張曉剛

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠， 湖北 黃石 435005)

設(shè)備及自動(dòng)化

澳斯麥特爐煙氣溫度檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

張曉剛

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠， 湖北 黃石 435005)

針對(duì)澳斯麥特爐上升煙道煙氣溫度檢測(cè)時(shí)接觸式溫度檢測(cè)元件易損的問(wèn)題，改進(jìn)測(cè)溫方式，采用二氧化碳紅外氣體測(cè)溫。文中介紹了二氧化碳紅外氣體測(cè)溫的原理、使用條件，通過(guò)對(duì)比闡述了二氧化碳紅外氣體測(cè)溫方式的優(yōu)越性，為同類型冶煉爐煙氣溫度檢測(cè)中存在的共性問(wèn)題提供了一種解決方案。

澳斯麥特爐； 煙氣溫度； 紅外CO2煙氣檢測(cè)； 煙氣濃度； 視場(chǎng)范圍

0 前言

目前世界上最大的、設(shè)計(jì)年產(chǎn)20萬(wàn)t銅的澳斯麥特爐已在大冶有色金屬有限責(zé)任公司投產(chǎn)近3年。澳斯麥特爐系采用低溫作業(yè)方式，即在滿足熔煉過(guò)程順利進(jìn)行的前提下盡可能降低熔池溫度并控制其溫度的穩(wěn)定，以延長(zhǎng)爐壽命。由于澳斯麥特爐的密封性較好加之還沒有有效的方法直接檢測(cè)熔池熔體的溫度，因此只能通過(guò)檢測(cè)熔爐出口上升煙道煙氣溫度，間接地反映熔池溫度并進(jìn)行控制。大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠針對(duì)原接觸式溫度檢測(cè)方式存在的元件易損、檢測(cè)成本過(guò)高的問(wèn)題，對(duì)檢測(cè)方式進(jìn)行改進(jìn)，采用紅外線溫度檢測(cè)，不僅降低了成本，并且能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)煙氣溫度。

1 存在的問(wèn)題

澳斯麥特爐出口上升煙道煙溫要求控制在1 000～1 200 ℃，最高不能超過(guò)1 300 ℃。最初設(shè)計(jì)采用R分度熱電偶檢測(cè)煙氣溫度，新爐投產(chǎn)初期情況較好，但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，熱電偶的使用壽命從最初的2個(gè)月左右逐漸縮短，一年后一只熱電偶的使用壽命僅有0.5～5 d，持續(xù)檢測(cè)一年消耗的熱電偶價(jià)值上百萬(wàn)元。熱電偶的消耗是生產(chǎn)企業(yè)一項(xiàng)巨大的支出，也是同型冶煉爐存在的共性問(wèn)題，因此生產(chǎn)單位只能放棄對(duì)該點(diǎn)的檢測(cè)。2012年大冶公司針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，以下三個(gè)因素影響熱電偶的使用壽命和精度：一、煙道震打裝置影響熱電偶?jí)勖欢?、結(jié)焦影響檢測(cè)元件的測(cè)量精度和壽命；三、高溫腐蝕影響檢測(cè)精度和元件保護(hù)套管強(qiáng)度。接觸式溫度檢測(cè)不適應(yīng)澳斯麥特爐煙氣的溫度測(cè)量，而采用非接觸式溫度檢測(cè)——紅外線測(cè)溫技術(shù)能夠很好地解決以上不足。

2 紅外線溫度檢測(cè)原理

紅外線測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是斯蒂芬一玻爾茲曼定律，對(duì)于溫度為T的目標(biāo)，其單位面積發(fā)射的紅外輻射功率W與T的關(guān)系為：

W=σεT4

(1)

式中：W為物體的輻射功率；ε為物體的發(fā)射率；σ為斯蒂芬常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

通過(guò)物體發(fā)射的輻射功率(可用探測(cè)器測(cè)量)和發(fā)射率(可查表或?qū)嶒?yàn)得到)，按照公式(1)就可求出其溫度。因此，通過(guò)測(cè)量物體自身輻射的紅外能量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定其表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

不同物質(zhì)能夠發(fā)出不同波長(zhǎng)的紅外線，紅外線的波長(zhǎng)范圍在0.75～1 000 μm。因此根據(jù)波長(zhǎng)的長(zhǎng)短可將紅外線光譜區(qū)分為四個(gè)波段，見表1。

表1 紅外線光譜區(qū)劃分 μm

因此，測(cè)量不同物質(zhì)的表面溫度需要選擇不同波長(zhǎng)的紅外線檢測(cè)裝置。測(cè)量煙氣溫度時(shí)，只需檢測(cè)某種特定的且能夠持續(xù)產(chǎn)生氣體的溫度，以此作為參照，該溫度能夠較為準(zhǔn)確地反映煙氣的溫度，所以選擇特定參照氣體是關(guān)鍵。澳斯麥特爐中參與燃燒的有煤、純氧、銅礦中的硫(少量柴油)，熔煉過(guò)程中，CO2氣體持續(xù)產(chǎn)生且濃度較為穩(wěn)定，所以選擇CO2作為煙氣溫度測(cè)量的參照氣體。

3 測(cè)量方法及效果

采用的測(cè)量方法：一、用CO2氣體紅外溫度儀直接檢測(cè)煙氣中CO2溫度；二、采用目前鋼廠高爐常用的辦法，用一臺(tái)波長(zhǎng)1～20 μm紅外測(cè)溫儀測(cè)量爐膛壁溫度，間接反映煙氣溫度。兩種檢測(cè)方式同時(shí)進(jìn)行，且用R分度熱電偶直接檢測(cè)煙氣溫度作為參照進(jìn)行比對(duì)。三個(gè)參數(shù)接入DCS系統(tǒng)，顯示、記錄各自數(shù)據(jù)和歷史趨勢(shì)。第一次截取了16 h測(cè)量變化趨勢(shì)，從結(jié)果看，熱電偶與爐壁溫度變化趨勢(shì)基本一致，但爐壁溫度變化趨勢(shì)波動(dòng)較大，CO2的溫度變化趨勢(shì)與熱電偶測(cè)得的溫度趨勢(shì)有較大差異。熱電偶與紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度值差異在50～100 ℃。

對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析，生產(chǎn)中由于爐壁不同程度掛焦，造成反射率偏差。因此，根據(jù)熱電偶實(shí)測(cè)溫度重新對(duì)爐壁紅外測(cè)溫儀進(jìn)行發(fā)射率調(diào)整。CO2紅外測(cè)溫儀輸出模式響應(yīng)時(shí)間較慢，改為峰值輸出以提高響應(yīng)速度。第二次截取92 h(一只熱電偶的使用壽命期)記錄趨勢(shì)，結(jié)果如下：

(1)3個(gè)溫度曲線趨勢(shì)變化基本保持一致，當(dāng)提噴槍時(shí)(停氧、停煤)，溫度聚降，三者反應(yīng)時(shí)間(降溫和升溫)基本同步。

(2)CO2紅外測(cè)溫曲線與熱電偶測(cè)溫曲線“包絡(luò)”性更好，重合度更趨一致。

(3)選取的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)(見表2)，CO2紅外測(cè)溫儀顯示的溫度值最高，爐壁紅外測(cè)溫儀反映的溫度值最低。

表2 不同時(shí)間點(diǎn)三種方式測(cè)得的溫度 ℃

原因分析：爐壁紅外測(cè)溫儀的紅外線照射在由冷卻水管構(gòu)成、不斷有循環(huán)冷卻水流動(dòng)的水冷壁上，生產(chǎn)中水冷壁上的溫度與煙氣溫度不可能達(dá)到平衡，同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中水冷壁內(nèi)墻不斷有熔融態(tài)的固態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生，其會(huì)粘敷在爐膛內(nèi)壁上(結(jié)焦)，水冷對(duì)焦體有降溫作用，且停爐期間這種作用表現(xiàn)的特別顯著。另外，焦體也對(duì)紅外發(fā)射率造成影響，物體的發(fā)射率主要取決于被測(cè)物質(zhì)的材料特性和表面狀態(tài)(材料厚度、氧化情況、涂層、粗糙度及污穢程度)，焦體成分隨處理原料的成分而變化，且焦體在爐壁上的分布也不均勻，其紅外發(fā)射率是變化的，而爐壁紅外線大多數(shù)情況下是焦體發(fā)出的，由此造成紅外線檢測(cè)的溫度變化較大且都低于熱電偶和CO2紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度。熱電偶考慮到使用壽命，實(shí)際中不可能插入煙道過(guò)深，這一檢測(cè)區(qū)域同樣受水冷壁冷卻作用的影響較強(qiáng)，并且上升的煙氣在這區(qū)域與煙道壁相互作用形成“冷氣”區(qū)域，造成熱電偶檢測(cè)的這一區(qū)域溫度不能完全代表煙道中部真實(shí)的煙氣溫度。紅外線CO2測(cè)溫儀檢測(cè)的是處于分子級(jí)受激態(tài)的熱CO2氣體，煙氣溫度升高時(shí)，CO2氣體在紅外光譜段的激勵(lì)也隨之增加，溫度讀數(shù)也相應(yīng)上升。由于溫度越高的氣體，產(chǎn)生的光譜越容易穿過(guò)選擇性濾光器，而工廠所選用的紅外線CO2測(cè)溫儀檢測(cè)視場(chǎng)達(dá)到30∶1，檢測(cè)視場(chǎng)較大，遠(yuǎn)離煙道壁附近低溫區(qū)域的高溫CO2氣體在視場(chǎng)中構(gòu)成的體積占絕對(duì)多數(shù)，視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的溫度讀數(shù)更能代表上升煙道截面的平均溫度，因此它反應(yīng)的煙氣溫度更真實(shí)。因此，CO2紅外測(cè)溫儀測(cè)量澳斯麥特爐煙氣溫度應(yīng)是目前最為有效的方法。

4 檢測(cè)儀的使用條件

要保證檢測(cè)的CO2氣體溫度的精度，CO2的濃度應(yīng)不低于8%.濃度過(guò)低則不具有代表性，且檢測(cè)的溫度比實(shí)際值偏低，誤差增大。只有濃度保持在10%～12%以上時(shí)，測(cè)量結(jié)果最精確。2012年廠化驗(yàn)室對(duì)澳斯麥特爐煙氣進(jìn)行了連續(xù)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，結(jié)果表明，CO2濃度在11%～13%之間，完全符合紅外檢測(cè)儀最佳使用條件要求。

保證檢測(cè)視場(chǎng)的最大化才能保證檢測(cè)的精確度。選用設(shè)備的視場(chǎng)范圍為30∶1，為準(zhǔn)確檢測(cè)該圓錐體視場(chǎng)范圍內(nèi)的CO2氣體溫度，就要確保這樣一只圓錐形的熱電偶能完全伸進(jìn)煙道并且足夠深。因此CO2紅外線檢測(cè)儀的安裝短管形成的平行視場(chǎng)也要滿足一定條件，使儀器鏡頭能完全接收?qǐng)A錐形視場(chǎng)范圍內(nèi)CO2氣體發(fā)出的紅外光線，在通過(guò)短管的平行視場(chǎng)時(shí)要求安裝短管不能把圓錐形的紅外光線“剪去”，這就要求安裝短管的直徑和長(zhǎng)度達(dá)到合理的要求，圖1為安裝短管直徑與長(zhǎng)度的最低要求對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 安裝短管直徑與長(zhǎng)度的最低要求對(duì)應(yīng)關(guān)系

CO2氣體紅外線測(cè)溫儀一般工作在環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)合，因此，必須對(duì)設(shè)備采取防護(hù)措施。要有持續(xù)干凈的空氣在紅外線鏡頭形成氣幕隔絕熱的氣體，同時(shí)還要用壓縮空氣持續(xù)對(duì)安裝短管內(nèi)部進(jìn)行吹掃，防止灰塵沾染鏡頭。最好采用儀用壓縮空氣，防止一般壓縮空氣中的油滴污染鏡頭。此外還要進(jìn)行外殼水冷，以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，在安裝和煙氣條件符合要求的前提下，CO2紅外測(cè)溫儀替代接觸式測(cè)溫元件可行，替換工作的費(fèi)用僅為一年所消耗熱電偶的最低費(fèi)用。改造完成后，維護(hù)工作量大幅下降。但是，目前測(cè)量短管口結(jié)焦問(wèn)題還沒有徹底解決，需要定期人工清理。CO2紅外測(cè)溫儀測(cè)量范圍越大，設(shè)備的價(jià)格就越高，被測(cè)溫度范圍要考慮準(zhǔn)確、周全，不能過(guò)窄，也不能過(guò)寬。測(cè)溫儀的測(cè)溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高，精確度越高， 測(cè)量的溫度就越準(zhǔn)確。測(cè)溫范圍過(guò)寬，精度會(huì)降低，誤差較大。對(duì)于澳斯麥特爐煙氣溫度測(cè)量，由于生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)注的溫度變化范圍是1 000～1 200 ℃，CO2氣體一般在600 ℃以上時(shí)測(cè)量結(jié)果才能更準(zhǔn)確，合理選擇量程范圍測(cè)量才能更好體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。

[1]中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司. 大冶有色銅冶煉節(jié)能減排改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)初步方案[R].

[2]美國(guó)JNT公司. Infra-View?紅外線爐膛溫度計(jì)技術(shù)資料及操作手冊(cè)[R].

[3]何金平.廢水焚燒爐膛測(cè)溫的技術(shù)改進(jìn)[J].工業(yè)計(jì)量，2007，(增刊).

[4]王更生，邱繼寧.幾種燃燒爐爐膛測(cè)溫裝置的使用與改進(jìn)[J].中國(guó)鉬業(yè)，2011，35(2)：24-25.

ImprovementoffluegastemperaturemeasurementtechnologyofAusmeltfurnace

ZHANG Xiao-gang

The carbon dioxide infrared gas was adopted to measure the temperature of flue gas from exit flue pipe of Ausmelt furnace because the contact temperature-measuring elements are easy to damage. The principles and application conditions of measuring temperature with carbon dioxide infrared gas were introduced. And the superiority of measuring temperature by this method was elaborated by the comparison. It provides a solution for common problems of the flue gas temperature measuring in the same type of smelting furnace.

Ausmelt furnace; flue gas temperature; infrared CO2flue gas measure; flue gas concentration; vision range

張曉剛(1967—)，男，工程師，長(zhǎng)期從事銅冶煉自動(dòng)化儀表及控制系統(tǒng)維護(hù)工作。

TF811； TF068.21

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