摘要：在高爐生產(chǎn)中O2分析有著重要應(yīng)用。對熱風(fēng)爐熱廢氣殘氧分析有助于了解燒爐情況；在熱廢氣被引用于噴吹系統(tǒng)烘干煤粉時，殘氧分析可保障系統(tǒng)的安全性以及檢驗系統(tǒng)的氣密性。本文介紹O2分關(guān)鍵詞：O2分析儀原理應(yīng)用改造 1 O2分析在高爐生產(chǎn)中的作用 熱風(fēng)爐燒爐將高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、助燃空氣混合點燃。對其產(chǎn)生的熱廢氣進(jìn)行殘氧分析，可以了解各種燃燒成分的配比是否合適。如果O2含量偏低，說明助燃空氣已經(jīng)耗盡，煤氣有剩余，燃燒不能充分進(jìn)行，可適當(dāng)加大助燃空氣的供給量；如果O2含量偏高，說明助燃空氣量大，剩余的助燃空氣會帶走部分熱量，影響燒路效果。所以可以根據(jù)對熱廢氣殘氧含量的檢測，適時調(diào)整燃燒成分的配比以達(dá)到最佳效果。 在噴煤過程中，煤粉在高溫狀態(tài)下與熱風(fēng)爐熱廢氣混合。如果熱廢氣中O2含量偏高，有可能發(fā)生燃燒甚至爆炸事故。所以在煤、氣混合之前的磨機(jī)入口對熱廢氣進(jìn)行殘氧分析，可保證系統(tǒng)的安全運行。由于噴煤工藝對系統(tǒng)的氣密性要求較高，在系統(tǒng)末端布袋出口也進(jìn)行殘氧檢測并和磨機(jī)入口氧含量進(jìn)行比對，可以判斷整個過程的氣密性。如果O2含量上升幅度較大，說明有外界空氣進(jìn)入，設(shè)備有泄漏現(xiàn)象。 2 O2分析儀工作原理 現(xiàn)在經(jīng)常使用的O2分析儀器有熱磁式氧量計和氧化鋯氧量計。 2.1 熱磁式氧量計工作原理 熱磁式氧量計是根據(jù)氧的磁導(dǎo)率特別高這一物理特性制成的。 任何物質(zhì)在外磁場的作用下都會被磁化，顯示出磁性。磁化的程度用磁化強(qiáng)度矢量M表示，若外磁場的強(qiáng)度為H，則有： 式中k是反映介質(zhì)磁性的系數(shù)，稱為容積磁化率。若k＞1，則此物質(zhì)為順磁性物質(zhì)。 在熱廢氣中，只有O2、CH4為順磁性物質(zhì)，而CH4為的含量極低可以忽略。所以測得混合氣的容積磁化率就可以得出O2含量。 在居里公式中： K＝CMp/（RT2） 式中： C為居里常數(shù)； M為氣體分子量； p為氣體壓力； R為氣體常數(shù)； T為熱力學(xué)溫度。 可以看出，順磁性氣體磁化率k與氣體壓力成正比，與氣體熱力學(xué)溫度的平方成反比。也就是說：在壓力不變的情況下，k隨溫度的升高而迅速減小。 如果有一不均勻磁場置于順磁性氣體附近，順磁性氣體受磁場吸引進(jìn)入通道。在進(jìn)入不均勻磁場的同時，對氣體加熱，氣體溫度升高，磁化率迅速降低，受磁場的吸引力減小，從而受后邊磁化率高的氣體推擠，排出磁場，于是在水平通道不斷有順磁性氣體流過，形成磁風(fēng)，如圖1所示。 由物理學(xué)可知，在磁場強(qiáng)度為H，場強(qiáng)梯度為dH/dx的磁場中，x方向的磁力為： Φ為混合氣中的O2含量； k為O2的磁化率。 設(shè)氣樣進(jìn)入水平通道前溫度為T1，對應(yīng)容積磁化率為k1。進(jìn)入通道被加熱后分別轉(zhuǎn)變?yōu)門2、k2，氣體壓力p保持不變，則磁力： 當(dāng)磁場強(qiáng)度、場強(qiáng)梯度、氣體溫度、壓力都不變的情況下，磁力F只與O2的含量φ有關(guān)。所以可以根據(jù)檢測磁力F來反映O2含量。 2.2 氧化鋯氧量計工作原理 以氧化鋯作為固體電解質(zhì)，高溫下的電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度會不同時形成濃差電勢，此電勢與兩側(cè)氧濃度有關(guān)。如一側(cè)氧濃度固定，可通過輸出電勢測量另一端的氧含量。 電勢可由能斯脫公式計算： 式中： R為氣體常數(shù)； T為熱力學(xué)溫度； n為反應(yīng)時所輸送的電子數(shù)，對氧n=4； F為法拉第常數(shù)； Φ2為參比氣體中氧的容積成分； Φ1為被側(cè)氣體中氧的容積成分。 在實際使用中，常用空氣做為參比氣體，即（Φ2 =20.8％為定值。如果工作溫度T一定，則氧濃差電勢與被側(cè)氣體中氧含量的對數(shù)成反比。測量混合氣體的氧濃差電勢就可得出氧含量。 3 O2分析儀在高爐生產(chǎn)中的應(yīng)用 下面結(jié)合O2分析儀在宣鋼煉鐵廠高爐生產(chǎn)中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。煉鐵廠噴吹系統(tǒng)殘氧分析使用的是熱磁式氧量計；熱風(fēng)爐熱廢氣殘氧分析使用氧化鋯氧量計。 3.1 熱磁式氧量計的應(yīng)用 （1）取氣方式 在噴吹系統(tǒng)中，被檢測氣所受力為吸力，管道內(nèi)為負(fù)壓，不能直接開孔引氣。對此，煉鐵廠在實際應(yīng)用中分別使用了干式引氣法和濕式引氣法。 干式引氣就是采取直接引氣的方式，用氣泵直接從管道上抽氣，經(jīng)過過濾除雜后進(jìn)行檢測。由于被檢測氣熱廢氣所含雜質(zhì)較多，所以系統(tǒng)加強(qiáng)了對氣樣的過濾并設(shè)置了定時排水、定時吹掃管路。同時設(shè)置了氣樣濕度報警、氣樣流量報警、吹掃氣源壓力報警，只要出現(xiàn)報警情況，系統(tǒng)就會停止工作，有較強(qiáng)的自我保護(hù)功能。 濕式引氣就是采用以水帶氣的方法。將水管和引氣管對接，中間用引射器結(jié)合，被分析氣和水融合，通過抽水把氣樣引入儀器中。用此方法關(guān)鍵在于保證引水路徑的暢通，所以要做好引射器的清潔工作，還要做好冬季防凍工作。 （2）常見故障處理 使用干式引氣法的分析儀曾出現(xiàn)以下故障： 1）測量數(shù)值較標(biāo)準(zhǔn)分析值偏高。在抽取氣樣的管路中，只要有細(xì)微的泄漏，就會使外界空氣進(jìn)入，從而使測量數(shù)值偏高。所以要對管路上的閥門、法蘭連接和焊口進(jìn)行嚴(yán)格檢查。在檢驗時，可在一次取氣點通入標(biāo)準(zhǔn)樣氣，如果測量值接近標(biāo)準(zhǔn)值，說明系統(tǒng)氣密性良好。 2）氣樣濕度報警。由于熱廢氣中還有水蒸氣，所以在進(jìn)入分析儀之前要進(jìn)行過濾并定時將濾出的水排出。出現(xiàn)濕度報警要重點檢查濾紙和排水的蠕動泵，進(jìn)行及時的更換。 3）氣樣流量報警。氣樣流量不在規(guī)定范圍之內(nèi)，也將影響正常工作。出現(xiàn)此類問題要檢測氣泵是否正常工作。若氣泵正常，檢查導(dǎo)氣管內(nèi)是否有雜質(zhì)進(jìn)入，是否有阻塞現(xiàn)象，進(jìn)行及時清除。 4）吹掃氣源壓力報警。每20min要用氮氣對引氣管路進(jìn)行吹掃，如果氮氣壓力太低將影響吹掃效果。要保證吹掃氣源持續(xù)供應(yīng)，壓力穩(wěn)定。 此外，氣泵長期工作需要經(jīng)常檢查。如發(fā)現(xiàn)電機(jī)過熱，膜片振動異常等情況，要及時進(jìn)行停機(jī)處理。 使用濕式引氣法的分析儀，主要問題是引氣管路阻塞，其中又以引射器阻塞居多。由于引射器孔徑只有1mm，而水源中的雜質(zhì)較多，加上水銹經(jīng)常使得引射器阻塞。對2004年5月至2005年5月的儀器維護(hù)記錄進(jìn)行統(tǒng)計，在分析儀出現(xiàn)的10次故障中，因為引射器阻塞引起的就有8次，占總數(shù)的80％。 為了解決這個問題，對取氣設(shè)備進(jìn)行了如下改造：擴(kuò)大引射器的孔徑，由原先的1mm擴(kuò)大為3mm；加裝水泵，加大水流量；在水源處加過濾裝置，凈化水源；加強(qiáng)日常點檢，對引射器進(jìn)行清理。改造后，故障率大大減少，起到了預(yù)期效果。 3．2 氧化鋯氧量計的應(yīng)用 按測量方式分類，氧化鋯氧量計可分為抽出式和直插式，熱風(fēng)爐熱廢氣殘氧分析使用的是直插式。將一端封閉的氧化鋯管直接插入熱風(fēng)爐后煙道內(nèi)，氣泵分別抽取廢煙氣和空氣（參比氣），使它們以一定的流速通過氧化鋯管兩側(cè)。同時，用溫控裝置將工作溫度穩(wěn)定在800℃。此外，加裝過濾器，防止氧化鋯管受到污染。 使用和維護(hù)過程中，要注意以下問題： （1）氧濃差電勢與氧化鋯管工作時的熱力學(xué)溫度成正比，所以要保證工作溫度穩(wěn)定，否則會加大誤差。 （2）氧化鋯管材料的致密性要好，純度要高，要絕對避免污染。如氧化鋯管沾染雜質(zhì)，特別是鐵元素，會大大降低輸出電勢。 （3）要保持被測氣體和參比氣體的暢通流動，保持兩者壓力平衡，這就要求引氣管路順暢，以便氣體的不斷更新。 來源：中國儀器儀表