摘 要:介紹燃燒產(chǎn)物及煙道氣體中氧氣和一氧化碳的含量對爐窯熱效率的影響, 以及煙氣分析

       燃料的燃燒，是可燃成分與空氣中的氧進(jìn)行的化合反應(yīng)，在已知燃料成分和空氣成分的情況下，就可根據(jù)所進(jìn)行的氧化反應(yīng)，確定其燃燒產(chǎn)物--煙氣的成分。例如：固體、液體燃料完全燃燒時，碳與氧化合生成二氧化碳，氫與氧化合生成水蒸汽，硫與氧化合生成二氧化硫。除此之外，燃料中的水分汽化成水蒸汽，氮氣化為氮氣，還有空氣中剩余的氮氣及過量空氣中的氧氣等。綜上所述，燃料完全燃燒時，煙氣的成分是：CO2、SO2、H2O 、N2、和O2等。

       隨著人們對環(huán)保和節(jié)能意識的逐漸提高, 眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠等, 已將提高爐窯熱效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護(hù)環(huán)境等作為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。鋼鐵行業(yè)的軋鋼加熱爐、電力行業(yè)的鍋爐等燃燒裝置和熱工設(shè)備, 是各行業(yè)的能源消耗大戶。因此, 如何測量和提高燃燒裝置的燃燒效率, 確定最佳燃燒點十分重要。

      燃料不完全燃燒時，一部分碳生成一氧化碳，還可能生成少量的氫氣及碳?xì)浠衔顲mHn ，所以，燃料在不完全燃燒時，煙氣成分除了CO2、SO2、H2O 、N2、和O2外，還有少量的CO 、H2、CmHn 等。

       此外，煙氣中尚有微量SO3和NOx 它們都對環(huán)境造成污染。其中SO3還是低溫腐蝕的主要因素。

1 煙氣成分對爐窯熱效率的影響分析

       供給加熱爐、鍋爐等加熱設(shè)備的燃料燃燒熱并沒有被全部利用。以軋鋼加熱爐或鍋爐為例,

       有效熱是為了使物料加熱或熔化(以及工藝過程的進(jìn)行) 所必須傳入的熱量。根據(jù)爐子熱平衡可知,

η= 1 -Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4

        Q 式中, η為爐窯熱效率; Q 為供給爐子的熱量,J ; Q 1 為爐子煙氣(廢氣) 中過剩空氣帶走的物理熱,J ; Q 2 為爐子煙氣(廢氣) 中燃料不完全燃燒而生成的或未燃燒的CO 氣帶走的物理熱,J ; Q 3為爐子設(shè)備熱損失(包括爐體散熱、逸氣損失、冷卻水帶走、熱輻射等) ,J ;Q 4 為其他熱損失,J 。

       熱效率與煙氣中的φ( CO) 、φ(O2 ) 、φ(CO2 ) 以及排煙溫度、供熱負(fù)荷、混合條件等因素有關(guān)。因此, 可通過測量并控制煙道氣體中φ(CO) 、φ(O2 ) 、φ(CO2 ) 來調(diào)節(jié)空氣系數(shù)λ, 來達(dá)到最高爐子熱效率。

        燃燒控制由來已久, 上世紀(jì)60 年代, 曾廣泛采用CO2 分析儀監(jiān)測煙道氣體中φ(CO2 ) 來控制空氣系數(shù)λ以達(dá)到最佳, 但φ(CO2 ) 受燃料品種影響較大。上世紀(jì)70 年代后, 逐漸采用煙氣中φ(CO2 ) 或φ(CO) 和φ(O2 ) 相結(jié)合的方法來控制燃燒狀況。

       改善燃燒狀況最直接的方法就是使用煙氣分析儀器(如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀) 連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分, 分析煙氣中φ(O2 ) 和φ(CO) ,調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量, 確定最佳的空氣系數(shù)。

2 煙氣成分分析裝置工作原理

無論采取何種方式控制燃燒狀況, 快速、準(zhǔn)確的測量煙氣中φ(O2 ) 和φ(CO) 都是實現(xiàn)最佳燃燒的前提條件。因此, 這里介紹一些典型的煙氣分析儀器的工作原理。 

煙氣分析儀

       煙氣分析儀(或燃燒效率測定儀) 是爐窯煙道氣體抽氣采樣并自動進(jìn)行成分分析的儀表, 分為在線監(jiān)測式和便攜式。一般可以測量分析煙氣中的φ(CO) 、φ(O2 ) 、φ(NOX ) 、φ(SO2 ) 等氣體, 以及煙氣溫度、壓力等, 并通過計算獲得φ(CO2 ) 、空氣系數(shù)、煙氣露點、燃燒效率、排煙熱損失、煙氣流量等熱工參數(shù)。煙氣分析儀中一般安裝多個傳感器, 分為電化學(xué)傳感器和紅外傳感器。電化學(xué)傳感器測量原理是將待測氣體經(jīng)過除塵、去濕后進(jìn)入傳感器室, 經(jīng)由滲透膜進(jìn)入電解槽, 使在電解液中被擴(kuò)散吸收的氣體在規(guī)定的氧化電位下進(jìn)行電位電解, 根據(jù)耗用的電解電流求出其氣體的濃度。紅外傳感器主要由紅外光源、紅外吸收池、紅外接收器、氣體管路、溫度傳感器等組成。它是利用各種元素對某個特定波長的吸收原理, 當(dāng)被測氣體進(jìn)入紅外吸收池后會對紅外光有不同程度的吸收, 從而計算出氣體含量。紅外傳感器具有抗中毒性好、量程范圍廣、反應(yīng)靈敏等特點。煙氣分析儀利用測量得到的φ(O2 ) 、φ(CO)等數(shù)據(jù)可計算得到相應(yīng)的熱工參數(shù)。

其計算公式如下。

CO2 :φ(CO2 ) = φ(CO2 ) max ·(1 -O221. 0) ,空氣系數(shù): λ=21. 021. 0 - O2 , 排煙熱損失:Loss = T gas - T air · A 1φ(CO2 ) + B ,

燃燒效率:η= 100 - Loss ,這里, A 1 =(V dry ) min ·C p ,m ·CO2max H u ·CO2

3. 煙氣成分分析在爐窯燃燒狀況改善中的應(yīng)用

煙氣分析儀一般可測量和顯示O2 、CO 、。CO2 、NO X 、SO2 等氣體成分以及煙氣溫度、壓力、煙氣黑度和燃燒效率、空氣系數(shù)等, 并可擴(kuò)展其他氣體成分的測試, 是熱工研究和燃燒控制的良好工具。

4. 結(jié) 語

煙氣成分分析裝置已經(jīng)成為控制爐窯燃燒和運(yùn)行不可缺少的重要設(shè)備, 正確使用它并通過它合理調(diào)節(jié)爐窯熱工操作參數(shù), 將收到以下效果。

(1) 節(jié)約能源。減少助燃空氣量和排風(fēng)量, 節(jié)省通風(fēng)機(jī)動力費用。減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失, 達(dá)到節(jié)能的目的。或減少過量燃燒供給量, 直接實現(xiàn)節(jié)約燃料。

(2) 減少環(huán)境污染。減少NO X 、SO2 等污染物的排放。

(3) 提高產(chǎn)品質(zhì)量。控制煙氣殘氧量可減少鋼坯氧化燒損, 提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

(4) 延長爐窯使用壽命。

我國有數(shù)10 萬臺中小型工業(yè)鍋爐和加熱爐, 我國的發(fā)電煤耗和噸鋼能耗都與國際先進(jìn)水平有一定差距, 若能采用煙氣分析儀器等自動控制手段, 對有關(guān)燃燒參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、及時的在線監(jiān)測, 以便實現(xiàn)人工調(diào)節(jié)或自動控制, 使?fàn)t窯熱效率達(dá)到較高或者最高, 將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。