分析在高炉生产中的应用

摘要：在高炉生产中O₂分析有着重要应用。对热风炉热废气残氧分析有助于了解烧炉情况；在热废气被引用于喷吹系统烘干煤粉时，残氧分析可保障系统的安全性以及检验系统的气密性。本文介绍O₂分关键词：O₂分析仪原理应用改造 1 O₂分析在高炉生产中的作用 热风炉烧炉将高炉煤气、焦炉煤气、助燃空气混合点燃。对其产生的热废气进行残氧分析，可以了解各种燃烧成分的配比是否合适。如果O₂含量偏低，说明助燃空气已经耗尽，煤气有剩余，燃烧不能充分进行，可适当加大助燃空气的供给量；如果O₂含量偏高，说明助燃空气量大，剩余的助燃空气会带走部分热量，影响烧路效果。所以可以根据对热废气残氧含量的检测，适时调整燃烧成分的配比以达到最佳效果。 在喷煤过程中，煤粉在高温状态下与热风炉热废气混合。如果热废气中O₂含量偏高，有可能发生燃烧甚至爆炸事故。所以在煤、气混合之前的磨机入口对热废气进行残氧分析，可保证系统的安全运行。由于喷煤工艺对系统的气密性要求较高，在系统末端布袋出口也进行残氧检测并和磨机入口氧含量进行比对，可以判断整个过程的气密性。如果O₂含量上升幅度较大，说明有外界空气进入，设备有泄漏现象。 2 O₂分析仪工作原理 现在经常使用的O₂分析仪器有热磁式氧量计和氧化锆氧量计。 2.1 热磁式氧量计工作原理 热磁式氧量计是根据氧的磁导率特别高这一物理特性制成的。 任何物质在外磁场的作用下都会被磁化，显示出磁性。磁化的程度用磁化强度矢量M表示，若外磁场的强度为H，则有： 式中k是反映介质磁性的系数，称为容积磁化率。若k＞1，则此物质为顺磁性物质。 在热废气中，只有O₂、CH₄为顺磁性物质，而CH4为的含量极低可以忽略。所以测得混合气的容积磁化率就可以得出O₂含量。 在居里公式中： K＝CM_p/（RT²） 式中： C为居里常数； M为气体分子量； p为气体压力； R为气体常数； T为热力学温度。 可以看出，顺磁性气体磁化率k与气体压力成正比，与气体热力学温度的平方成反比。也就是说：在压力不变的情况下，k随温度的升高而迅速减小。 如果有一不均匀磁场置于顺磁性气体附近，顺磁性气体受磁场吸引进入通道。在进入不均匀磁场的同时，对气体加热，气体温度升高，磁化率迅速降低，受磁场的吸引力减小，从而受后边磁化率高的气体推挤，排出磁场，于是在水平通道不断有顺磁性气体流过，形成磁风，如图1所示。 由物理学可知，在磁场强度为H，场强梯度为dH/dx的磁场中，x方向的磁力为： Φ为混合气中的O₂含量； k为O₂的磁化率。 设气样进入水平通道前温度为T₁，对应容积磁化率为k₁。进入通道被加热后分别转变为T₂、k₂，气体压力p保持不变，则磁力： 当磁场强度、场强梯度、气体温度、压力都不变的情况下，磁力F只与O₂的含量φ有关。所以可以根据检测磁力F来反映O₂含量。 2.2 氧化锆氧量计工作原理 以氧化锆作为固体电解质，高温下的电解质两侧氧浓度会不同时形成浓差电势，此电势与两侧氧浓度有关。如一侧氧浓度固定，可通过输出电势测量另一端的氧含量。 电势可由能斯脱公式计算： 式中： R为气体常数； T为热力学温度； n为反应时所输送的电子数，对氧n=4； F为法拉第常数； Φ₂为参比气体中氧的容积成分； Φ₁为被侧气体中氧的容积成分。 在实际使用中，常用空气做为参比气体，即（Φ₂ =20.8％为定值。如果工作温度T一定，则氧浓差电势与被侧气体中氧含量的对数成反比。测量混合气体的氧浓差电势就可得出氧含量。 3 O₂分析仪在高炉生产中的应用 下面结合O₂分析仪在宣钢炼铁厂高炉生产中的应用情况进行分析。炼铁厂喷吹系统残氧分析使用的是热磁式氧量计；热风炉热废气残氧分析使用氧化锆氧量计。 3.1 热磁式氧量计的应用 （1）取气方式 在喷吹系统中，被检测气所受力为吸力，管道内为负压，不能直接开孔引气。对此，炼铁厂在实际应用中分别使用了干式引气法和湿式引气法。 干式引气就是采取直接引气的方式，用气泵直接从管道上抽气，经过过滤除杂后进行检测。由于被检测气热废气所含杂质较多，所以系统加强了对气样的过滤并设置了定时排水、定时吹扫管路。同时设置了气样湿度报警、气样流量报警、吹扫气源压力报警，只要出现报警情况，系统就会停止工作，有较强的自我保护功能。 湿式引气就是采用以水带气的方法。将水管和引气管对接，中间用引射器结合，被分析气和水融合，通过抽水把气样引入仪器中。用此方法关键在于保证引水路径的畅通，所以要做好引射器的清洁工作，还要做好冬季防冻工作。 （2）常见故障处理 使用干式引气法的分析仪曾出现以下故障： 1）测量数值较标准分析值偏高。在抽取气样的管路中，只要有细微的泄漏，就会使外界空气进入，从而使测量数值偏高。所以要对管路上的阀门、法兰连接和焊口进行严格检查。在检验时，可在一次取气点通入标准样气，如果测量值接近标准值，说明系统气密性良好。 2）气样湿度报警。由于热废气中还有水蒸气，所以在进入分析仪之前要进行过滤并定时将滤出的水排出。出现湿度报警要重点检查滤纸和排水的蠕动泵，进行及时的更换。 3）气样流量报警。气样流量不在规定范围之内，也将影响正常工作。出现此类问题要检测气泵是否正常工作。若气泵正常，检查导气管内是否有杂质进入，是否有阻塞现象，进行及时清除。 4）吹扫气源压力报警。每20min要用氮气对引气管路进行吹扫，如果氮气压力太低将影响吹扫效果。要保证吹扫气源持续供应，压力稳定。 此外，气泵长期工作需要经常检查。如发现电机过热，膜片振动异常等情况，要及时进行停机处理。 使用湿式引气法的分析仪，主要问题是引气管路阻塞，其中又以引射器阻塞居多。由于引射器孔径只有1mm，而水源中的杂质较多，加上水锈经常使得引射器阻塞。对2004年5月至2005年5月的仪器维护记录进行统计，在分析仪出现的10次故障中，因为引射器阻塞引起的就有8次，占总数的80％。 为了解决这个问题，对取气设备进行了如下改造：扩大引射器的孔径，由原先的1mm扩大为3mm；加装水泵，加大水流量；在水源处加过滤装置，净化水源；加强日常点检，对引射器进行清理。改造后，故障率大大减少，起到了预期效果。 3．2 氧化锆氧量计的应用 按测量方式分类，氧化锆氧量计可分为抽出式和直插式，热风炉热废气残氧分析使用的是直插式。将一端封闭的氧化锆管直接插入热风炉后烟道内，气泵分别抽取废烟气和空气（参比气），使它们以一定的流速通过氧化锆管两侧。同时，用温控装置将工作温度稳定在800℃。此外，加装过滤器，防止氧化锆管受到污染。 使用和维护过程中，要注意以下问题： （1）氧浓差电势与氧化锆管工作时的热力学温度成正比，所以要保证工作温度稳定，否则会加大误差。 （2）氧化锆管材料的致密性要好，纯度要高，要绝对避免污染。如氧化锆管沾染杂质，特别是铁元素，会大大降低输出电势。 （3）要保持被测气体和参比气体的畅通流动，保持两者压力平衡，这就要求引气管路顺畅，以便气体的不断更新。