Устройство для контроля полноты сжигания топлива и обезуглероживания

 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано, в частности, для контроля полноты сжигания топлива по соотношению СО/СО₂ при производстве стали и термообработки. Целью изобретения является создание устройства с конструктивными элементами, которые обеспечили бы независимость точности измерения температуры от изменения соотношения компонентов составляющих в горячих газах. Цель достигается тем, что устройство, дополнительно снабжено тремя электролитическими элементами различного диаметра, установленными один в другой и размещенными внутри первого электролитического элемента с образованием слоистой конструкции, а между элементами установлены электроды из молибденовой проволоки, выходы которых подключены к измерительной схеме. 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано, в частности, для контроля полноты сжигания топлива по соотношению CO/CO₂ при производстве стали и термообработке.

Известно устройство для контроля газовой фазы мартеновской печи, содержащее трубчатый электролитический элемент из окиси циркония с платиновыми электродами в качестве токосъемников, платинородиевую термопару, фарфоровую и стеклянную трубки с бронзовой крышкой (Применение твердых электролитов в черной металлургии, "Металлургия", М., 1989, с. 52).

Недостатком этого устройства является то, что оно выполнено с косвенным подогревом, ответственными элементами трубчатого датчика являются благородные металлы: платина, родий, масса которых составляет 0,02 г. Кроме того, конструкция датчика предполагает принудительную подачу анализируемого газа внутрь трубчатого элемента с помощью насоса, что требует дополнительной очистки газа от механических примесей, при этом температура газа не должна превышать более 60^oC. От способа выполнения электродов-токосъемников на наружной и внутренней поверхностях электролитического элемента зависит надежность результатов измерений. Устройство в сложных рабочих условиях и повышенных требований к точности измерений не может быть использовано, поскольку не может обеспечить требуемой надежности и точности. Это обстоятельство ограничивает область использования устройства.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения газовой фазы в режиме плавления в мартеновской печи (авт. св. СССР 4750282. "Устройство для контроля за режимом плавления мартеновской печи. В.П. Золотов, В. И. Сыров, А.Г.Фохтин и др. содержащее датчик из твердой электролитической керамики, цанговый зажим, молибденовый стержень измерительную схему, фасонный фланец, фотоэлементы, размещенные в двух каналах корпуса цангового зажима.

Недостатком этого устройства является то, что измерения температуры горячих газов производится с помощью фотоэлементов, точность измерений которых зависит от степени прозрачности атмосферы в печи. Непрозрачность атмосферы горячих газов обусловлена режимом горения, особенно при использовании газо-мазутных горелок, работающих на твердом топливе. Частое заплескивание шлаком отверстий в зажиме исключает проведение оценки действительной температуры горячих газов. Ошибка измерения температуры в таких случаях приводит к неверному выбору расхода вводимого воздуха, к сбою в системе автоматического регулирования режимом горения и, следовательно, к несоответствию теплового режима технологическим требованиям.

В основу изобретения положена задача создания устройства с конструктивными элементами, которые обеспечили бы независимость точности измерения температуры от изменения соотношения компонентов составляющих в горячих газах.

Поставленная задача решается тем, что устройство, содержащее твердоэлектролитический элемент и измерительную схему, согласно изобретению, дополнительно снабжено тремя элетролитическими элементами различного диаметра, установленными один в другом и размещенными внутри первого электролитического элемента, образуя слоистую конструкцию, а между элементами установлены электроды из молибденовой проволоки, выходы которых подключены к измерительной схеме.

На фиг. 1 изображена блок-схема конструкции устройства, а на фиг. 2 представлены графики, полученные по результатам практических измерений в мартеновской печи емкостью 130 т.

Устройство выполнено из четырех колпачков (электролитических элементов) различного диаметра одинаковой длины 60-100 мм, закрытых с одной стороны и установленных один в другой. Перед сборкой производили покрытие наружной поверхности каждого из колпачков 1-4 пастой из окиси циркония ZrO₂ и хлоровинилового спирта, приготовленной в пропорции 4:1, а затем подвергали просушке при температуре 200-220^oC в течение 4-5 ч., после чего в колпачках 2^oC4 производили продольное углубление в покрытии на всю его длину и устанавливали в углубление молибденовую проволоку диаметром 0,3-0,35 мм и длиной 200-250 мм в качестве электродов 5-8. Электрод 8 помещали внутрь элемента 4, объем которого был предварительно заполнен порошком из графита, затем сборку колпачков 1-4 вместе с электродами с открытой стороны покрывали пастой, приготовленной из окиси циркония и силикатного клея в пропорции 3:1 и помещали в термопечь для просушки при температуре 850-900^oC в течение суток. После просушки сборку колпачков 1-4 соединяли с шамотной трубкой 9 с помощью пасты из окиси алюминия и силикатного клея, длина трубки 9 составляла 600 мм, внутренний диаметр 12 мм, и подвергали просушке при температуре 600-650^oC. Электроды 5-8 соединяли с гибкими проводами 10-13, изолированными между собой трубкой 14-17 из керамики с наружным диаметром 3-4 мм и внутренним диаметром около 1 мм. Каждый провод 10-13 соединяли с помощью пайки с однополюсными вилками 18-21. Торец трубки 9 и однополюсные вилки 18-21 покрывали пастой из окиси алюминия и силикатного клея с последующей просушкой при температуре 600-650^oC, причем вилки 18-21 должны отстоять от торца трубки 9 на расстояние около 18-20 мм. Однополюсные вилки 18-21 через делители напряжения 22 и 23 подключали к входам вторичных приборов 24. 25 типа КСП-3. Коэффициент деления для делителя 24 составляет 1:40, для делителя 25 1:10, делителя выполнены из резисторов типа МЛТ-0,25, причем R1=1 кОм, R2 = 41 кОм для делителя 24 и R3 = 1 кОм, R5 = 10 кОм для делителя 25.

Устройство работает следующим образом.

Сборку колпачков 1^oC4 помещают в огнеупорную кладку топочного пространства (отделения) теплового агрегата, так, что ее торец выступает от внутренней стенки кладки на расстоянии 100-150 мм, а затем включают приборы 24, 25. По мере разогрева колпачков 1^oC4 до температуры горячих газов на электродах 5^oC8 появляются сигналы, которые поступают на входы приборов 24, 25 через делители 22, 23. При этом сигнал, появляющихся на электродах 5, 8 отражает тепловой процесс внутри агрегата и характеризует полноту сжигания топлива, а сигнал на электродах 6, 7 синхронно с первым сигналом отражает температуру горячих газов, т.е. температуру, соответствующую текущему режиму горения топлива. Сигнал о полноте сжигания формируется на основании разности парциальных давлений газовых составляющих, в частности CO, в контролируемой среде печного отделения и в газовой фазе внутри колпачка 4. Контроль температуры топочных газов осуществляется с помощью колпачков 2, 3, которые не имеют непосредственного контакта с газовой средой, формирующийся сигнал на электродах 6, 7 отражает изменение температуры горячих газов в соответствии с изменяющейся электропроводностью структуры колпачков 2, 3. Одновременный контроль сигналов на электродах 5, 8 и 6, 7 позволяет наиболее полно выразить текущее состояние режима горения в соответствии с известным уравнением Нернста , или в удобной для вычисления форме при контролируемых параметрах: температура на электродах 6, 7 и парциальное давление на электродах 5,8 , где F - число Фарадея, 96580 Кл/моля; R - газовая постоянная, 8,31441 Дж/(моль·К); T - температура горячих газов, ^oC; P_x', P_x'' - парциальное давление газовой составляющей в контролируемой и сравниваемой средах, мс/м·с²; E - ЭДС, мВ
Формирование сигналов на электродах 5,8 и 6,7 происходит следующим образом: по мере разогрева колпачков 1^oC4 концентрация термически активируемых точечных дефектов в структуре окислов колпачков сборки 1^oC4 возрастает, вместе с этим увеличивается их подвижность которая обуславливает электрическую проводимость. Чувствительность твердой электролитической керамики (1-4) к кислороду и другим газовым составляющим, в частности CO, заключается в том, что существует равновесие между их парциальным давлением над поверхностью окисла и таковыми в газовой фазе твердого электролита, так при меньшей величине давления составляющей в газовой фазе имеет место переход газа из окисла в окружающую среду, при большем давлении одной из составляющей в газовой среде, имеет место обратный процесс - переход из газовой среды в окисел. Заполнение внутреннего объема колпачка 4 сохраняет свое значение в течение длительного времени и может быть выбрано в качестве сравнивающего относительно потенциала, наводимого на внутренней поверхности колпачка 1. Таким образом, на внутренней поверхности колпачка 3, внутренний объем которого заполнен графитом, возникает электрический потенциал, пропорциональный парциальному давлению газа, образующегося в результате реакции углерода и кислорода, выделяющегося из окисла. Кислород из окисла в значительной мере зависит от температуры разогрева сборки 1^oC4, парциальное давление внутри колпачка 4 составляет менее 1·10^-13 МПа, что значительно ниже, чем парциальное давление составляющей в атмосфере над сборкой 1-4, вследствие этого электрические потенциалы, наводимые в структурах колпачков 1^oC4 будут отличны друг от друга по величине, а разность между ними обусловливает появление ЭДС как по температуре, так и по величине соотношения lgP_x'/P_x'', которые в полной мере характеризуют содержание контролируемой составляющей в атмосфере газов топочного пространства. Сигнал, формирующийся на электродах 6, 7 электролитов (колпачков) 2, 3 отражает изменение температуры разогрева, а сигнал на электродах 5, 8 отражает изменение парциального давления контролируемой газовой составляющей. Таким образом, наличие 4-х колпачков 1^oC4, образующих слоистую структуру из однородных твердых электролитов, можно использовать в качестве индикатора содержания кислородосодержащих составляющих в топочном пространстве теплового агрегата при температурах, соответствующих режиму горения топлива. Электроды 5, 8 и 6, 7 защищены от непосредственного контакта с газовой фазой, поэтому не подвергаются интенсивному разрушению, что и обусловливает длительную эксплуатацию индикатора при температурах горячих газов, составляющих не менее 1660^oC. Заполнение внутреннего объема колпачка 4 графитом обеспечивает стабильность парциального давления газа на низком уровне, сохраняя свое значение на длительное время, и служит в качестве сравнивающего относительно потенциала, наводимого на внутренней поверхности колпачка 1. ЭДС, появляющаяся на электродах 6, 7 обусловлена только электрической проводимостью структуры твердых электродов, поскольку они полностью изолированы от контакта с газовыми фазами. Тарирование индикатора (сборки колпачков 1-4) по кислороду или по окиси углерода и др. газовым составляющим позволяет получить четкие зависимости содержания газов и составляющей в контролируемой среде в зависимости от температуры горячих газов, что является наиболее объективным отображением режима горения.

Пример конкретной реализации.

Сборка колпачков 1-4 была установлена в канал насадок мартеновской печи. Измерение окислительного потенциала и температуры отходящих газов проводили непрерывно от начала загрузки и до выпуска металла из печи. По ходу планки производили регулирование расходом вентиляторного воздуха в соответствии с текущим значением окислительного потенциала и температуры горячих газов. На фиг. 2 в графическом виде представлена одна из плавок стали марки ст. 45х. В начале загрузки печи величина ЭДС и температуры по показаниям приборов 24, 25 составляет 237 мБ и 1460^oC соответственно, что соответствовало по содержанию CO в отходящих газах 0,285 сб.%, при этом расход вентиляторного воздуха составлял 15·10³м³/ч. По мере расплавления наблюдалось уменьшение ЭДС до 124 мВ и рост температуры до 1600^oC, расход вентиляторного воздуха был увеличен до (19-21)·10³м³/ч. На кривой изменения окислительного потенциала отходящих газов начало кипения расплава отмечалось дополнительным увеличением ЭДС. По текущим записям на диаграммах приборов 24, 25 наблюдали за изменениями температуры и окислительного потенциала газовой фазы и проводили технологические мероприятия по вводу раскислителей и добавок с одновременным регулированием расхода вентиляторного воздуха в диапазоне (18-27)·10³м³/ч. в соответствии с интенсивностью кипения расплава. Перед выпуском расплава из печи ЭДС кислородного потенциала составляла 67 мВ, а температура 1690^oC, содержание CO в отходящих газах составляло 0,05 93 об.%. В результате контроля за ходом плавки с помощью предлагаемого устройства удалось сократить время плавления на 35 мин, экономия топлива составила 9,2%.

Предлагаемое устройство может быть также использовано для контроля за режимом горения, поддерживая соотношение расходов топливо-воздух в соответствии со стехиометрией процесса.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет получить следующие технико-экономические преимущества:
- исключить на 100% применение платины на изготовление электродов-токосъемников;
- повысить эффективность поддержания режима горения в оптимальном режиме, экономя при этом топливо до 9,2%;
- исключить на 100% использование термопар.

Формула изобретения

Устройство для контроля полноты сжигания топлива и обезуглероживания, содержащее твердоэлектролитический элемент, выполненный в виде колпачка, и измерительную схему, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено тремя твердоэлектролитическими элементами, выполненными в виде колпачков различного диаметра, установленными один в другом и размещенными внутри первого твердоэлектролитического элемента с образованием слоистой структуры, между твердоэлектролитическими элементами установлены электроды из молибденовой проволоки, которые подсоединены к измерительной схеме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2