加熱爐氧分析儀的優(yōu)化設計及應用

張友兵

(中國石油工程建設公司新疆設計分公司，新疆 烏魯木齊　830019)

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加熱爐氧分析儀的優(yōu)化設計及應用

張友兵

(中國石油工程建設公司新疆設計分公司，新疆 烏魯木齊830019)

針對目前氧分析儀探頭存在高溫加熱爐測量難及氧化鋯易意外點火爆炸的問題，提出了一種優(yōu)化方案。在傳統(tǒng)測氧技術(shù)的基礎上，采用恒流量抽取直吹法對預處理系統(tǒng)增設阻火器、高溫過濾、二級恒溫。運行結(jié)果表明，該優(yōu)化產(chǎn)品不但解決了氧分析儀高溫測量難的瓶頸，而且在徹底消除安全隱患的同時，提高了測氧精度和加熱爐熱效率，達到了降本增效、減少污染的效果，將占有舉足輕重的市場地位。

氧分析儀熱效率空氣過剩系數(shù)阻火器測量精度響應時間

0　引言

隨著中國經(jīng)濟的快速增長，人民生活水平不斷提高，環(huán)境問題、安全問題以及能源問題已成為政府和社會各界普遍關(guān)注的熱點問題。加熱爐作為工藝裝置中的重要能耗設備，也是硫化物、氮氧化物的排放源。因此，嚴格控制其各項指標對節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。

氧化鋯作為加熱爐氧含量測量儀表之一，能間接反映加熱爐燃燒情況，只要嚴格控制氧含量，獲得最佳過?？諝庀禂?shù)，就可提高加熱爐的熱效率，達到減少環(huán)境污染、節(jié)約能源的目的。更為重要的是，目前國內(nèi)外加熱爐和鍋爐因發(fā)生故障，使得大量可燃氣體與氧化鋯接觸，所導致的加熱爐意外點火爆炸的安全事故屢有發(fā)生。針對這一問題，在分析儀預處理系統(tǒng)中設置阻火器，可徹底消除安全生產(chǎn)隱患。

1　影響加熱爐熱效率的因素分析

對大型煉油和石化公司來說，常減壓裝置的加熱爐是主要能耗設備，其能耗占整個裝置的80%～83%[1]。如何提高加熱爐的熱效率是實現(xiàn)“低能耗，高效率”的關(guān)鍵。熱效率是指總吸收熱量與總輸入熱量的比值，它是加熱爐的一個主要工藝參數(shù)指標。加熱爐熱效率的高低與過?？諝庀禂?shù)a(a=實際空氣體積流量/理論空氣量)、排煙溫度、爐壁熱損失有著密切的關(guān)系[2]。其中，過剩空氣系數(shù)、排煙溫度以及煙氣熱量損失三者之間存在著對應關(guān)系，如圖1所示。圖1(a)、圖1(b)中曲線由下至上分別代表a為1～2時，煙氣熱量損失隨溫度的變化曲線。其中，排煙溫度越高，煙氣帶走的熱量越多，加熱爐的熱效率越低[3]。研究表明，當過剩空氣系數(shù)偏大時，入爐空氣過剩，大量的熱量被煙氣帶走，將造成排煙熱損失，降低加熱爐熱效率[4]；同時，高溫燃燒可能使原油介質(zhì)汽化結(jié)焦，甚至燒壞爐管，從而降低其使用壽命；在高溫下，空氣中的N2與O2發(fā)生化學反應生成NOx，會對環(huán)境造成污染。若過?？諝庀禂?shù)過小、氧氣含量過低，將導致燃燒不充分，排煙氣中會含有CO、H2、CH4以及炭黑粒子，使煙囪冒黑煙[5]、爐膛發(fā)暗，影響加熱爐熱效率，造成燃料浪費、污染環(huán)境等問題，不利于節(jié)能和環(huán)保，嚴重時甚至會使爐子熄火，引發(fā)安全事故。所以，控制好氧含量，獲得最佳的過剩空氣系數(shù)，以減少排煙帶走的熱量損失，是提高加熱爐熱效率的一個重要手段。

圖1　煙氣熱量損失對應關(guān)系圖Fig.1　The heat loss of flue gas

2　氧分析儀選型要點分析

通常測量混合氣體中氧含量或濃度的分析儀器稱為氧含量分析儀，又叫氧分析儀。氧分析儀按原理分為半導體激光氧分析儀、順磁式氧分析儀、電化學式氧分析儀。

半導體激光分析儀具有測量精度高、響應速度快、可靠性高、惡劣環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，已得到了廣泛應用。但該分析儀直接安裝在工藝管道上，介質(zhì)的溫度和壓力工況波動對測量的影響較大，使其應用受到一定限制，尤其是當被測介質(zhì)含有可燃氣體時要慎用。

電化學式氧分析儀包括固體電解質(zhì)的氧化鋯氧分析儀和液體電解質(zhì)的燃料電池式、電解電池式分析儀。其中，氧化鋯氧分析儀根據(jù)探頭結(jié)構(gòu)形式和安裝方式的不同，可分為直插式和抽吸式兩類。

中、低溫型直插式探頭適用于低于600 ℃的煙氣環(huán)境測量，探頭需自帶加熱設備；而高溫型探頭無需加熱設備，可利用高溫煙氣加熱，適用于650～750 ℃的煙氣環(huán)境測量。當燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定時，高溫型探頭易受煙氣溫度波動和高溫煙氣的影響，因此其應用受到一定限制。直插式探頭由于是擴散式測量，響應時間無法控制，廠家通常只給出標氣標定時的響應時間，而不是煙氣實測的響應時間，因而不適用于加熱爐的反饋控制。

抽吸式探頭適用于800～1 400 ℃的煙氣環(huán)境測量，其將高溫煙氣從爐內(nèi)引出，通過溫度控制設備適當降低煙氣溫度，使煙氣保持在露點溫度以上，再流過恒溫的氧化鋯探頭即可。但需注意的是，對于煙氣中含塵量大的燃煤爐，采用抽吸式分析儀易造成取樣管堵塞的問題，且維護量較大，所以它一般只適用于燃油爐、燃氣爐和煙塵含量較小的燃煤爐。

以前，高溫燃氣爐一般采用“吸抽取樣+順磁式氧分析儀”的方式進行測量。順磁式氧分析儀對被測氣樣的要求比氧化鋯嚴格，并且由于樣品處理系統(tǒng)存在系統(tǒng)復雜、維護量大、故障率較高、樣品傳輸滯后時間較長等原因，其使用效果并不理想。目前，石化行業(yè)的燃氣爐已逐漸采用抽樣式氧化鋯分析儀取代順磁式氧分析儀。

特別值得注意的是，氧化鋯屬于熱測技術(shù)，當加熱爐發(fā)生故障時，在爐膛內(nèi)聚集大量可燃性氣體的情況下，一旦氧化鋯被高溫點火，就會造成爆炸事故。為避免此類安全事故的發(fā)生，氧化鋯必須選配阻火器以確保其安全生產(chǎn)。

綜上所述的原理和用途分析，結(jié)合項目的介質(zhì)特點和操作工況，選用了具有信號自診斷功能[6]、預處理系統(tǒng)中增設阻火器的雙參數(shù)燃燒控制分析儀(以下簡稱燃燒控制分析儀)，作為加熱爐的氧分析儀。

3　燃燒控制分析儀采樣位置的優(yōu)化選擇

煙氣氧含量是說明燃燒狀況的重要參數(shù)，爐膛溫度、燃料量(燃料油量和燃料氣量)以及油氣比都對煙氣中的氧含量產(chǎn)生直接的影響。為了更好地控制氧含量、保證適宜的過?？諝庀禂?shù)，以提高加熱爐的熱效率，達到節(jié)能減排的目的，正確選擇氧分析儀的采樣位置至關(guān)重要。根據(jù)需要，氧化鋯元件所處的位置應該是煙氣流通良好、流速平穩(wěn)無旋渦、煙氣密度正常而不稀薄的區(qū)域[7]。此外，正確安裝是保證氧化鋯安全運行及使用壽命的唯一前提[8]。目前，氧分析儀在加熱爐上的檢測位置有三類可選方案，如圖2所示。

AT01位于對流室下游，煙道中煙氣溫度小于600 ℃，適合采用中低溫型氧分析儀。但這種方式距離輻射室較遠，對氧含量測量具有滯后性，測量不準，不利于氧含量的控制。同時，該方案也無法及時反映爐膛內(nèi)燃燒狀況，將導致火焰在對流段繼續(xù)燃燒，造成對流爐管的局部過熱、燒蝕、結(jié)焦等現(xiàn)象，影響加熱爐的換熱效率和壽命，故而應盡量避免。

圖2　氧分析儀檢測位置圖Fig.2　The detection locations of Oxygen analyzer

AT02位于對流室，煙氣溫度約在700～900 ℃，但氧化鋯在750 ℃左右的高溫條件下，由于鉑電極的催化作用，可燃氣體與氧氣發(fā)生氧化反應而耗氧，使氧氣的測量值略低于實際值。尤其是加熱爐發(fā)生故障時，高溫氧化鋯與可燃氣體接觸，可能引發(fā)點火爆炸事故。

AT03位于輻射室，是最理想的檢測位置，但該點溫度太高，是氧分析儀的克星，這也是令業(yè)內(nèi)人士頭疼的瓶頸。目前有人采用增加延長管和法蘭的方式來散熱降溫，但延伸管內(nèi)低點容易結(jié)液，且煙氣中SO2含量高時會造成含硫腐蝕，減少使用壽命。同時，延長管內(nèi)氣體可能流動不暢，氧分析儀的響應時間慢(有時達40 min或更長)，失去了在線測量的意義，更無法在線控制。因此，本設計中采用了優(yōu)化的產(chǎn)品，徹底克服了高溫所帶來的一系列問題，實現(xiàn)了在AT03位置的測氧。

4　燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化

對于生產(chǎn)裝置來說，安全問題已上升到了一個新的高度，避免安全生產(chǎn)事故的發(fā)生、保障裝置正常運行，對企業(yè)有著重要的意義。針對故障下加熱爐可能會發(fā)生意外點火爆炸的問題，設計中對氧分析儀進行預處理，優(yōu)化了燃燒控制分析儀，其基本原理如圖3所示。由圖3可見，燃燒控制分析儀進行了多處優(yōu)化，徹底解決了高溫測量難的瓶頸問題和安全生產(chǎn)隱患。具體的優(yōu)化改進措施為：在預處理系統(tǒng)中增設雙重阻火器，確保加熱爐在故障時，即使氧化鋯高溫點火，火焰也無法進入爐膛與可燃氣體接觸，杜絕了起火、爆炸引起的設備損壞、人員傷亡事故；針對北方寒冷地區(qū)，在預處理系統(tǒng)中增設高溫過濾和二級恒溫加保溫環(huán)節(jié)，杜絕冷凝、堵塞，大大減少了冬季維護量；采用恒流量抽取直吹式，大大縮短響應時間，以提高分析儀表的測量精度。

相對于同類型氧分析儀，設計中優(yōu)化改進的燃燒控制分析儀具有如下特點。

①消除安全隱患：加裝雙重阻火器，防止點燃可燃氣發(fā)生爆炸和空氣預熱器著火。

②超快的響應時間：恒定氧化鋯入口抽取的煙氣流量為200 mL/min，壓力為微正壓。出口采用射流泵噴射空氣，使煙氣壓力為負壓，與入口形成差壓，保證了煙氣流速，以獲取快速響應時間(不大于20 s)。

③緊湊型預處理：高溫過濾，二級恒溫并保持在245～265 ℃，以確保煙氣高于露點，杜絕冷凝、堵塞，降低寒冷地區(qū)儀器維護量，減少腐蝕，延長傳感器壽命。

④雙參數(shù)測量(O2和COe)：便于優(yōu)化燃燒和APC控制。

⑤氧化鋯和可燃物傳感器：采用耐高溫(可達1 700 ℃)的陶瓷傳感器，測量穩(wěn)定、準確，使用壽命長。

⑥與直插式氧化鋯相比,本設計雖然一次性成本偏高，但其生命周期長，從長遠來說反而降了低成本，性價比更高。

圖3　燃燒控制分析儀原理圖Fig.3　Principle of the combustion control analyzer

5　運行效果分析

通過現(xiàn)場實際應用發(fā)現(xiàn)，燃燒控制分析儀自投運以來，運行穩(wěn)定，無冷凝、堵塞現(xiàn)象。與其他氧分析儀相比，其不但大大減少了冬季維護量，而且縮短了響應時間，保證了測量精度，尤其是解決了氧分析儀探頭面臨的高溫測量難的瓶頸問題，徹底消除了氧化鋯點火爆炸的安全隱患。表1為脫硫脫硝前，燃燒控制分析儀安裝前后的加熱爐數(shù)據(jù)對比。

表1　加熱爐數(shù)據(jù)對照表Tab.1　Comparison of data of heating furnace

由表1可見，優(yōu)化后的燃燒控制分析系統(tǒng)起到了提高熱效率、減少環(huán)境污染、節(jié)能增效的運行效果，得到了用戶的一致好評。

6　結(jié)束語

本文首先對氧分析儀的選型和檢測位置的優(yōu)化選擇作了詳細分析，然后對燃燒控制分析儀進行了優(yōu)化改進，并將其應用到加熱爐控制中。運行結(jié)果表明，采用優(yōu)化改進后的燃燒控制分析儀，不僅保證了氧含量檢測的準確性、及時性，起到節(jié)能增效、減少環(huán)境污染

的作用，最為重要的是徹底解決了高溫檢測難的問題，消除了氧化鋯意外點火爆炸的安全隱患。

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Optimized Design and Application of Oxygen Analyzer in Heating Furnace

At present,it is difficult to use the probe of oxygen analyzer in measurement for high temperature heating furnace,and the Zirconia may cause ignition explosion,thus an optimized scheme is proposed.On the basis of traditional oxygen measurement technology,by adopting constant flow direct blowing extraction method,several measures,including adding flame arrester,high temperature filtering,and secondary constant temperature,etc.,are conducted in pre-processing system.The running results show that the optimized product not only resolves the bottleneck of difficulty in high temperature measurement,but also eliminates the security risks,in addition,enhances the measurement accuracy and heat efficiency of the heating furnace; this satisfies the requirements of increasing efficiency and reducing cost and pollution.In future development of high temperature constant oxygen measurement industry,the optimized product will occupy a pivotal position in the market.

Oxygen analyzerThermal efficiencyExcess air ratioFlame arresterMeasurement accuracyResponse time

TH832;TP2

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610025

修改稿收到日期：2016-01-06。

作者張友兵(1978—)，男， 2003年畢業(yè)于西南石油學院自動化專業(yè)，獲學士學位，高級工程師；主要從事自動化及儀表方向的研究和設計。