数字化氧化稿氧分析仪的实现

1 引言 巨化硫酸厂硫酸生产装置是以硫铁矿及硫精砂为原料生产硫酸的，稳定焙烧炉出口二氧化硫浓度对整个生产过程具有极为重要的意义。目前一般是靠调节焙烧炉的投矿量来维持炉气中二氧化硫浓度的稳定。那么如何调节投矿量呢？通过测量焙烧炉出口的含氧量，来实现投矿量的自动调节，可以控制焙烧炉的最佳焙烧状态。本厂氧化镐氧分析仪原来使用模拟二次表，后来改为折线法测量，这两种方法测量范围小，误差大。在2004年的硫酸装置大修中，对氧化镐氧分析仪进行了数字化改造，改造后测量精度得到了大幅度地提高。 2 氧化镐氧分析仪测量原理 过程氧含量分析仪大致可分为两大类。一类是根据电化学法制成，如原电池法、固体电解质法和极谱法等；另一类是根据物理法制成，如热磁式、磁力机械式等。氧化镐氧分析仪属于固体电解质法氧量分析仪，具有结构简单，稳定性好，灵敏度高，响应快，价格便宜等优点，因而得到了大面积的推广和应用。 氧化镐在高温下（600℃以上）具有传导氧离子的特性，氧化镐两侧涂上多孔铂电极，当两侧气体中的氧浓度不同时，会发生如下反应： 阴极（氧浓度高） O2 + 4e → 2O2- 阳极（氧浓度低） 2O2- -4e → O2 这样，就构成了以氧化镐管为电解质的浓差电池，两极之间的电动势由能斯特公式求得： ………………………(a) E……电池电势…………………………xxx 豪伏 R……气体常数…………………………8.314焦耳/克分子•度 T……绝对温度，单位K…………………973.15开尔文 N……参加反应的电子数，……………4 F……法拉第常数………………………96500库仑/克分子 PA……参比气体氧浓度…………………20.60% PX……被测气体氧浓度 由公式可知，如果温度固定，那么电池电动势E只与被测气体氧浓度PX一个变量有关，即测得电动势E，便可求得混合气体中的氧浓度。一方面要求电炉温度稳定，一方面要测得氧化镐的电动势。氧化镐氧分析仪的数字化改造就是按照这两个方面进行的。 3 氧化镐氧分析仪的数字化改造 3.1 氧化镐氧分析仪的电炉温度控制方案 我们考虑到温度过高对电炉丝的寿命不利，因此把温度定的低一些，要求控制在650±2℃，采用K型热电偶测量，PID单回路控制系统，通过晶闸管调整器来稳定电炉温度，控制功能由DCS完成。电炉温度控制方案中，晶闸管调整器选用北京市朝阳自动化仪表厂的“单相调压型晶闸管调整器”，型号PS12P-I2010N，接受4-20mADC控制信号，工作电流10A。控制的氧表电炉功率为800W。电炉温度调节框图如下： 3.2 在DCS系统中建立氧化镐氧分析仪模块 根据氧化镐的特性，在DCS系统中建立氧化镐毫伏－氧含量计算模块： 因为温度控制在650±2℃，可以认为温度是一个定值，所以由(a)式可知，PX为未知量，其余为已知量，推导出求得PX的公式。 因此，DCS中的氧化镐氧分析仪模块图如下： 在DCS系统生成这个测量模块。DCS系统为和利时的SmartPro DCS系统，通过其ST语言（结构化文本）来生成测量模块，程序如下： 氧化镐氧分析仪模块中温度T可以作为变量来处理，对氧量值进行修正；但也作可以为常量处理，因为温度变化比较小，产生的误差可以忽略，小于万分之零点三。T作为变量处理，就把现场温度测量值连接到模块的T输入端；若作为常量处理，就给模块的T输入端赋一个常量---650。还应该考虑的是mV-mADC转换器的量程，按照氧表炉温650℃，量程0-10％来推算，算出氧化镐的电动势范围：14.37mV-105.94mV。我厂选定的转换器是北京维盛新仪科技有限公司的WS1523，量程定制。 4 数字化氧化镐氧量分析仪的实际使用效果 分析仪的电炉温度控制得非常稳定，达到了650±2℃的预定要求。下图为改造后温度曲线图（历史曲线图的时间段为24小时）： 从具体的使用过程中看，氧化镐氧分析仪的指示精度很高。氧含量的准确测量，为焙烧炉的经济焙烧提供了可靠依据。下图为改造后氧含量曲线图（长突起部分为断矿时间段）： 模拟氧化镐氧分析仪是用电子线路完成测量公式，不仅有系统误差，而且电路始终存在维护及寿命问题，而数字化氧化镐氧分析仪则不存在这个问题。 与模拟氧化镐氧分析仪相比，数字化氧化镐氧分析仪有很大的优势，但两者也有共同点，就是取样系统，这部分的维护量是一样的。下图氧化镐氧分析仪应用示意图，左半部分为取样系统。 在改进测量系统的同时，还要求加强维护力度，以减少取样管路引起的测量不正常，这是很重要的一部分，有了取样管路的正常工作，测量准确才真正有意义。 5 结束语 这次对氧化镐氧分析仪的数字化改造是非常成功的，对稳定硫酸系统生产，减轻岗位操作人员的劳动强度作出了较大的贡献，为焙烧炉实现经济焙烧打下了基础。改造后渣灰的平均含硫量下降，具有直接经济效益；同时减少了SO3和升华硫的产生，具有间接经济效益和环保效益。 在DCS系统中，可以开发出“数字化氧化镐氧分析仪”，同样可以开发出“数字化温度压力补偿仪表”，也可以开发出“闪光报警器”。和利时SmartPro DCS系统，开发这类功能仪表比较高效。数字化氧化镐氧分析仪模块中有复杂的指数运算，而编程实现该功能却非常容易。只要我们掌握仪表的测量原理和DCS系统的知识，一定可以开发出适合本厂实际的数字化仪表来。 参考文献 [1] 仪表工手册 化学工业出版社 1998年4月 [2] SmartPro系统使用手册 北京和利时系统工程股份有限公司 2004年8月 [3] MACSTM硬件手册 北京和利时系统工程股份有限公司 2003年9月