CN102445090A - 一种工业炉窑燃烧工况监测新方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种通过监测空气过剩系数优化工业炉窑燃烧工况实现节能减排的新方法。该方法通过设计一个可以连续监测高温炉窑空气过剩系数的系统来实现，该系统包括耐高温的直插型氧探头、变送器、A/D模数转换器、一体化触屏系统和电源等，安装在工业炉窑需要控制的部位。通过氧探头获得连续的氧量和炉温，通过一体化触屏系统和设定的算法获得相应的连续的实际空气过剩系数，当炉窑系统脱离最佳燃烧区间时就会报警，通过炉子操作人员干预能使炉子始终保持在优化加热区，实现节能减排。该技术实现了对工业炉窑燃烧工况的监测，通过获得以往技术无法检测到的实际空气过剩系数，能使工业炉窑运行在优化加热区，可以大幅度减少目前工业炉窑普遍存在的烟气中氧气浓度高、能耗高、氧化烧损大的问题，可以应用在电厂、钢铁厂、玻璃、陶瓷等众多需要炉窑加热的行业。

Description

一种工业炉窑燃烧工况监测新方法

技术领域

本发明专利属于热工检测技术领域。

背景技术

工业炉窑是通过把燃料转化为热能，并把物料加热到需要温度的热工设备。具体包括玻璃行业的玻璃窑、陶瓷行业的隧道窑、钢铁行业的工业炉等。在工业炉窑中燃料转化为热能的过程需通过燃烧实现，燃烧需要空气中的氧作为助燃剂，在燃烧过程中加入合适的氧量非常关键，氧量不足会造成燃烧不完全，燃料烧不完，排到大气造成能源损失和环境污染。氧量加入过度造成物料发生氧化反应，例如钢铁行业加热的坯料，加热后在高温下会生成氧化铁皮，其危害一是产生损耗，二是造成板坯在后续加工中的产品质量。

因此在燃烧的工程中控制加入氧量非常关键，氧量加入量的合适与否可通过空气过剩系数来反映，理论上最佳的空气过剩系数是1，但是在实际的燃烧过程中，受炉型结构、燃气种类和压力、助燃空气预热温度等多因素影响，存在一个大于1的最佳空气过剩系数，将燃烧控制在最佳空气过剩系数的范围内，就可以实现最佳燃烧，实现最少的燃耗、最少的污染。理论的空气过剩系数可以根据燃料的组份或热值计算确定。但是在根据此理论值配置出相应的燃气、空气量后却不能保证能实现最佳燃烧，主要原因是工业炉在加热的过程中是一个动态的过程，无论是煤气压力的波动，助燃空气温度的变化，都会影响空气过程系数的变化，使其偏离原来设定的最佳空气过剩系数。空气消耗系数是一个需要不停调整的参数。如何能随时知道炉内的实际空气过剩系数是解决问题的关键。

以往的技术采用在工业炉窑出口处烟道中检测低温烟气中的残氧量的办法，来推测工业炉窑中的残氧量，进而对设定的空气过剩系数进行修正。如专利“工业炉高温直插式氧化锆氧量计”(专利公开号：CN85100958)介绍了一种适用于工业炉高温处氧量测量的氧化锆氧量计，检测温度为600-1000℃。该办法的主要问题是由于检测出的是烟道中的残氧量，不是工业炉窑中的残氧量，而燃烧是发生在工业炉窑中，而不是在烟道中，所以即使测得了烟道中全炉的总残氧量，也无法知道发生燃烧的工业炉窑中每个炉段的空气过剩系数到底是多少？正因如此使得该方法目前基本被放弃使用。

针对以上情况，开发一种可以直接获得发生燃烧的各炉段空气过剩系数的方法非常有必要，该系数实时反应了煤气压力波动、助燃空气温度等对空气过剩系数的影响，因此对于手动操作的炉子，可以供操作人员用于对燃烧系统的空气量、煤气量进行调节，使空气过剩系数保持在最优空气过剩系数的范围，实现最佳燃烧，对于配置有燃烧自动控制的炉窑也可以作为输入量加入控制系统，作为各炉段空燃比控制的反馈量，实现优化燃烧。

发明内容

本发明专利的目的就是为了直接诊断出工业炉窑各炉段的气氛(氧化性或还原性)，通过将炉子的空气过剩系数控制在最佳燃烧区而实现炉窑最佳燃烧，实现节能、减少污染。

本发明专利的目的可以通过如下的技术方案实现：

可以在一座对工业炉窑上不同炉段分别安装氧探头，氧探头必须带有耐高温的保护套管，能保证在炉温1400～1600℃下使用，氧探头的安装位置可以是炉子上原有的热电偶检测孔或另外开孔，但要保证具体的位置没有明火焰，燃烧基本完成，以高温烟气为主的区域，根据烧嘴的布置情况，对于炉宽较长，炉段内气体分布不均的炉窑，可以在同一个炉段内安装不止一个氧探头，氧探头采用的是氧化锆氧传感器，氧探头采用陶瓷保护管，解决了以往的技术首先由于测氧仪器的不耐高温，无法在超过1000℃的高温炉气中使用，导致无法监控炉内的气氛。直插式结构，参比用气通过泵吸入，信号通过变送器送出。

测得的各炉段残氧量送往计算模块，同时输出各炉段的燃气量和空气量，计算模块中安装有对应不同燃料的残氧量-空气过剩系数对应图表，知道烟气含氧量后可以从图表中查出空气过剩系数，也可由以下常规公式计算获得，此即为实际空气过剩系数，模块中安装有判断模块，可以根据该空气过剩系数判断出炉子是中性还是氧化性气氛，是否处于最佳燃烧区，如果不在最佳燃烧区就报警，并由计算机输出实际空气过剩系数，操作人员或控制系统对空气，燃气量进行调整，再次对各炉段的残氧量进行检测，形成系统的闭环控制，使系统能始终保持在最佳燃烧控制区。

图为工业炉燃烧工况检测流程图

下面结合图对本发明专利做进一步说明。

在工业炉窑1上装设氧探头2一根或多至n根，工业炉窑1可以是加热炉、热处理炉、陶瓷窑等任何以消耗能源转化为热的热工设备，氧探头2为高温直插型，耐温范围在600～1600℃，直接插入高温烟气中，在一台加热炉上可以安装1～n根，具体可以在每个炉段安装1根或n根，安装的位置可以是专门位置开设的测孔，也可以直接使用热电偶的测孔，氧探头用的参比气由气泵8提供。氧探头可以同时测得烟气氧含量和炉温，该信号送入空燃比检测仪3，在空燃比检测仪3中信号经变送器4、A/D模数转化器5转化为数字信号送到智能控制器6进行处理，智能控制器6可以是触屏处理系统或其他任何类型具备编程计算和图表输出的智能控制器，通过智能控制器6可以获得氧含量、炉温和空气过剩系数的连续曲线，显示在显示器10，当工业炉窑1偏离最优燃烧控制系统时则输出声光报警到7，提醒操作人员调解空燃比，使炉子回到最佳加热区加热。空燃比监测仪3中的设备4、5、6、7均有电源9供电，空燃比检测仪可以不使用外界电源。电源9可以是蓄电池，也可以是外接电源，配置UPS系统。

附图说明

图为工业炉燃烧工况检测流程图

工业炉窑1高温直插型氧探头2空燃比检测仪3氧信号和炉温变送器4A/D模数转化器5一体化触屏系统6声光报警器7参比气气泵8电源9图表显示器

具体实施例

配置1个高温直插型氧探头，测量范围600～1400℃，长度1400毫米，从炉顶热电偶孔插入，配置家用泵采集参比用空气，电源由空燃比监测仪提供，采用的氧信号采用0～10mA输出，变送器采用RS485进行隔离通讯。监测仪自带电源，测得的炉温信号和残氧信号输入燃烧工况监测仪，检测仪对炉温、残氧量进行连续监测记录，同时输出实际空气过剩系数数据和曲线，炉子各段的空气量、燃气量、目标空气过剩系数由面板人工输入，如对于天然气可以选取空气过剩系数为1.05～1.1，允许的误差可由面板输入，将检测到的实际空气过剩系数与目标值进行比较，当实际空气过剩系数偏离目标空气过剩系数超出范围时就报警，操作人员可以据此调节空燃比，使炉子保持在最佳加热区加热。

Claims (7)

1.一种工业炉窑燃烧工况监测的新方法，其特征在于：开发一种燃烧监测系统来实现对实际空气过剩系数的连续监测，通过调节炉子控制系统使工业炉能始终维持在低氧浓度的优化加热区工作。燃烧工况监控系统由直插氧探头、变送器、模数转换器的数据处理，一体化触屏系统及设定的算法组成，可在线连续测得实际空气过剩系数，当炉窑系统脱离最佳加热区间时会发出报警和输出记录曲线，提醒操作人员调节工业炉。实现了工业炉窑在中性或弱氧化气氛中完成加热，节约了能源，减少了排放。

2.权利要求1所说的工业炉窑，其特征在于通过消耗能源转化为热来加热物料的热工设备，可以是加热炉、热处理炉、陶瓷窑等任何一种热工炉窑。

3.权利要求1所说的燃烧监控系统，其特征在于：可以对高温炉内的实际空气过剩系数进行连续监测，通过与设定的目标空气过剩系数进行比较，判断炉子是否实现了最佳燃烧，系统主要包括氧探头、数据处理、智能控制器和图表输出及报警。

4.权利要求1所说的高温型直插氧探头，其特征在于：使用温度最高可达1600℃，直接插入需要测氧的高温烟气中，监测时采用自带的电源和泵，提供能源和参比气，不需要外界提供任何介质和能源，一个炉子可以安装1～n根。安装的位置可以是炉子上原有的热电偶检测孔或另外开孔。

5.权利要求1所说的一体化触屏系统，其特征在于：可以是任何可以完成计算和图表输出的智能控制器，其通过计算确定实际空气过剩系数，通过比较确定炉子是否处于最佳燃烧区。

6.权利要求1所说的报警和记录输出，其特征在于当实际空气过剩系数偏离目标空气过剩系数超过允许范围时，燃烧监测系统发出声光报警或画面报警，并输出包括炉温、氧浓度和实际空气过剩系数的记录曲线，供操作人员分析。

7.权利要求1所说的操作人员调节，其特征在于当实际空气过剩系数偏离目标空气过剩系数时，操作人员可以人工调节空燃比，改变空气量，或将该数据输出燃烧自动控制系统进行自动调节。

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