技術交流

USE OF THE SERVOMEX 2700 ANALYSER FOR CONTROL OF COMBUSTION PROCESS

Servomex 2700分析儀燃燒製程控制應用

燃燒化學反應是人類生活的基本法則之一（將碳水化合物燃燒提供能量），特別是在以燃燒化石燃料來產生電力、鍋爐及汽車運行以及製造產品 , 這是現代文明無法避免的動力來源。

最簡單的碳氫化合物燃燒是以燃燒甲烷 (天然氣）來代表 , 其中化學計算（平衡）方程式如下：

CH4 + 202 = CO2 + 2H2O + HT

實際上 , 碳氫化合物通常是在空氣中燃燒（這是大約 1/5 氧氣至 4/5氮氣） ,

CH4 + 2 (O2 + 4N2) = CO2 + 2H2O + 8N2 + HT

在理想的狀況下 , 10個體積的空氣與一個體積的甲烷發生反應 , 若碳氫化合物的量增加 , 所需空氣量隨之增加。

燃燒需要一個適當的溫度來啟動 , 並確保良好的空氣渦流混合燃料與足夠的時間來產生反應 , 現實當中是不可能以理想的化學計算來達到空氣和燃料的最佳效能。 這樣的混合物總是導致部分燃料在燃燒時產生一定比例的CO 而不是CO2。 理想狀態上需要有更多額外的空氣來完全混合 , 以達到完全燃燒 , 而過量的空氣需求量主要取決在於燃燒器的類型和燃料。

在空燃比當中存在一種燃料氣體的濃度及燃燒效率的關係 , 如圖1. 所表示。

過剩空氣的量超過理想需求時也會讓效率低落 , 因為它會降低熱量並轉移到生成物上。
在一般情況下 , 操作超過理想氧氣濃度2％即表示會產生1％的額外燃油成本 ; 同時產生1000 ppm的CO也有類似的效果。

燃燒控制

理想的CO濃度可能在10-100 ppm的範圍 , 理想的氧氣操作濃度一般都在0.5％到3.5％之間。一般普遍認為 , 可靠的氧氣測值會是比CO測值還理想的控制參數 ,主要是因為它對控制點任一方向都是 ”活” 的。單一鍋爐安裝在一理想比例下 , 並固定高於最低氧氣濃度時 , CO的濃度會越來越低 , 但氧氣則可能會急劇地增加。

在一個連續操作的基礎之下 , 以CO的測值用來確認理想的操作含氧量 , 會是一個有力的控制原理。

一氧化碳可以用三種不同的方式來量測 :

1. 1. 抽取式紅外線分析儀

空調系統是一個抽取式採樣的使用範例 , 乾淨涼爽的管道空氣經由紅外線氣體分析儀來分析 , 這是常用的技術中歷史最悠久的一種 , 最常見的負面評價是成本、不可靠的採樣系統和反應速度。

2. 2. 現址式紅外線分析儀

少了分析儀必須使用之氣體採樣前處理系統 , 可降低成本和提高可靠性。現址式紅外線氣體分析儀有幾種不同類型 , 例如有紅外線傳送器 (Transmitter) 與接收器 (Reveiver) 安置在煙道相對兩邊的機型。

煙道氣體通常是具有嚴重的腐蝕性、潮濕、骯髒而且高溫 , 現址式的紅外線光譜量測方法並非萬能 , 基本上此類分析儀除了成本相對較高 , 並存在下列的問題：振動 / 瞄準 , 以及相互干擾問題 – 例如H2O和CO2對紅外線的吸收程度非常強。尤其存在於發射器 / 接收器之上的基本問題是 – 校正。分析測值若要能被驗證 , 除非是可以顯示出已知氣體濃度 , 這在製程氣體分析儀中這是一種既有的觀念 , 但是在某些跨距式分析儀這根本無法執行完整校正。此外 , 煙道氣體的熱幅射 (紅外線) 對溫度的限制也會顯現在這類型的儀器上。

3. 以觸媒裝置來量測CO

以觸媒裝置或 “Pellistor” 觸媒燃燒應用在惠斯敦電橋的阻抗上 , 以這方法來量測可燃性氣體已經很多年了 , 他們通常用於偵測在大氣中的可燃性氣體 , 但是現在已經被 Servomex跟其他人用來當成煙道氣體的線上可燃性氣體量測方法 , 此方法的優點是成本低並可以和氧化鋯sensor一起量測O2與可燃性氣體 , 主要的缺點是量測值較不靈敏 且精確度較差 , 不足以做精準的燃燒效率控制。 但Servomex最近改良這項技術 , 並可解決這些問題 , 詳細介紹如下。

採樣

為了有效控制燃燒 , 必須在適當時間裡對剛離開燃燒設備具代表性的混合氣體進行採樣 ,加熱設備中最常見的固定式燃燒設備是火管蒸氣上升填充式鍋爐 (Firetube steam raising packaged boiler) 以單一鍋爐為代表。
發電廠的鍋爐就不一樣 , 燃燒的位置旁圍繞著很多水管 , 空氣有足夠的機會進入 , 所以對氧氣量測點的選擇需要更留意。 理想的情形下是在鍋爐出口處空氣混合良好及渦流空氣進入最少的地方來量測這兩個氧氣與 CO。 為了達成可以在渦流空氣進入最少的位置進行量測 , 它在接近混合燃燒的位置採用抽取式採樣量測 , 但卻無法保證氣體混合的狀況 , 以及下列這些既有的現實問題 , 如採樣探頭的安裝位置、維護與現有所找到的材質是否夠堅固到可在攝氏1000度以上的溫度中操作 , 現址式紅外線或氧化鋯設備在這樣的溫度下會產生問題的。

在製程加熱器中 , 金屬熱處理爐、水泥、石灰、玻璃窯爐比起鍋爐來其熱交換效率是相對較差的 , 如需要更精準的採樣量測 , 其溫度範圍可能會達到700℃至1200℃。

CO sensor 與分析儀設計

裝於煙道平台上之氧化鋯分析儀其 sensor沒有直接插入製程中 , 但在具有溫度控制的環境下 , 對煙道氣體以壓力空氣進行抽取的採樣方式通常較為複雜且成本也較高 , 但與現址式的分析儀相較下有三個基本優勢。

現址式氧化鋯sensor以氣體以擴散方式通過前端過濾器以進行採樣 , 其反應時間T90出奇的慢 , 一般的燃煤鍋爐運轉效率 , 在過剩空氣氧含量約在2%時 , 含有CO濃度背景值的空氣一般不會超過40/50ppm。

而一座具代表性接近最低理想含氧量的燃煤發電廠鍋爐 (請見圖1.) , 含有CO的背景值超過100ppm , CO的突破點對應之氧氣含量顯著下降 , 在圖形的中間 , 此鍋爐操作於非常接近最有效率的含氧量 1.5%。

氣體具有較低的熱含量 , 所以在設備平台上安裝的機型能夠在非常高的溫度下進行氣體採樣 , 也不會讓sensor損壞或量測失真 , 因為流速200cm的氣體會迅速冷卻它週遭的溫度。

Servomex 2700以壓力空氣進行抽取式氣體採樣 , 其反應速度比現址式機型更快。而且CO sensor和氧化鋯sensor可以安裝在同一採樣迴路與位置上 , 甚至可以在高溫環境中同時進行量測。

Thick Film CO量測

傳統的 Pellistor sensor對大多數的可燃性氣體會產生不同程度的量測反應 , 惠斯敦電橋也是以熱傳導為基礎的量測方式 , 如果它們在熱損特性之條件下 , 電橋處於一個不完美的平衡狀態 , 其背景氣體的濃度與阻抗的變化程度 , 會產生一高度不確定的量測值。其結果是就這樣的設備所代表的CO濃度 , 最好的量測範圍大約是在0~2500ppm , 且其精確度會低於 ±10%。

Servomex Thick Film熱量計 (tfx) 可提供完整的熱阻抗平衡 , 結合觸媒的選擇與sensor工作溫度 , 給予對CO更多的氣體選擇性以及更少的熱傳導誤差 , 結果即是獲得一部最佳量測範圍0~500ppm , 而且對甲烷沒有干擾的氣體分析儀。 其sensor以CO進行校正 , 但對氫氣仍會產生反應 , 在一個相對穩定的燃燒環境中可得到 ± 25 ppm的精確度。

這樣反應迅速且靈敏的分析儀可以作為精準的燃燒控制。 

但重要的是 , 要注意 tfx只是一種監測器 , 而不像氧化鋯氧氣sensor是一個精確的分析儀器。 雖然其良好的關聯性可以在 tfx與紅外線分析儀之轉換中得到CO測值 , 尤其是在CO濃度低於500 ppm時。 該設備的目的是用來精準顯示出最佳O2控制點 , 並非提供一個精準的CO測值 , 它所做的是當作燃燒控制的精準過氧濃度顯示。

使用Servomex 2700的優點

綜合以上說明 , 我們可以了解得知燃燒過程中氧氣與CO的濃度 , 在燃燒製程的效率控制中是非常具有指標性的 , 所以利用 Servomex 2700燃燒氣體分析儀 , 其本身所提供的操作優點 , 將提供所有用戶下列的效益。

• 現址式的插入安裝加上抽取式採樣方式 , 直接量測煙道氣體 , 不需另外安裝氣體採樣前處理系統 , 可以省下氣體採樣前處理設備的設置與維護費用 , 減少設置與操作成本。
• 可選用不同的採樣探頭材質 , 應用於不同腐蝕性、潮濕、骯髒而且高溫的煙道氣體條件 , 最高採樣溫度可達1500℃ , 而且對氣體反應的時間更直接更快。
• 單一氣體分析儀可同時量測氧氣與CO , 不用因需要兩種不同測項 , 而需花費兩套分析儀的購置成本。
• 採用技術最成熟且使用壽命最長的氧化鋯原理來量測氧氣 , 並採用Servomex 最新的Thick Film技術來量測CO , 除了價格更經濟外 , 亦提供更多對氣體的選擇性以及更少的熱傳導誤差 , 提供長期具經濟性與穩定性的燃燒氣體監測。

善用Servomex 2700所帶來的技術與效能 , 為您的燃燒設備提升更高的效率 , 不只能顯著地節省燃料成本 , 同時減少污染性的氣體排放 , 一起為綠色地球盡一份心力。