氧量计测量在电厂节能与环保中的应用探讨

摘要：衡量电厂在燃料燃烧过程中消耗率的高低，主要取决于锅炉在燃烧过程中的质量。对锅炉烟气中的含氧量进行分析的主要目的就是对锅炉的燃烧质量进行监督，从而有效控制锅炉中氧气和燃料的比例，最终使得锅炉中燃料可以得到完全燃烧。文章对氧量计测量在电厂节能与环保中的应用进行了探讨。

关键词：氧量计；电厂；节能环保；消耗率；含氧量；锅炉烟气 文献标识码：A

中图分类号：TK313 文章编号：1009-2374（2016）09-0084-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.040

在实际生活中，电厂作为最大的耗煤地点，如何有效地降低煤的消耗量，并达到节能环保的目标是目前电厂系统应用中一项十分重要的工作。提升电厂锅炉的燃烧效率，就要有效改进锅炉的相关设备，并准确监测锅炉中各种参数值的变化，从而从根本上实现最优化燃烧。锅炉中含氧量相比其他参数而言较易调节，运行的范围也较广泛，且在锅炉中含氧量发生变化时，还会对锅炉的烟气量带来变化，改变其他参数值，因而如何有效地控制锅炉中的含氧量，对电厂的节能和环保目标来说具有十分重要的意义。

1 氧量计测量仪的应用背景

测量烟气中含氧量的仪表被叫做氧量计，氧分析仪通常情况下分为热磁式和氧化锆式两种，本文主要分析的是氧化锆式氧量分析仪。

在电厂锅炉工作过程中，其燃料在燃烧过程中所产生的热量并没有被完全利用。针对锅炉燃烧进行分析得知，有效热量就是使得物料在加热过程中一定要传入的热量，锅炉烟气所带走的部分热量则是热量损失中的很大一部分。若是鼓风量过大，虽能使锅炉中的燃料可以充分燃烧，但是也会增加烟气中的空气含量，使得烟气中氧气的含量过高，这时剩余的空气就会增加锅炉的热损失，降低锅炉的燃烧效率。另外，过剩的氧气还会和燃料中的硫以及烟气中的二氧化硫、氮气等物质发生反应，产生有毒物质。若是鼓风量过低，就会使得烟气中的氧气的含量大大降低，一氧化碳的含量增加，虽然这样烟气的热量损失能降到最低，但是此时锅炉中的燃料并没有完全燃烧，就会增加锅炉的热损失，降低锅炉的热效率，同时也会对大气环境造成污染。

20世纪60年代，人们就曾采用二氧化碳分析仪来测量烟气中二氧化碳的含量从而有效控制空气中的消耗系数来达到控制锅炉燃烧效率的目的，但由于不同的燃烧中二氧化碳的含量差异较大，无法取得理想的效果，因而在20世纪70年代之后，人们就逐渐采用测量烟气中氧气含量的方法来有效控制锅炉的燃烧效率。

提升锅炉燃烧效率最为直接的方法就是采用烟气分析仪来对烟气中气体的成分进行随时监测，继而有效分析烟气中一氧化碳和氧气的含量值，不断调节燃料和空气的比例，最终有效提升锅炉的燃烧效率。

2 锅炉中测量氧气含量的主要依据

2.1 主要原理

针对工业使用中所有的氧化锆传感器进行分析得知，其在工作中主要运用的是以下原理：传感器中的电池主要由铂电极以及固态下的氧化锆所组成。另外，铂电极被焙烧在固态氧化锆瓷片的两端，并暴露在被测气体之中。因氧化锆是一种陶瓷，并且具有离子导电性，当温度提升至1150℃时，其就会因晶体型转变为立方晶体型，此时会有约7%的体积发生收缩，随着温度的降低，其又会变为单斜晶体。

经过反复的加热和冷却之后，氧化锆就会发生破裂，正因为这样，在制造氧化锆传感器的过程中不能采用纯净的氧化锆作为测量元件。要在氧化锆中加入适量的氧化钙作为其稳定剂，之后再经过高温焙烧，就会形成具有稳定性质的氧化锆材料。

图1 氧化锆传感器示意图

由于锅炉使用的是氧化锆瓷片和具有高温密封作用的材料，使得氧化锆在不同侧的氧气浓度也不同，继而形成了电势E，并且其符合以下的斯特方程：

式中：C是常数，其大小取决于测量一侧的温度值和压力差，并且和氧化锆锆头的热接点具有一定的关系；T是在测量过程中气体的温度值；R是通用气体的常数值；F则是法拉第常数。

氧反应则发生在“三项区域”中，O2代表的是氧分子；VO"为氧离子空穴；e'是电子。发生氧反应的过程主要包括氧分子被吸收、电解质发生分解，最终全部扩散至三项区域内，并在此区域发生氧电化学反应，之后就能有效改善传感器的使用性能。

在一般情况下，氧化锆传感器的工作温度都在300℃以上，此时氧离子会在氧化锆传感器中发生迁移，最后在氧化锆的传感器两侧就能实现电解质表面的氧化平衡。由此我们得知，提升正常工作中的温度就能有效改善传感器的性能。然而，由于高温也会破坏传感器的材料，针对这一原因，在工业生产过程中都将温度控制在700℃～800℃之间。

2.2 测量探头

在设计工业用氧化锆传感器的过程中，通常情况下会有两种不同的设计结构：一种是将锆电池密封在铝制的金属锆管之中；另一种是将其直接在密封在锆管中。

锆管的结构在设计过程中遵循的是“套筒式”的结构，这种结构具有较为优越的使用性能，但因锆电池的组件本身具有凸缘的结构特点，这种形状较为复杂，同时也较易受到热应力的影响，因而就会导致锆电池的强度不能达到理想目标，从而导致其在电化学反应区域内的热平衡状态也无法达到最佳。

3 利用氧化锆分析监测仪监控电厂锅炉的燃烧过程

工业氧化锆分析仪在监测燃烧状态过程中得到了广泛的应用，并且在耗能行业以及燃烧设备中都发挥了十分重要的作用。在通常情况下，在氧气浓度为零、二氧化碳浓度值达到最大值时是燃烧过程中的最佳状态。

在最佳的燃烧状态下，锅炉中燃料以及氧气的比例应完全符合理想中的比例。一般情况下，氧气中的主要成分为水和二氧化碳，此外还含有极少量的气体，例如氮氧化合物和二氧化硫等气体，这些气体主要来源于空气中的氮气被氧化，还有一部分来自燃料中的杂质燃烧所产生。

针对电厂的运行效率进行分析，氧气的含量降低，就会使锅炉在燃烧过程中的排烟热以及送引分风能大大降低，同时也会增加那些未燃烧的灰碳损失，最终使得燃烧煤的含量增加；针对汽温和减温水进行分析后得知，这两种参数的情况较为复杂，其和锅炉在设计过程中的特性具有一定的联系，通常情况下，氧气的含量也就是机组煤在燃烧过程中耗煤量最低时进氧量的最佳控制值，并且这一值也会依据优化范围的不同而发生变化，在此过程中可尽量降低燃烧过程中涉及到的参数的数量，从而有效简化最佳状态下氧气含量的计算值。在通常情况下，氧气含量在0.75%～2%的含量值时，锅炉的燃烧效率最高。针对不同的烟气测量温度计算得知，氧气含量每降低1%，就能有效减少燃料的1%～3%。

4 结语

随着人们节能环保意识的逐步提升，越来越多的企业例如火力发电厂、石油化工以及冶金制造等都在逐步提升燃料的燃烧效率，从而有效降低能源消耗、在最大程度上减少空气中污染物的排放，并将保护环境作为提升企业产品质量和竞争力的有效方式。钢铁冶炼行业中的轧钢加热炉、电力行业中的锅炉燃烧等设备都是消耗能源的重要场所，因而采用氧量计测量烟气中氧的含量，最终达到有效提升燃烧装置的燃烧效率、减少环境污染的目的，对企业而言具有十分重要的意义。

参考文献

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作者简介：刘光耀（1983-），男，山东滕州人，枣矿集团田陈煤矿滕州富源低热值燃料热电有限公司助理工程师，研究方向：热电厂锅炉及脱硫系统的运行与维护。

（责任编辑：王 波）