沒(méi)有很好的混合，燃燒不充分。對(duì)工藝進(jìn)行二次調(diào)整，將空燃比調(diào)整為11∶1，將燃槍角度上調(diào)1°，經(jīng)檢測(cè)煙氣中氧氣含量為2.5%，煙氣中CO濃度為痕跡量，瓶子顏色純正，能耗為135 Nm3/t玻璃液，玻璃微泡為70個(gè)/100 g 玻璃液，調(diào)整后玻璃瓶質(zhì)量很好，在同行業(yè)中能耗較低，高溫型余氧儀一直正常運(yùn)行，指導(dǎo)玻璃生產(chǎn)監(jiān)控和工藝流程。

使用高溫型余氧儀前后各技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 調(diào)整前后效果對(duì)照

3 結(jié)語(yǔ)

玻璃窯爐蓄熱室上部緊接窯爐，漏風(fēng)概率降低，受外界影響小，測(cè)量的是煙氣最真實(shí)的含氧量，此處溫度1300～1350℃，揮發(fā)物以蒸汽形式存在，不會(huì)形成液滴或粉末堵塞余氧儀傳感器探頭，研制的新型高溫型余氧儀，在材質(zhì)上通體使用氧化鋯，可耐1700 ℃高溫，解決了原余氧儀不耐高溫，安裝在煙氣回路較低溫度處，揮發(fā)物冷結(jié)成粘稠的液體或粉狀物固體堵塞余氧儀傳感器探頭的問(wèn)題。研制的新型高溫型余氧儀在玻璃窯爐上穩(wěn)定使用，指導(dǎo)玻璃生產(chǎn)工藝調(diào)整，燃燒已調(diào)整到最佳狀態(tài)，效果明顯，但玻璃微泡數(shù)量還是偏多，玻璃的澄清仍需做大量的工作，尤其是對(duì)投入熔窯的玻璃配合料，測(cè)定各種原料的COD值［3］，同時(shí)測(cè)試玻璃質(zhì)量較好情況下的Fe2+/ 全Fe比值［4］，控制玻璃的REDOX值，摸索出最佳的REDOX控制目標(biāo)值，并在生產(chǎn)中使之相對(duì)穩(wěn)定。