氧化锆氧量分析仪在锅炉上的应用

井含龙,崔升阳

(青海碱业有限公司,青海 德令哈 817000)

氧化锆氧量分析仪在锅炉上的应用

井含龙,崔升阳

(青海碱业有限公司,青海 德令哈 817000)

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪的测氧原理、结构、安装方法、日常维护方法,以及在我公司130t/h煤粉锅炉上的应用情况、维修案例。

氧化锆;氧量分析仪;氧浓差电池;煤粉锅炉

近年来,随着国家对环保工作的重视,明确提出了节能减排的目标,作为化工企业来讲,开展节能减排工作也成为了大势所趋。青海碱业一期年产90万t纯碱项目共有5台130t/h煤粉锅炉。5台煤粉锅炉共使用了10套ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪,每台锅炉安装2套。以下就我公司在一期纯碱项目煤粉锅炉上使用的ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪进行介绍。

1 氧传感器测氧原理

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量分析仪,其探头核心是由氧化锆固体电解质材料的两侧用烧结的方法制成多孔铂层作为电极,再在电极上焊上铂丝作为引线。在一定高温下,当锆管两边的氧含量不同时,它便形成一个氧浓差电池,在这个电池中,空气是参比气,它与烟气分别位于内外电极。在实际的氧探头中,空气流经外电极,烟气流经内电极,当烟气氧含量 P小于空气氧含量 P0(20.6%O2)时,空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子,发生如下电极反应:

氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边,在内电极上发生相反的电极反应:

由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边,因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边,当这两种迁移达到平衡后,便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号 E,该电势信号符合“能斯特”方程:

式中R、F分别是气体常数和法拉第常数,T是锆管绝对温度(K),P0是空气氧含量(20.6% O2),P是烟气氧含量。由(1)式可见,在一定的高温条件下(一般600℃),一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出。ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量分析仪的正常工作温度为700℃。

2 ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪的结构

ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪的探头为直插式,可直接置于被测气样中,不需附加取样装置,整套仪器由氧探头、信号转换器(氧量变送器)及有关附件组成。

2.1 氧探头

探头部件是分析仪的核心,由陶瓷过滤器、氧化锆管元件、加热器、测温热电偶及壳体等主要部件组成。整个装置采用全封闭型结构,探头内部结构原理如图1所示。

氧化锆管元件置于加热器内,由它产生氧浓差电势信号。陶瓷过滤器主要的作用是过滤烟气中的灰尘,防止污染电极。加热器由加热丝、炉管、保护套管等组成。热电偶用来检测电极元件部分的温度,与加热器温控电路配合实现氧化锆元件的恒温控制。

图1 氧化锆探头结构图

2.2 信号转换器

ZrO2-Ⅱ型氧化锆氧量自动分析仪的信号转换器主要由检测电路、温度控制电路组成。检测电路的作用是将氧化锆产生的氧浓差电势转换为氧量显示并输出4～20mADC。温度控制电路是保证探头电极部分的温度为700℃,使氧浓差电势与氧含量成单值函数关系。它由偏差信号放大器、PI控制器,可控硅控制电路等组成 。

3 氧化锆氧量自动分析仪的安装

3.1 氧化锆探头的安装

氧化锆探头的安装方式为法兰安装,仪表自带配套法兰,安装前先需要加工好一个φ76×100设备短节与法兰焊接,按要求选好取样位置(炉壁或管道),开一个φ76的孔,将短节以水平方式焊接到设备上,焊接时要保证焊接处不漏气。在选定取样点位置后,φ76设备短节应根据保温厚度适当穿过炉体保温砖,与炉体钢壳焊牢,露出部分长度大于60mm。

法兰尺寸及氧探头的安装参照图2、图3进行。

图2 氧探头安装法兰尺寸

图3 焊接炉壁上的氧探头安装法兰

氧探头在刚开始的安装投运中,由于我们安装地点选择不合适,前后更换了几处安装地点,现总结出氧探头的安装中需要注意的问题:

1)所选的探头安装点必须能快速反映工艺状态的变化情况;

2)取样点的温度、压力、流量等参数不应变化太大;

3)氧探头插入深度应达到烟道气流部位,避免死区;

4)切忌在管道、烟道底部开口取样;

5)取样点附近炉堂、烟道应无泄漏,否则将造成测量误差;

6)要选择在易于维护、检修的地方。

3.2 信号转换器的安装

信号转换器的外形尺寸:160×80×250mm(水平×垂直×深)

仪表盘面的开孔尺寸:152+1×76+1mm(水平×垂直)

信号转换器用随机配备的安装夹板及螺丝安装在仪表盘上,亦可安装在现场仪表保护箱内。

4 氧化锆氧量自动分析仪的日常维护

1)为了使氧化锆氧分析仪测量准确,必须定期用标气进行校准。标定方法:先将标气流量调至500ml/min,然后取下探头上的标气入口堵头,将标气用导管接入标气入口,并密封好。将变速器进入标定菜单,当标气通入约3～5min后,显示稳定,这时调节变送器前面板上的显示值,直至氧气显示和标气值相等。按下确认键,取下标气连接管,重新堵上标气入口,仪器校准完毕,按下返回键,即可读出记录该值。工厂所在地青海省德令哈市的氧含量大约在17%左右。

2)由于氧化锆是长期在线检测测量,烟气中的粉尘含量大,氧化锆探头陶瓷过滤器和进气孔容易被堵塞,使用一段时间后须定期拆出清理。探头在拆装过程中注意避免剧烈震动,以免损坏。

3)由于氧化锆电极所用的材料是铂,而烟气中含有大量的强还原性的气体,如SO2、CO等容易使锆头失效,发生显示值无变化现象,这时可以打开标气口吹入空气进行清洗,如果显示没有变化,则需要更换锆头。

4)更换锆头时,要注意保护电极与锆头螺旋接触面;更换锆头后,应校正氧化锆的氧浓度显示值。如果不进行此项工作,氧化锆检测的氧浓度可能会与实际浓度产生偏差,从而影响测量。

5)在停炉或氧化锆退出使用时,不能在切断电源情况下放置在烟气管道内,应保持加热器供电以防止锆头和锆管被腐蚀。

6)氧化锆分析仪在运行中连续不断地系统自检,若有故障出现,仪表会显示相应的故障代码,再做相对应的维护措施。

5 维修案例

案例1:氧化锆氧分析仪器变送器在运行过程中显示0.25并报警。进行检查标定,发现加热器无供电电压,更换另一台变送器,故障依旧;检查万用表正常;检查变送器内电路板,发现给加热器供电的固态继电器没有输出。反复看图纸,发现固态继电器是由氧化锆探头的温度来控制的,2台变送器都没有输出,而探头没有更换,问题出在探头的温度检测上。探头的测温元件是1个热电偶,检查热电偶输出,发现热电偶已经开路,在变送器的温度输入端子上接入1个好的热电偶,通电试验,氧化锆氧分析仪工作恢复正常。

案例2:氧化锆氧分析仪器变送器在运行过程中仪表示值偏高,且显示值变化不大。首先检查探头内温度及温度控制电路,均没有问题,后检查氧化锆管元件,用万用表测量其电击内阻发现内阻为150Ω左右,故判断为氧化锆管元件故障(新的锆管内阻应小于50Ω,如果锆管内阻不大于100Ω,可以适当提高测量温度继续使用),更换新的氧化锆管元件后,氧化锆氧分析仪工作正常。

6 结 语

锅炉燃烧质量的好坏,直接关系燃料消耗率的高低;为了保持锅炉燃烧处于最佳工况,需有正确的氧量值作为操作依据。青海碱业一期纯碱项目锅炉使用ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪4年多来,运行稳定,测量准确,为岗位的工艺操作提供了可靠的依据,为我公司在节能减排方面做出了贡献。

但是,由于锅炉烟气中含尘量较大,探头需经常取出清理灰尘,增加了维护量。笔者认为,如果ZrO2-Ⅱ型直插式氧化锆氧量自动分析仪能增加在线自动吹扫探头的功能,可以减少仪表的维护量,延长仪表的使用寿命,从而为企业与社会创造更高的经济效益和环保效益。

[1] 厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京:化学工业出版社,1999

[2] 直插式氧化锆氧分析仪使用说明.南京南分分析仪器有限责任公司

TK39

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1005-8370(2011)05-38-03

2011-08-10