氧化锆氧气传感器在循环流化床锅炉燃烧系统烟气氧含量控制中的应用

循环流化床（CFB，Circulating Fluidized Bed）锅炉作为一种高效且环保的燃烧设备，在发电厂和工业供热领域得到了广泛应用。它通过在炉膛内构建高速流动的颗粒床层，实现燃料的高效燃烧，并且具备处理多种燃料的能力，涵盖劣质煤、生物质等。为保障燃烧过程的高效与环保，精准控制烟气中的氧含量显得非常关键。

燃烧控制系统的特性

对循环流化床锅炉的燃烧系统进行分析可知，该系统具有多输入、多输出以及滞后性显著等非线性时变特征，各参数在强耦合状态下相互作用，具体表现如下：
其一，在控制某一参数时，往往受到多个条件变量的影响。例如，在控制烟气含氧量时，需对一级风量、二级风量、燃烧量等多个参数进行协同操作与调节。
其二，一个参数的调整又会对其他多个参数产生影响。比如，调节一次风量时，会波及床温、烟气含氧量等参数。因此，要重视并加强对锅炉燃烧效率的分析，首先需着重研究各参数之间的强耦合性。一般的自动控制系统难以胜任此任务，需采用有效方法对参数的过度变化情况进行控制。

循环流化床锅炉烟气氧含量的控制

控制烟气氧含量的主要目的在于提高循环流化床锅炉的燃烧效率，进而实现节能减排。而要提升锅炉的燃烧效率，关键在于确保燃料量与空气量达到最佳配比。若配比比例不当，无论是过大还是过小，都会降低锅炉的燃烧效率。
当空气比例过大时，会产生额外的能量损耗。由于空气中氮气占比达 79%，而氮气无法参与燃烧，且在燃烧过程中会吸收一定热量并排放到大气中，导致这些热量被带走。尽管此类能量损耗难以完全避免，但可通过有效手段加以控制。反之，若运行过程中空气比例过小，燃料将无法充分燃烧，不仅会造成燃料中热量的损失，还会产生氢气和一氧化碳等有毒可燃气体，对大气环境造成污染。因此，在确保炉膛内燃料充分燃烧的前提下，需有效控制锅炉炉膛的总风量，而烟气氧含量正是衡量空气是否不足或过剩的重要指标。

烟气氧含量的重要性

燃烧效率：适宜的氧含量能够确保燃料完全燃烧，提高燃烧效率，减少未燃尽的碳和其他污染物的排放。

环保要求：氧含量过高会导致氮氧化物（NOx）生成量增加，而氧含量过低则可能引发一氧化碳（CO）和其他不完全燃烧产物的增多。

经济性：优化氧含量有助于减少燃料消耗，降低运行成本。

控制策略

为有效控制烟气中的氧含量，通常可采用以下方法：

氧传感器监测

安装位置：在锅炉尾部烟道中安装高精度氧传感器（如氧化锆氧传感器），以实时监测烟气中的氧含量。

数据采集与分析：将传感器采集的数据传输至控制系统，进行实时监控与分析。

自动调节系统

风量控制：依据氧含量反馈信息，自动调节一次风和二次风的比例与流量，以维持理想的氧含量。

变频器控制：利用变频器调节送风机和引风机的转速，从而精确控制空气供给量。

燃烧优化

燃料与空气配比：优化燃料与空气的混合比例，在确保燃料充分燃烧的同时，避免氧气过剩。

分级燃烧技术：采用分级燃烧技术，通过分阶段供风，减少局部高温区域，降低 NOx 的生成。

闭环控制

PID 控制器：运用 PID（比例 - 积分 - 微分）控制器，根据设定的氧含量目标值与实际测量值之间的偏差，自动调整进风量。

自适应控制：结合机器学习算法，实现对不同工况下的自适应控制，进一步提升控制精度和响应速度。

适用于循环流化床锅炉氧含量监测的高精度氧化锆氧传感器：

工采网提供的英国SST 螺纹式高温氧化锆氧气传感器(O2传感器) - O2S-FR-T2-18C用于燃烧监视与控制，测量燃烧过程中烟气的含氧浓度，提高燃烧装置的燃烧效率、确定燃烧点，将有助于充分燃烧，减少CO2、SOx及NOx的排放，从而为防止全球变暖及空气污染做出贡献。

O2S-FR-T2-18C是氧化锆氧气传感器，敏感元件是氧化锆，采用两个氧化锆盘，在其中间是一个密封空间。其中一个盘起的功能是可逆氧气泵，依次充满样品气和抽空此小空间。另一个盘用于测量氧分压差比率，得到相对应的传感电压。氧化锆盘作为氧气泵运行时，需要的700°C的温度由加热元件产生(配套的电路板O2I-FLEX-092可以提供加热和线性模拟量输出功能。)。氧气泵使小空间范围内达到额定的小值和大值压力所花的时间和环境中氧分压值具有对应关系。

审核编辑 黄宇