工业锅炉、窑炉气氛氧含量在线测量与控制系统

我公司前身是东南大学四达仪器开发公司，于2009年5月更名登记为江苏东南四达仪器科技有限公司。长期以来，我公司为用户提供工业炉窑控制系统的设备制造和现场工程服务。为用户提供从技术咨询、方案设计、系统配套、设备制造、现场安装、生产调试到人员培训的全套技术服务。

燃油、燃气工业窑炉控制系统包括炉温和燃烧控制子系统、烟气氧含量在线检测和控制子系统、炉膛正压在线检测和控制子系统等。

对燃油、燃气工业炉窑的烟气氧含量进行在线检测和控制，是为了获得最佳的燃烧效果和工艺质量。因为不论烟气的氧含量是偏高还是偏低，都会产生一些不利影响。下面，我们分两种情况来进行讨论：

一、烟气中氧含量较高的情形

这种情况下，说明燃料（油或气）燃烧后剩余空气较多（即剩余空气系数较大），这样会产生以下2个不利后果：

1、 剩余空气量大，由烟气带走的热量就多，热效率低，浪费燃料。大量事实说明：燃油、燃气炉热损失的绝大部分是由于烟气带走了热量。因为进入炉内的空气是冷的，变成烟气后温度较高，冷空气需要吸收大量的热量才能变成热的烟气。把剩余空气的量减少到适当程度，会明显地提高热效率，节约燃油或燃气。

2、 剩余空气量大，炉膛内氧含量偏高，气氛的氧化性强，被加热的金属工件或其它工艺品等表面会被氧化，破坏工件的理化性能和表面色彩。

二、烟气中氧含量偏低的情况，

在这种情况下，会造成燃料的燃烧不完全。由此会造成3个不利后果：1、浪费燃油；2、炭黑较多；3、污染严重。

因此，烟气中氧含量既不能过高，也不宜过低。保持在3～5%范围内比较适宜，由于空气中氧含量约为20.6%，因此空气剩余系数大约为15～25%比较合适。

所以，一般来说，比较完整的燃油/燃气炉的控制系统除了应有炉温控制部分外，还应该有烟气氧含量的在线检测和控制系统。

氧含量的在线检测和控制系统主要包括氧传感器——氧化锆氧探头、氧含量变送器（氧分析仪）、PID调节器、变频器或电磁调速器、鼓风机等。

在炉子烟道的合适位置安装一支氧含量传感器——氧探头，氧探头伸进烟道内；氧探头的氧势信号送给氧量变送器（分析仪）的信号输入端，氧量分析仪（变送器）的变松信号送给一只PID调节器（仪表），PID调节器控制变频器或电磁调速器，再由变频器或电磁调速器控制鼓风机马达的转速，达到调节风量和风路压力，改变烧嘴喷入炉内的空气/燃油（燃气）混合比，调节炉内气氛残氧含量的目的。

在炉子的烟道上安装一支氧含量传感器——氧探头，氧探头伸进烟道内。氧探头的电信号输入给氧分析仪，氧分析仪根据氧探头的电信号进行软件处理与换算，显示出氧含量，同时输出一个与氧含量成线性关系的模拟量信号，该模拟量信号再输入给一只PID调节器，由PID调节器控制变频器或电磁调速器，从而控制鼓风机马达的转速，达到调节风量大小（风道压力）、控制窑炉烟气氧含量的目的。该部分控制系统的物理构成见图2。

当氧探头检测到烟道内的烟气氧含量较大时，氧含量分析仪的输出信号变大，PID调节器输出的控制量减小，鼓风机马达转速降低（风路压力降低），燃油/燃气烧嘴喷入炉内的空气/燃料混合比变小，燃烧后剩余空气量减小，烟气中氧含量降低；反之，当氧探头检测到烟气中氧含量降低到允许的最小值以下时，鼓风机转速加快，风路压力加大，烧嘴喷入炉内的空气/燃油的混合比变大，燃烧后剩余空气量加大，烟气中氧含量升高。

由以上说明可知，PID调节器的控制方式是反控制（类似于制冷控制）。就是说，当检测到的实时量（烟气氧含量）变大时，输出的控制量减小；当检测到的实时量变小时，输出的控制量增大。

但如果保持风路压力不变（鼓风机马达转速保持不变），而采用PID调节器和变频器控制油泵马达转速的话，则应采用正控制方式。即：当检测到的实时量（烟气氧含量）变大时，输出的控制量增大，油泵马达转速加快，空气/燃油混合比减小；当检测到的实时量变小时，输出的控制量增大，控制油泵马达转速的变频器频率加大，油路压力加大，空气/燃油混合比减小，烟气中氧含量也减小。

但大多数情况下，都是保持油泵转速恒定，通过调节风量来调节烟气中的氧含量。

需要说明的是，氧探头的氧势信号不能直接输入给PID调节器进行显示和控制。因为氧探头的氧势信号只能反映参比气（空气）中氧分压与被测量气氛（炉内气氛）中氧分压之比值。氧势与参比气氧分压、炉内气氛氧分压的关系式为：

E=0.0215T(K)ln(P1/P2) …………（1）

其中： E 探头氧电势输出值(mV)

T(K) 被测气氛的绝对温度值

P1 参比气氧分压

P2 被测气氛氧分压

由（1）式可知，氧探头的氧势信号并不能直接反应被测气氛的氧含量，必须经过氧分析仪的软件运算才能变换成被测气氛中的氧含量，然后显示出来。因此也就可知，必须通过氧分析仪达到以下2个目的：（1）把氧势信号换算成氧含量并显示出来；（2）把氧势信号变换成与一个氧含量范围（例如0～21%）成线性关系的标准电信号（DC0～10mA、DC4～20mA、DC0～5V、DC1～5V之一种）。与氧含量称线性关系的标准电信号输入给PID调节器，PID调节器才能进行设定值的控制。

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