氧量計測量在電廠節能與環保中的應用探討

摘要：衡量電廠在燃料燃燒過程中消耗率的高低，主要取決于鍋爐在燃燒過程中的質量。對鍋爐煙氣中的含氧量進行分析的主要目的就是對鍋爐的燃燒質量進行監督，從而有效控制鍋爐中氧氣和燃料的比例，最終使得鍋爐中燃料可以得到完全燃燒。文章對氧量計測量在電廠節能與環保中的應用進行了探討。

關鍵詞：氧量計；電廠；節能環保；消耗率；含氧量；鍋爐煙氣 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK313 文章編號：1009-2374（2016）09-0084-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.040

在實際生活中，電廠作為最大的耗煤地點，如何有效地降低煤的消耗量，并達到節能環保的目標是目前電廠系統應用中一項十分重要的工作。提升電廠鍋爐的燃燒效率，就要有效改進鍋爐的相關設備，并準確監測鍋爐中各種參數值的變化，從而從根本上實現最優化燃燒。鍋爐中含氧量相比其他參數而言較易調節，運行的范圍也較廣泛，且在鍋爐中含氧量發生變化時，還會對鍋爐的煙氣量帶來變化，改變其他參數值，因而如何有效地控制鍋爐中的含氧量，對電廠的節能和環保目標來說具有十分重要的意義。

1 氧量計測量儀的應用背景

測量煙氣中含氧量的儀表被叫做氧量計，氧分析儀通常情況下分為熱磁式和氧化鋯式兩種，本文主要分析的是氧化鋯式氧量分析儀。

在電廠鍋爐工作過程中，其燃料在燃燒過程中所產生的熱量并沒有被完全利用。針對鍋爐燃燒進行分析得知，有效熱量就是使得物料在加熱過程中一定要傳入的熱量，鍋爐煙氣所帶走的部分熱量則是熱量損失中的很大一部分。若是鼓風量過大，雖能使鍋爐中的燃料可以充分燃燒，但是也會增加煙氣中的空氣含量，使得煙氣中氧氣的含量過高，這時剩余的空氣就會增加鍋爐的熱損失，降低鍋爐的燃燒效率。另外，過剩的氧氣還會和燃料中的硫以及煙氣中的二氧化硫、氮氣等物質發生反應，產生有毒物質。若是鼓風量過低，就會使得煙氣中的氧氣的含量大大降低，一氧化碳的含量增加，雖然這樣煙氣的熱量損失能降到最低，但是此時鍋爐中的燃料并沒有完全燃燒，就會增加鍋爐的熱損失，降低鍋爐的熱效率，同時也會對大氣環境造成污染。

20世紀60年代，人們就曾采用二氧化碳分析儀來測量煙氣中二氧化碳的含量從而有效控制空氣中的消耗系數來達到控制鍋爐燃燒效率的目的，但由于不同的燃燒中二氧化碳的含量差異較大，無法取得理想的效果，因而在20世紀70年代之后，人們就逐漸采用測量煙氣中氧氣含量的方法來有效控制鍋爐的燃燒效率。

提升鍋爐燃燒效率最為直接的方法就是采用煙氣分析儀來對煙氣中氣體的成分進行隨時監測，繼而有效分析煙氣中一氧化碳和氧氣的含量值，不斷調節燃料和空氣的比例，最終有效提升鍋爐的燃燒效率。

2 鍋爐中測量氧氣含量的主要依據

2.1 主要原理

針對工業使用中所有的氧化鋯傳感器進行分析得知，其在工作中主要運用的是以下原理：傳感器中的電池主要由鉑電極以及固態下的氧化鋯所組成。另外，鉑電極被焙燒在固態氧化鋯瓷片的兩端，并暴露在被測氣體之中。因氧化鋯是一種陶瓷，并且具有離子導電性，當溫度提升至1150℃時，其就會因晶體型轉變為立方晶體型，此時會有約7%的體積發生收縮，隨著溫度的降低，其又會變為單斜晶體。

經過反復的加熱和冷卻之后，氧化鋯就會發生破裂，正因為這樣，在制造氧化鋯傳感器的過程中不能采用純凈的氧化鋯作為測量元件。要在氧化鋯中加入適量的氧化鈣作為其穩定劑，之后再經過高溫焙燒，就會形成具有穩定性質的氧化鋯材料。

圖1 氧化鋯傳感器示意圖

由于鍋爐使用的是氧化鋯瓷片和具有高溫密封作用的材料，使得氧化鋯在不同側的氧氣濃度也不同，繼而形成了電勢E，并且其符合以下的斯特方程：

式中：C是常數，其大小取決于測量一側的溫度值和壓力差，并且和氧化鋯鋯頭的熱接點具有一定的關系；T是在測量過程中氣體的溫度值；R是通用氣體的常數值；F則是法拉第常數。

氧反應則發生在“三項區域”中，O2代表的是氧分子；VO"為氧離子空穴；e'是電子。發生氧反應的過程主要包括氧分子被吸收、電解質發生分解，最終全部擴散至三項區域內，并在此區域發生氧電化學反應，之后就能有效改善傳感器的使用性能。

在一般情況下，氧化鋯傳感器的工作溫度都在300℃以上，此時氧離子會在氧化鋯傳感器中發生遷移，最后在氧化鋯的傳感器兩側就能實現電解質表面的氧化平衡。由此我們得知，提升正常工作中的溫度就能有效改善傳感器的性能。然而，由于高溫也會破壞傳感器的材料，針對這一原因，在工業生產過程中都將溫度控制在700℃～800℃之間。

2.2 測量探頭

在設計工業用氧化鋯傳感器的過程中，通常情況下會有兩種不同的設計結構：一種是將鋯電池密封在鋁制的金屬鋯管之中；另一種是將其直接在密封在鋯管中。

鋯管的結構在設計過程中遵循的是“套筒式”的結構，這種結構具有較為優越的使用性能，但因鋯電池的組件本身具有凸緣的結構特點，這種形狀較為復雜，同時也較易受到熱應力的影響，因而就會導致鋯電池的強度不能達到理想目標，從而導致其在電化學反應區域內的熱平衡狀態也無法達到最佳。

3 利用氧化鋯分析監測儀監控電廠鍋爐的燃燒過程

工業氧化鋯分析儀在監測燃燒狀態過程中得到了廣泛的應用，并且在耗能行業以及燃燒設備中都發揮了十分重要的作用。在通常情況下，在氧氣濃度為零、二氧化碳濃度值達到最大值時是燃燒過程中的最佳狀態。

在最佳的燃燒狀態下，鍋爐中燃料以及氧氣的比例應完全符合理想中的比例。一般情況下，氧氣中的主要成分為水和二氧化碳，此外還含有極少量的氣體，例如氮氧化合物和二氧化硫等氣體，這些氣體主要來源于空氣中的氮氣被氧化，還有一部分來自燃料中的雜質燃燒所產生。

針對電廠的運行效率進行分析，氧氣的含量降低，就會使鍋爐在燃燒過程中的排煙熱以及送引分風能大大降低，同時也會增加那些未燃燒的灰碳損失，最終使得燃燒煤的含量增加；針對汽溫和減溫水進行分析后得知，這兩種參數的情況較為復雜，其和鍋爐在設計過程中的特性具有一定的聯系，通常情況下，氧氣的含量也就是機組煤在燃燒過程中耗煤量最低時進氧量的最佳控制值，并且這一值也會依據優化范圍的不同而發生變化，在此過程中可盡量降低燃燒過程中涉及到的參數的數量，從而有效簡化最佳狀態下氧氣含量的計算值。在通常情況下，氧氣含量在0.75%～2%的含量值時，鍋爐的燃燒效率最高。針對不同的煙氣測量溫度計算得知，氧氣含量每降低1%，就能有效減少燃料的1%～3%。

4 結語

隨著人們節能環保意識的逐步提升，越來越多的企業例如火力發電廠、石油化工以及冶金制造等都在逐步提升燃料的燃燒效率，從而有效降低能源消耗、在最大程度上減少空氣中污染物的排放，并將保護環境作為提升企業產品質量和競爭力的有效方式。鋼鐵冶煉行業中的軋鋼加熱爐、電力行業中的鍋爐燃燒等設備都是消耗能源的重要場所，因而采用氧量計測量煙氣中氧的含量，最終達到有效提升燃燒裝置的燃燒效率、減少環境污染的目的，對企業而言具有十分重要的意義。

參考文獻

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作者簡介：劉光耀（1983-），男，山東滕州人，棗礦集團田陳煤礦滕州富源低熱值燃料熱電有限公司助理工程師，研究方向：熱電廠鍋爐及脫硫系統的運行與維護。

（責任編輯：王 波）