1、广 东 化 工 2023 年 第 4 期 124 第 50 卷 总第 486 期 工业炉设计中烟气氧含量的控制工业炉设计中烟气氧含量的控制 吴银登，黄强，邓靖(上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200072)摘 要工业炉设计中烟气氧含量的控制对于有节能环保有重要意义，在设计中控制方案和氧分析仪的选型非常关键。本文阐述了工业炉设计中氧含量的控制方案以及氧分析仪的几种类型，应针对不同的项目选择合适制方案和仪表选型。关键词工业炉；设计；氧含量；烟气；控制 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0124-03 Control of Oxygen Content
2、of Flue Gas for Industrial Furnace Design Wu Yindeng,Huang Qiang,Deng Jing(Shanghai Environmental Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200072,China)Abstract:The control of oxygen content in industrial furnaces is great significant for energy conservation and environmental prot
3、ection.The selection of control schemes and O2 analyzers is the key to design.This paper shows the control scheme of oxygen content in the design of industrial furnaces and several types of O2 analyzers.The appropriate control scheme and instrument selection should be selected for different projects
4、.Keywords:industrial furnace；design；oxygen content；flue gas；control 1 概述概述 氧含量即气体中氧的占比，大气中正常氧含量约为 21%。烟气氧含量即可燃物燃烧后烟气中氧的含量，能反映工业炉运行情况，是工业炉设计和运行的重要参数。氧含量越小，即过量空气系数越小，则表明不完全燃烧增加；氧含量越大，即配风量越大，会造成炉温下降，不但影响燃烧质量，烟气还会带走大量的热量，并改变污染排放浓度的计算结果，同时也增加了烟气净化设备引风机的负荷。控制烟气氧含量，对控制燃烧过程，实现安全、节能高效和低污染排放是非常重要的1。在烟气污染源监测中，
5、氧含量用来换算燃烧尾气中气态污染物的浓度，可用于转换污染物排放浓度并判断其是否符合国家排放标准。在环境监管和执法中，执法人员还会根据尾气中的含氧量数据判断企业是否存在烟气稀释、非法排放和泄漏等环境违法行为。2 氧含量控制的意义氧含量控制的意义 2.1 保证完全燃烧又避免浪费 如果烟气氧含量过低，即过剩空气系数过小时，意味着氧气不足将导致燃烧不充分，大量的 CO 或 C 将从炉膛中排出，烟囱冒黑烟，从而污染环境；也会使燃料耗量增加，降低热效率。如果烟气含氧量过高，即过量空气系数过大时，此时烟气量会增加，排烟时会将大量的热量带出炉膛，热效率下降，造成浪费。另一方面，燃烧温度会降低，如果要保证热负荷
6、，则必须增加燃料用量，这样也会降低热效率；还会加速炉内构件氧化，加速 NOX 及 SOX 等污染物的生成，降低烟气露点温度，加剧露点腐蚀。2.2 污染物排放折算的需要 在石油化工中管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中使用的工艺加热炉，被加热物质在管内流动介质为气体或液体。在石油化工设计规范一般炼油装置用火焰加热炉(SH/T3036)中规定，对于自然通风的加热炉，以烧气为主时，过剩空气系数应为 20%；以烧油为主时，过剩空气系数应为 25%。对于强制通风的加热炉，以烧气为主时，过剩空气系数应为 15%；以烧油为主时，过剩空气系数应为 20%。折算成出口烟气的氧含量，
7、工程中一般控制炉顶氧含量，烧气时为 2%3%，烧油时为 3%4%左右。危废焚烧是危险废物在高温条件下发生燃烧等反应，实现无害化和减量化的过程。危险废物焚烧污染控制标准(GB18484)中要求，焚烧炉出口氧含量应为 6%10%。在烟气氧含量一定时，基准氧越大，数值越小；基准氧一定时，烟气氧含量越小，数值越小。基准氧含量可由以上标准得出，故控制烟气氧含量，对控制燃烧过程，实现安全、高效和低污染排放是非常重要的2。在石油化学工业污染物排放标准(GB31571)中要求，实测大气污染物排放浓度，须换算成基准氧含量为 3%的大气污染物基准排放浓度，并与排放限值比较判定排放是否达标。大气污染物基准排放浓度按
8、下式进行计算：21-O=21-O基基实实 上式中 基为大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m3；O基为干烟气基准氧含量，%；O实为实测的干烟气氧含量，%；实为(%)为大气污染物排放浓度。同理在危险废物焚烧污染控制标准(GB18484)中要求，烟气排放物浓度标准计算方法以 11%O2(干烟气)作为基准，将实测获得的标准状态下的大气污染浓度折算后获得的大气污染物排放浓度中要求用基准氧含量进行折算排放浓度。基准氧含量排放浓度公式如下：022(21-11)=()()OO-上式中 为大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m3；为实测的标准状态下的大气污染物排放浓度，mg/m3；0(O2)为助燃空气初始氧含
9、量(%)；(O2)为实测烟气氧含量(%)。按石油化工及环保领域，都要求按国家标准，统一采用标准值或基准值进行折算。这样才能对不同的企业的排放浓度采用统一的标准进行监管，才能控制排污企业故意增大空气量来稀释排放浓度的行为。不管采用标准过量空气系数，还是采用基准氧含量，折算值的大小取决于烟气氧含量的实测值。3 氧含量的控制方法氧含量的控制方法 3.1 石化及化工工业炉 石化及化工工业炉在控制中采用的氧含量控制方案是，以炉顶烟气氧含量来控制供风挡板或燃烧空气入炉量，使工业炉处于最佳燃烧状态，减少燃料消耗，风量维持在较低的水平，烟气量也会相应维持在较小的量，从而减少能量损失。控制方法一般是在炉膛辐射段
10、烟气出口设置氧分析仪，通过测量烟气中的氧含量为控制变量，以风道上的挡板开度来调节燃烧空气进量，使炉顶氧含量保持在在 2%4%左右。由于是燃烧后的测量，因此有一定的滞后性，且控制精度不是很高。其优点是控制简便，能适应燃料组分波动大的工况3。另外一种控制方式是空气-燃料比例调节，根据介质出炉温度控制燃料量，再将燃料流量信号输入比率给定器，按照固定的空气-燃料比例向空气流量控制系统发出请求，系统调节设计与装备 设计与装备 收稿日期 2022-08-10 作者简介 吴银登(1979-)，男，河北正定人，硕士，高级工程师，主要从事石油化工及危废资源化的设计和研发工作。2023 年 第 4 期 广 东 化
11、 工 第 50 卷 总第 486 期 125 风道上的挡板开度，使空气供给量满足空燃比。控制原理是，当燃料流量增加时，空气会先于燃料增加，是燃烧始终保持充足的过剩空气；反之，加热炉燃料减少时，使空气滞后于燃料减少，防止燃烧不充分，这样就在任何工况都满足燃烧的要求。由于是燃烧前的测量与控制，能及时准确地反映燃料流量的变化，可确保对火焰温度的准确控制3。但这种控制方式缺点是不能适应燃料组分多波动的工况。在烟气出口也会设置氧分析仪，对氧含量进行检测。石化或化工装置的燃料一般来自燃料气管网，燃料组成比较稳定，压力和温度也都很稳定，因此采用这种控制方案是合理的。某些气液类焚烧炉中如果物料组分比较稳定，也
12、可以采用空气-燃料比例调节，焚烧过程更加稳定。3.2 危废焚烧炉 采用焚烧方式处置危废由于其无害化，减容，稳定化和资源利用的功效，在危废处置中有重要作用。危废物料的种类非常复杂，无法采用空气-燃料比例调节，设计中也是烟气氧含量调节来控制燃烧。危险废物焚烧污染控制标准(GB18484)中要求，二次燃烧室焚烧温度应大于 1100，停留时间不低 2 s。焚烧炉出口氧含量应为 6%10%(干气)。但在工程中，出于成本考虑，氧含量分析仪一般安装在余热锅炉之后，这里烟气温度约 550。安装在这个位置虽然氧分析仪易于选型且价格低廉，但氧含量检测比较滞后，对风量的调节也是滞后的，如图 1 所示。图图 1 某危
13、废焚烧项目工艺中的氧含量检测某危废焚烧项目工艺中的氧含量检测 Fig.1 Detection of oxygen content in the process of a hazardous waste incineration project 近年也有工程项目选择高性能氧含量分析仪，安装在二燃室烟气出口部位，可准确及时的反应燃烧状况。由于二燃室烟气出口温度一般为 1100，要求性能好，价格会略高。氧含量分析仪设置在二燃室出口，读数快速，可以及时调整炉内氧含量，保证烟气的氧含量稳定。控制是以烟气出口烟道的烟气氧含量为控制变量，调节燃烧风调节挡板的开度。3.3 富氧燃烧技术 富氧燃烧是采用氧气浓度
14、高于 21%的富氧空气进行燃烧的技术，可减少排烟量及热损失，缩小设备尺寸，使炉膛温度更加均匀，提高热效率，利于烟气的热量回收。但含氧量的增加将导致炉膛温度升高，尾气中 NOx 含量增加，是制约富氧燃烧技术进一步发展的重要因素4。富氧熔池熔炼技术是近年应用于危废处置的新技术，采用富氧燃烧技术，熔炼的过程中采用喷枪喷出燃料和富氧空气，强烈搅拌炉膛内的熔体，充分利用物料中的化学潜能。加入炉内的物料和喷枪喷入的富氧空气经充分反应，能释放出大量的化学反应热，使新加入的物料熔融，生成炉渣冷却后是玻璃体。富氧熔池熔炼技术具有对物料适应性强，反应速度快，处理能力大，能量消耗小，烟气量小，能耗低的特点5。在富氧
15、熔池熔炼过程中，需要精确控制炉内反应气氛。富氧熔池熔炼炉的氧含量控制，是以烟气氧含量分析仪的读数为操作变量，以富氧空气管道上的挡板开度来调节富氧空气进量，维持烟气出口氧含量的稳定，如下图 2 所示。图图 2 富氧熔池熔炼工艺中的氧含量控制富氧熔池熔炼工艺中的氧含量控制 Fig.2 Oxygen content control in oxygen-enriched bath smelting process 4 氧分析仪的分类氧分析仪的分类 氧分析仪按检测原理可分为电化学、氧化锆、激光及顺磁等四种类型。4.1 电化学氧分析仪 电化学氧分析仪由电化学氧传感器单元、气路单元和电子显示单元组成。测量原
16、理是氧电极传感器以铂为阴极，以铅或银为阳极，采用聚四氟乙烯薄膜将阴极与电解质溶液隔开。氧在阴极被还原，电子通过电解液到达阳极，阳极被氧化，由此产生的电流大小与被测气体中的氧含量成正比。检测电流大小即可计算氧含量。电化学氧分析仪适用于环境清洁度高，温度范围在-545 的检测环境，如果烟气中粉尘较多，需要配置专门的烟气抽吸和净化系统，先净化后再检测。否则传感器很容易中毒失效。4.2 氧化锆氧分析仪 氧化锆氧分析仪可认为是一种特殊的电化学氧分析仪，采用固体电解质氧传感器。氧化锆氧分析仪的核心部件为氧化锆管，即氧化锆氧量检测器，是氧化锆掺以一定比例的氧化钇或氧化钙，经高温烧结而形成的一种性能稳定的陶瓷烧结体。由于氧化钇或氧化钙分子的存在，使氧化锆的立方晶格中存在氧离子空穴，在高温下形成良好的氧离子导体。当氧化锆管两侧广 东 化 工 2023 年 第 4 期 126 第 50 卷 总第 486 期 气体中氧含量不同时，两侧电极上由于电荷的堆积形成一定的电势差，即一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，与被测烟气分别位于内外电极。氧化锆氧分析仪的测量原理是利用二氧化锆陶瓷产生的氧离子导电特
