烟气中氧量成份分析的可靠性探讨

刘金元，赵丽娟，吴晓武

（1.山东沾化电厂，山东 沾化 256800；2.山东电力研究院，山东 济南 250002）

0 引言

目前，测量烟气中的含氧量有奥氏分析仪、烟气分析仪、光纤氧量计和氧化锆氧量计等。奥氏分析仪是通过化学分析实现对烟气中含氧量的测量，特点是准确性和可靠性高，但操作不方便，测量速度慢，难以实现在线实时测量。烟气分析仪，也称燃烧效率仪，是以酸性电解液原电池作为传感器来实现烟气中含氧量的测量，具有较高的准确度和可靠性，多作为试验室仪器，近年来也常作为锅炉试验的标准仪器用于排烟氧量测量。烟气分析仪测量方便、速度快，但氧电池寿命较短，不适于在线测量。光纤检测氧量方法基于在磁场中氧气具有顺磁性和氮气具有抗磁性的物理性质实现氧量测量，这一新的氧量测量方法已开始用于实际的工业过程，但应用还不是十分普遍。目前，锅炉（包括其它的工业炉窖）排烟氧量基本上均采用氧化锆氧量计测量。从原理上讲，氧化锆氧量计的核心部件（传感器）——锆管是一氧浓差电池，测量是通过电化学的方法实现。多年的运行经验表明，氧化锆氧量计能够完成排烟氧量的在线检测，具有一定的测量精度和可靠性，也存在不少问题。主要表现在：稳定性较差，易受烟气中的有害成份的侵蚀，锆管传感器易损坏，寿命较短（锆管的平均寿命一般在6个月左右，最高为3年）。

1 氧化锆氧量测量方法

1.1 测量原理

图1、2所示为多数氧化锆氧量计生产厂商使用的锆管形式，长90 mm、直径7 mm，一端封闭，锆管内外两侧涂有多孔铂电极。锆管的一侧通过取样装置接触被测气体（烟气），另一侧与参比气体

式中：E为氧浓差电势，mV；R为理想气体常数，8.314 J/（mol·K）；n为参加反应的电子数，4；T为锆管温度，K；p0为参比气体中氧分压（或体积浓度），Pa（或%）；p为被测烟气，Pa（或%）。

由式（1）可见，恒定锆管温度并向一侧通入氧浓度固定不变的参比气体（如空气）时，氧浓差电势仅与被测烟气中氧含量有关。因此只要测量锆管两侧电势值就可以求出被侧烟气中氧的含量。

1.2 常见测量方式

常见氧量测量方式有外加热方式和内加热方式，如图1、2所示，图中，1为过滤器，2为加热测温件，3为锆管，4为加热器，5为测温件。（空气）接触。由加热装置将锆管温度控制控制在某一数值。炽热的氧化锆材料中含有氧离子空穴，当锆管内外两侧氧浓度不同时，在多孔电极的吸附和催化作用下，高浓度侧的氧分子将变为氧离子经空穴向低浓度侧迁移，并在两侧电极间产生一个与氧浓度差相对应的电势，即形成氧浓差电池。根据能斯特方程，该电势与氧浓度差关系：

图1 外加热方式

图2 内加热方式

1.3 氧化锆氧量计主要技术参数

山东沾化电厂在用的氧化锆氧量计技术参数：

基本误差≤±2%满量程；

重复性：±0.5%满量程；

稳定性≤±1%（仪器连续检定4 h）；

响应时间（达到90%响应）＜5 s；

预热时间：10～30 min；

寿命：探头1年，变送器2年。

2 影响氧化锆测量精度和测量可靠性因素

2.1 温度

烟气中含氧量在6%左右时，温度每变化10℃，将使测量精度降低±0.5%（参考氧化锆的分度表及氧化锆氧量计的氧浓差电势计算式推算），在不同温度下氧化锆电气特性不同，且本底电势也会产生变化。在生产工艺中，被测介质的温度不是恒定的，如果不采取一定的措施来控制氧化锆锆管的温度保持恒定，势必会影响测量的准确性。另外，氧化锆的内阻是随温度而变化的，温度越高内阻越小。不同温度下氧化锆电势和内阻特性曲线可参考制造工厂提供了有关数据和相关的参考文献。

2.2 被测介质中的有害成份

烟气中的酸性气体（SO2等）、重金属物质等与氧化锆探头接触，长时间的相互作用，一方面可导致铂电极的脱落，削弱了电极对氧离子的吸附能力，也增加了氧电池内阻；另一方面，有害物质渗透入氧化锆中，会改变氧化锆的电气特性，降低了测量的稳定性。高温状态下有害物质的长期侵蚀是致使氧化锆探头失效的首要原因。

2.3 被测气体和参比气体的可流通性

氧离子透过氧化锆介质从浓度高的一侧 （参比气体）到达另一侧，有使两侧氧浓度趋于一致的趋势。如果氧化锆两侧气体不流通，测量结果将失去意义。

3 目前烟气含氧量测量中存在的问题

3.1 加热方式

目前，氧化锆管的加热方式大多采用外置式加热，个别采用内加热方式。这两种加热方式都无法保证锆管处于均匀的温度场中，内外侧必然会产生一定的温度梯度，对测量的准确性产生一定影响。

3.2 取样方法

采样形式上的缺陷。烟道上一般布置单个测点测量氧量，所测得的数值未必能真实反映整个烟道的烟气含氧成份，二者不可避免地产生一定的偏差。从指导运行的角度来看，需要实时了解烟道上平均的氧量含量，单点测量无法完全满足这样的要求，用其测量结果反映实际情况可能或多或少地带来一定程度的失真。

样气和参比气体的可流通性。当前的取样安装方式有直插式、自回流式、内喷式、外喷式和正压式取样等多种，尤以直插式最多。在以上这些方法中无论哪种取样方式都依然存在着自身的缺陷：1）烟气中含有大量的尘粒，氧化锆防护罩容易堵塞，减缓了样气进入锆管的速度和时间，长时间使用后样气仅靠扩散作用才能与锆管壁面接触；2）现有测量方法均对参比气体流通重视不足，流通性能较差，基本上是靠扩散作用到达锆管表面，且长时间作用后，空气中的尘粒也会对参比气体的扩散造成不良影响。

3.3 温度

测点的选取。测点应选择在最能反映锆管本体温度的区域，但由于受锆管几何体形状和尺寸的限制，这一点很难做到，无论是对内加热方式还是外加热方式都是如此。

温度控制。锆管的输出电势正比于锆管本身的温度，从目前对温度的测量和控制精度考虑，温度应控制在设定值的±2℃范围内，这样即经济和便于实现，同时也能满足测量和控制精度的需要。但是现阶段多数氧量计的温度控制和调节方式仍为非连续的工作方式，温度波动较大，对测量结果难免要造成一定的负面影响。

4 结束语

总体上讲，适于烟气含氧量在线实时检测的最有效的方法仍是氧化锆传感器，但是在用于实际测量时也面临着一些题。要提高烟气中氧量测量的可靠性和准确性，除要进一步开发其它方式的测量方法外，氧化锆测量可考虑从以下几个方面加以改进。

1）改进锆管的安装方式或采用新型的结构形式，使其有利于样气和参比气体的流动，提高测量的精度、降低反映时间，提高测量的实时性。

2）提高温度的测量和控制精度。充分考虑温度取样点位置和锆管自身温度间的差异，并在二次表部分采取必要的补偿手段，使管锆管的设计温度特性与实际特性相一致。

3）样气易采取多点采样方式，以提高测量的可靠性。

4）采取适当的保护措施，防止传感器遭到污染，提高测量的重复性。

5）探头表面采取一定的防护措施，保护传感器不受有害气体的侵蚀，提高测量的稳定性。

6）在系统设计上应充分考虑到维护的方便，提高测量系统的环境适应能力和使用寿命，降低应用成本。