摘 要:介紹燃燒產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行的化合反應，在已知燃料成分和空氣成分的情況下，就可根據所進行的氧化反應，確定其燃燒產物--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。

       隨著人們對環保和節能意識的逐漸提高, 眾多大中型企業如鋼鐵冶金、石油化工、火力發電廠等, 已將提高爐窯熱效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環境等作為企業可持續發展的重要途徑。鋼鐵行業的軋鋼加熱爐、電力行業的鍋爐等燃燒裝置和熱工設備, 是各行業的能源消耗大戶。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氫化合物CmHn ，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(以及工藝過程的進行) 所必須傳入的熱量。根據爐子熱平衡可知,

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、供熱負荷、混合條件等因素有關。因此, 可通過測量并控制煙道氣體中φ(CO) 、φ(O2 ) 、φ(CO2 ) 來調節空氣系數λ, 來達到最高爐子熱效率。

        燃燒控制由來已久, 上世紀60 年代, 曾廣泛采用CO2 分析儀監測煙道氣體中φ(CO2 ) 來控制空氣系數λ以達到最佳, 但φ(CO2 ) 受燃料品種影響較大。上世紀70 年代后, 逐漸采用煙氣中φ(CO2 ) 或φ(CO) 和φ(O2 ) 相結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) 連續監測煙道氣體成分, 分析煙氣中φ(O2 ) 和φ(CO) ,調節助燃空氣和燃料的流量, 確定最佳的空氣系數。

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、準確的測量煙氣中φ(O2 ) 和φ(CO) 都是實現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行成分分析的儀表, 分為在線監測式和便攜式。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、煙氣露點、燃燒效率、排煙熱損失、煙氣流量等熱工參數。煙氣分析儀中一般安裝多個傳感器, 分為電化學傳感器和紅外傳感器。電化學傳感器測量原理是將待測氣體經過除塵、去濕后進入傳感器室, 經由滲透膜進入電解槽, 使在電解液中被擴散吸收的氣體在規定的氧化電位下進行電位電解, 根據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, 當被測氣體進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、反應靈敏等特點。煙氣分析儀利用測量得到的φ(O2 ) 、φ(CO)等數據可計算得到相應的熱工參數。

其計算公式如下。

CO2 :φ(CO2 ) = φ(CO2 ) max ·(1 -O221. 0) ,空氣系數: 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、空氣系數等, 并可擴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 語

煙氣成分分析裝置已經成為控制爐窯燃燒和運行不可缺少的重要設備, 正確使用它并通過它合理調節爐窯熱工操作參數, 將收到以下效果。

(1) 節約能源。減少助燃空氣量和排風量, 節省通風機動力費用。減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失, 達到節能的目的。或減少過量燃燒供給量, 直接實現節約燃料。

(2) 減少環境污染。減少NO X 、SO2 等污染物的排放。

(3) 提高產品質量。控制煙氣殘氧量可減少鋼坯氧化燒損, 提高企業經濟效益。

(4) 延長爐窯使用壽命。

我國有數10 萬臺中小型工業鍋爐和加熱爐, 我國的發電煤耗和噸鋼能耗都與國際先進水平有一定差距, 若能采用煙氣分析儀器等自動控制手段, 對有關燃燒參數進行準確、及時的在線監測, 以便實現人工調節或自動控制, 使爐窯熱效率達到較高或者最高, 將帶來巨大的經濟效益和社會效益。