一、引言

工業(yè)鍋爐、窯爐、加熱爐等燃燒設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，煙氣中的氧氣含量是反映燃燒效率和污染物排放水平的重要指標(biāo)。煙氣氧含量過(guò)高，意味著過(guò)量空氣系數(shù)偏大，煙氣帶走的熱量增加，燃燒效率下降；煙氣氧含量過(guò)低，則表明燃燒不充分，容易產(chǎn)生一氧化碳等不燃燒產(chǎn)物，造成燃料浪費(fèi)并增加環(huán)境污染。煙氣氧含量分析儀正是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣中氧氣濃度的設(shè)備，其核心作用是通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)氧含量來(lái)優(yōu)化燃燒過(guò)程、提高燃燒效率并減少污染物排放。

煙氣氧含量分析儀廣泛應(yīng)用于電力、冶金、建材、工業(yè)鍋爐等領(lǐng)域的燃燒優(yōu)化與排放控制。它不僅是燃燒控制系統(tǒng)的重要傳感器，也是煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）的常規(guī)配置之一。本文將從工作原理、核心技術(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用場(chǎng)景及選型維護(hù)等方面，對(duì)煙氣測(cè)氧用氧含量分析儀進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

二、工作原理

煙氣氧含量分析儀的主流測(cè)量技術(shù)包括氧化鋯法、電化學(xué)法和順磁法三種，各自適用于不同的煙氣工況和應(yīng)用需求。

氧化鋯法是煙氣測(cè)氧領(lǐng)域應(yīng)用較廣的技術(shù)方案。其原理是利用氧化鋯陶瓷在高溫（700℃至1400℃）下的氧離子導(dǎo)電特性：當(dāng)氧化鋯元件兩側(cè)氧分壓不同時(shí)，氧離子從高濃度側(cè)遷移至低濃度側(cè)，在兩極間產(chǎn)生與氧濃差相關(guān)的電動(dòng)勢(shì)（能斯特電勢(shì)），通過(guò)測(cè)量該電勢(shì)計(jì)算氧含量。氧化鋯法的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于：可直接插入煙道進(jìn)行直插在線式測(cè)量，省去了復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)；響應(yīng)時(shí)間短，可低至3秒以內(nèi)；測(cè)量精度通常在±2%FS左右。在傳感器內(nèi)，溫度恒定的氧濃差電池產(chǎn)生一個(gè)毫伏電勢(shì)，該電勢(shì)直接反映煙氣中的含氧濃度值。氧化鋯探頭利用氧化鋯濃差電勢(shì)測(cè)定氧含量，其核心部件氧化鋯管安置在加熱爐內(nèi)，位于整個(gè)探頭的頂端，由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。

電化學(xué)法通過(guò)氧分子在電解液中的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流，電流大小與氧濃度成正比。電化學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快（≤5秒），精度較高（±2%FS），適用于對(duì)響應(yīng)速度有較高要求的連續(xù)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，但其缺點(diǎn)是需要定期更換傳感器（電化學(xué)傳感器壽命一般為兩年左右）。

順磁法基于氧氣分子獨(dú)特的順磁性特性。在磁力機(jī)械式氧分析儀中，利用氧氣的順磁性直接測(cè)量氧氣濃度，可測(cè)量常量氧及微量氧濃度，在測(cè)量中不受樣品氣導(dǎo)熱性、密度等變化的影響，且響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。順磁法常用于需要高精度的場(chǎng)景，如煙氣排放監(jiān)測(cè)的參比比對(duì)等。

在多組分的煙氣分析儀中，O?傳感器還常常采用氧化鋯原電池原理測(cè)量氧濃度，與其他電化學(xué)傳感器或紅外光譜分析模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)煙氣中O?、CO、NO、NO?、SO?、CO?等多組分的同步檢測(cè)。

三、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

煙氣氧含量分析儀在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了對(duì)高溫、高塵、復(fù)雜工況的針對(duì)性考慮。

直插式氧化鋯探頭是該類(lèi)儀器的一項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)。與需要采樣預(yù)處理的傳統(tǒng)分析儀不同，直插式探頭可直接插入煙道或爐膛內(nèi)部，氧化鋯元件處于被測(cè)煙氣之中，探頭頂端位于煙道截面約三分之一處。這一設(shè)計(jì)省去了采樣泵、除塵過(guò)濾器和氣體輸送管路等預(yù)處理部件，減少了系統(tǒng)故障點(diǎn)，同時(shí)也避免了樣氣在長(zhǎng)距離輸送過(guò)程中的成分變化和冷凝損失。直插式檢測(cè)適用于被檢測(cè)氣體溫度在700℃至1150℃的場(chǎng)景（特殊結(jié)構(gòu)還可用于高達(dá)1400℃的高溫工況），直接利用被測(cè)煙氣的溫度使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不需額外設(shè)置加熱器。當(dāng)測(cè)量煙氣溫度低于700℃時(shí)，探頭內(nèi)則需配置加熱器以維持氧化鋯的工作溫度。

參比氣自然對(duì)流設(shè)計(jì)在許多型號(hào)中得到應(yīng)用。氧化鋯探頭需要一側(cè)通入已知氧濃度的參比氣體，常見(jiàn)的方案是直接采用空氣作為參比氣。部分設(shè)計(jì)采用自然對(duì)流方式，不需專用氣泵輸入?yún)⒈瓤諝猓瑴p少了維修工作量和設(shè)備復(fù)雜性。

可在線標(biāo)定與校準(zhǔn)功能是該類(lèi)儀器的一項(xiàng)實(shí)用特點(diǎn)。用戶可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上直接進(jìn)行在線標(biāo)定和校準(zhǔn)，避免了因拆卸送檢而帶來(lái)的停機(jī)和安裝麻煩。部分型號(hào)還具備本底電勢(shì)一鍵校正功能，可有效消除因氧化鋯管自身?xiàng)l件偏差帶來(lái)的測(cè)量誤差。

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方面，轉(zhuǎn)換器常采用大型易讀的數(shù)字顯示器件，清晰直觀。單觸式按鍵操作方便可靠，可自動(dòng)快速校準(zhǔn)儀器，簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)程序。轉(zhuǎn)換器采用防風(fēng)雨型結(jié)構(gòu)，安裝方式靈活，可安裝在現(xiàn)場(chǎng)，也可壁掛或盤(pán)裝，體積小、重量輕。

防塵與保護(hù)結(jié)構(gòu)方面，直插式氧化鋯探頭的前端通常設(shè)有防塵裝置，由防塵罩和過(guò)濾器組成，能防止煙氣中的灰塵進(jìn)入氧化鋯管內(nèi)部，使鋯管元件免受污染，并能起到緩沖氣樣的作用。整個(gè)裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu)，以增加密封性能，提高使用壽命。對(duì)高粉塵的檢測(cè)環(huán)境，還可加裝多孔陶瓷過(guò)濾器以增強(qiáng)過(guò)濾效果。

四、技術(shù)參數(shù)

煙氣氧含量分析儀的技術(shù)參數(shù)體系覆蓋了測(cè)量性能、電氣特性、環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)維度。

測(cè)量范圍通常為0%至20.6%或0%至25%氧氣體積濃度。部分型號(hào)可根據(jù)需要在0%至25%范圍內(nèi)自由設(shè)定量程，量程可達(dá)0%至5%。儀器的最大分辨率為0.01%。

精度指標(biāo)方面，儀表的精度通常優(yōu)于0.5%FS，探頭的基本誤差≤±2%FS。重復(fù)性誤差在滿量程的±0.3%至±0.5%以內(nèi)。長(zhǎng)時(shí)間漂移（連續(xù)4小時(shí)檢定）不超過(guò)±1%。

響應(yīng)時(shí)間是衡量?jī)x器動(dòng)態(tài)性能的重要參數(shù)，典型值為t90≤3秒至5秒，直插式氧探頭的響應(yīng)時(shí)間可縮短至3秒以內(nèi)。

溫度參數(shù)方面，檢測(cè)器的加熱爐升溫時(shí)間約為20分鐘，加熱溫度采用PID自整定控制，恒溫精度控制在±1℃以內(nèi)。溫度顯示范圍為0℃至1300℃。根據(jù)被測(cè)煙氣溫度的不同，氧化鋯探頭分為低溫型（0℃至600℃）、中溫型（600℃至800℃）和高溫型（800℃至1300℃）三種規(guī)格。

輸出信號(hào)方面，可提供0-10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，支持RS232或RS485數(shù)字通訊接口，可直接與DCS集散控制系統(tǒng)或PLC可編程控制器連接。部分型號(hào)還具備光電隔離功能，4-20mA電流輸出與主電路隔離，可直接遠(yuǎn)傳進(jìn)入DCS系統(tǒng)。

環(huán)境條件方面，轉(zhuǎn)換器工作環(huán)境溫度為0℃至50℃，相對(duì)濕度＜90%。檢測(cè)器（探頭）可在-10℃至80℃的環(huán)境溫度下工作。電源為220VAC 50Hz，功耗約150W。

五、應(yīng)用場(chǎng)景

煙氣氧含量分析儀的應(yīng)用覆蓋了多個(gè)需要燃燒監(jiān)測(cè)和排放控制的工業(yè)領(lǐng)域。

電力行業(yè)是煙氣氧含量分析儀的主要用戶之一。火電廠鍋爐的燃燒過(guò)程控制中，煙氣氧含量是調(diào)節(jié)送風(fēng)量和引風(fēng)量的關(guān)鍵依據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)省煤器出口或空氣預(yù)熱器入口處的煙氣含氧量，運(yùn)行人員可將過(guò)剩空氣系數(shù)控制在合理范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，節(jié)約燃料消耗。在火電廠氧化鋯氧量分析系統(tǒng)中，探頭通常安裝在煙道內(nèi)約三分之一截面處，進(jìn)行在線直插測(cè)量。

冶金和建材行業(yè)的各類(lèi)工業(yè)窯爐同樣需要煙氣氧含量監(jiān)測(cè)。水泥回轉(zhuǎn)窯、玻璃熔窯、加熱爐等設(shè)備的燃燒效率直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能耗。氧化鋯氧量分析儀可對(duì)窯爐加熱爐等燃燒設(shè)備在燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的煙氣含氧量進(jìn)行快速在線顯示和檢測(cè)分析，有助于實(shí)現(xiàn)低氧燃燒控制。

石化與化工行業(yè)中，各種加熱爐、裂解爐、重整爐等工藝加熱設(shè)備的煙氣氧含量是燃燒自動(dòng)控制的重要輸入?yún)?shù)。通過(guò)煙氣氧含量的連續(xù)監(jiān)測(cè)，可優(yōu)化燃料與空氣的配比，減少燃料消耗并降低NOx排放。

環(huán)保監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，煙氣氧含量是煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）中必須測(cè)量的一項(xiàng)參數(shù)，用于對(duì)煙氣污染物濃度進(jìn)行氧含量折算，消除稀釋空氣對(duì)濃度數(shù)據(jù)的影響。在煙氣分析過(guò)程中，傳感器根據(jù)氧含量、氧和水混合氣的含量與傳感器輸出信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出濕度值和氧濃度值。

六、選型要點(diǎn)與使用注意事項(xiàng)

選擇煙氣氧含量分析儀時(shí)，建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

安裝方式的選擇取決于現(xiàn)場(chǎng)煙氣的實(shí)際工況。對(duì)于煙氣溫度在700℃至1150℃之間且煙氣成分相對(duì)清潔的應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)先考慮直插式氧化鋯氧探頭，無(wú)需復(fù)雜的采樣預(yù)處理系統(tǒng)。對(duì)于煙氣溫度低于700℃的低溫?zé)煔猓柽x用帶加熱器的氧化鋯探頭，或選擇電化學(xué)法煙氣氧分析儀。對(duì)于煙氣中含硫量較高或粉塵濃度較大的場(chǎng)合，應(yīng)選用帶有抗腐蝕涂層和保護(hù)套管的探頭型號(hào)。

量程與精度選擇應(yīng)根據(jù)煙氣氧含量的實(shí)際范圍和系統(tǒng)控制要求來(lái)確定。用于燃燒控制優(yōu)化的工業(yè)爐窯通常選擇0%至25%量程，精度±2%FS即可滿足要求。用于環(huán)保考核或科研實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)合，建議選擇精度更高的型號(hào)（±0.5%FS或更優(yōu)）。

維護(hù)與校準(zhǔn)是保證分析儀長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。氧化鋯探頭在長(zhǎng)期使用后，由于鉑電極老化、鋯管性能退化，會(huì)產(chǎn)生本底電勢(shì)漂移，需要定期進(jìn)行在線校準(zhǔn)。建議至少每6個(gè)月使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)探頭進(jìn)行一次響應(yīng)校驗(yàn)。氧化鋯管屬陶瓷易碎品，在運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中應(yīng)避免劇烈震動(dòng)，以免損壞。

安裝位置選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：安裝點(diǎn)的煙氣溫度應(yīng)符合探頭的使用溫度范圍，一般來(lái)說(shuō)煙氣溫度越低探頭使用壽命越長(zhǎng)；探頭不能安裝在煙氣不流動(dòng)的死角，也不能安裝在煙氣流速過(guò)快的位置；應(yīng)選擇煙道漏氣較小、安裝維修方便的截面位置，避開(kāi)煙氣渦流區(qū)和彎頭下游。

與DCS系統(tǒng)的接入是選型時(shí)的考量因素之一。具備4-20mA模擬輸出和RS485數(shù)字通訊接口的型號(hào)便于接入現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。部分型號(hào)采用單片機(jī)智能化設(shè)計(jì)，漢字液晶顯示，可直接接入各類(lèi)型DCS系統(tǒng)。