劉金元，趙麗娟，吳曉武

（1.山東沾化電廠，山東 沾化 256800；2.山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

目前，測量煙氣中的含氧量有奧氏分析儀、煙氣分析儀、光纖氧量計和氧化鋯氧量計等。奧氏分析儀是通過化學分析實現(xiàn)對煙氣中含氧量的測量，特點是準確性和可靠性高，但操作不方便，測量速度慢，難以實現(xiàn)在線實時測量。煙氣分析儀，也稱燃燒效率儀，是以酸性電解液原電池作為傳感器來實現(xiàn)煙氣中含氧量的測量，具有較高的準確度和可靠性，多作為試驗室儀器，近年來也常作為鍋爐試驗的標準儀器用于排煙氧量測量。煙氣分析儀測量方便、速度快，但氧電池壽命較短，不適于在線測量。光纖檢測氧量方法基于在磁場中氧氣具有順磁性和氮氣具有抗磁性的物理性質(zhì)實現(xiàn)氧量測量，這一新的氧量測量方法已開始用于實際的工業(yè)過程，但應(yīng)用還不是十分普遍。目前，鍋爐（包括其它的工業(yè)爐窖）排煙氧量基本上均采用氧化鋯氧量計測量。從原理上講，氧化鋯氧量計的核心部件（傳感器）——鋯管是一氧濃差電池，測量是通過電化學的方法實現(xiàn)。多年的運行經(jīng)驗表明，氧化鋯氧量計能夠完成排煙氧量的在線檢測，具有一定的測量精度和可靠性，也存在不少問題。主要表現(xiàn)在：穩(wěn)定性較差，易受煙氣中的有害成份的侵蝕，鋯管傳感器易損壞，壽命較短（鋯管的平均壽命一般在6個月左右，最高為3年）。

1 氧化鋯氧量測量方法

1.1 測量原理

圖1、2所示為多數(shù)氧化鋯氧量計生產(chǎn)廠商使用的鋯管形式，長90 mm、直徑7 mm，一端封閉，鋯管內(nèi)外兩側(cè)涂有多孔鉑電極。鋯管的一側(cè)通過取樣裝置接觸被測氣體（煙氣），另一側(cè)與參比氣體

式中：E為氧濃差電勢，mV；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；n為參加反應(yīng)的電子數(shù)，4；T為鋯管溫度，K；p0為參比氣體中氧分壓（或體積濃度），Pa（或%）；p為被測煙氣，Pa（或%）。

由式（1）可見，恒定鋯管溫度并向一側(cè)通入氧濃度固定不變的參比氣體（如空氣）時，氧濃差電勢僅與被測煙氣中氧含量有關(guān)。因此只要測量鋯管兩側(cè)電勢值就可以求出被側(cè)煙氣中氧的含量。

1.2 常見測量方式

常見氧量測量方式有外加熱方式和內(nèi)加熱方式，如圖1、2所示，圖中，1為過濾器，2為加熱測溫件，3為鋯管，4為加熱器，5為測溫件。（空氣）接觸。由加熱裝置將鋯管溫度控制控制在某一數(shù)值。熾熱的氧化鋯材料中含有氧離子空穴，當鋯管內(nèi)外兩側(cè)氧濃度不同時，在多孔電極的吸附和催化作用下，高濃度側(cè)的氧分子將變?yōu)檠蹼x子經(jīng)空穴向低濃度側(cè)遷移，并在兩側(cè)電極間產(chǎn)生一個與氧濃度差相對應(yīng)的電勢，即形成氧濃差電池。根據(jù)能斯特方程，該電勢與氧濃度差關(guān)系：

圖1 外加熱方式

圖2 內(nèi)加熱方式

1.3 氧化鋯氧量計主要技術(shù)參數(shù)

山東沾化電廠在用的氧化鋯氧量計技術(shù)參數(shù)：

基本誤差≤±2%滿量程；

重復(fù)性：±0.5%滿量程；

穩(wěn)定性≤±1%（儀器連續(xù)檢定4 h）；

響應(yīng)時間（達到90%響應(yīng)）＜5 s；

預(yù)熱時間：10～30 min；

壽命：探頭1年，變送器2年。

2 影響氧化鋯測量精度和測量可靠性因素

2.1 溫度

煙氣中含氧量在6%左右時，溫度每變化10℃，將使測量精度降低±0.5%（參考氧化鋯的分度表及氧化鋯氧量計的氧濃差電勢計算式推算），在不同溫度下氧化鋯電氣特性不同，且本底電勢也會產(chǎn)生變化。在生產(chǎn)工藝中，被測介質(zhì)的溫度不是恒定的，如果不采取一定的措施來控制氧化鋯鋯管的溫度保持恒定，勢必會影響測量的準確性。另外，氧化鋯的內(nèi)阻是隨溫度而變化的，溫度越高內(nèi)阻越小。不同溫度下氧化鋯電勢和內(nèi)阻特性曲線可參考制造工廠提供了有關(guān)數(shù)據(jù)和相關(guān)的參考文獻。

2.2 被測介質(zhì)中的有害成份

煙氣中的酸性氣體（SO2等）、重金屬物質(zhì)等與氧化鋯探頭接觸，長時間的相互作用，一方面可導致鉑電極的脫落，削弱了電極對氧離子的吸附能力，也增加了氧電池內(nèi)阻；另一方面，有害物質(zhì)滲透入氧化鋯中，會改變氧化鋯的電氣特性，降低了測量的穩(wěn)定性。高溫狀態(tài)下有害物質(zhì)的長期侵蝕是致使氧化鋯探頭失效的首要原因。

2.3 被測氣體和參比氣體的可流通性

氧離子透過氧化鋯介質(zhì)從濃度高的一側(cè) （參比氣體）到達另一側(cè)，有使兩側(cè)氧濃度趨于一致的趨勢。如果氧化鋯兩側(cè)氣體不流通，測量結(jié)果將失去意義。

3 目前煙氣含氧量測量中存在的問題

3.1 加熱方式

目前，氧化鋯管的加熱方式大多采用外置式加熱，個別采用內(nèi)加熱方式。這兩種加熱方式都無法保證鋯管處于均勻的溫度場中，內(nèi)外側(cè)必然會產(chǎn)生一定的溫度梯度，對測量的準確性產(chǎn)生一定影響。

3.2 取樣方法

采樣形式上的缺陷。煙道上一般布置單個測點測量氧量，所測得的數(shù)值未必能真實反映整個煙道的煙氣含氧成份，二者不可避免地產(chǎn)生一定的偏差。從指導運行的角度來看，需要實時了解煙道上平均的氧量含量，單點測量無法完全滿足這樣的要求，用其測量結(jié)果反映實際情況可能或多或少地帶來一定程度的失真。

樣氣和參比氣體的可流通性。當前的取樣安裝方式有直插式、自回流式、內(nèi)噴式、外噴式和正壓式取樣等多種，尤以直插式最多。在以上這些方法中無論哪種取樣方式都依然存在著自身的缺陷：1）煙氣中含有大量的塵粒，氧化鋯防護罩容易堵塞，減緩了樣氣進入鋯管的速度和時間，長時間使用后樣氣僅靠擴散作用才能與鋯管壁面接觸；2）現(xiàn)有測量方法均對參比氣體流通重視不足，流通性能較差，基本上是靠擴散作用到達鋯管表面，且長時間作用后，空氣中的塵粒也會對參比氣體的擴散造成不良影響。

3.3 溫度

測點的選取。測點應(yīng)選擇在最能反映鋯管本體溫度的區(qū)域，但由于受鋯管幾何體形狀和尺寸的限制，這一點很難做到，無論是對內(nèi)加熱方式還是外加熱方式都是如此。

溫度控制。鋯管的輸出電勢正比于鋯管本身的溫度，從目前對溫度的測量和控制精度考慮，溫度應(yīng)控制在設(shè)定值的±2℃范圍內(nèi)，這樣即經(jīng)濟和便于實現(xiàn)，同時也能滿足測量和控制精度的需要。但是現(xiàn)階段多數(shù)氧量計的溫度控制和調(diào)節(jié)方式仍為非連續(xù)的工作方式，溫度波動較大，對測量結(jié)果難免要造成一定的負面影響。

4 結(jié)束語

總體上講，適于煙氣含氧量在線實時檢測的最有效的方法仍是氧化鋯傳感器，但是在用于實際測量時也面臨著一些題。要提高煙氣中氧量測量的可靠性和準確性，除要進一步開發(fā)其它方式的測量方法外，氧化鋯測量可考慮從以下幾個方面加以改進。

1）改進鋯管的安裝方式或采用新型的結(jié)構(gòu)形式，使其有利于樣氣和參比氣體的流動，提高測量的精度、降低反映時間，提高測量的實時性。

2）提高溫度的測量和控制精度。充分考慮溫度取樣點位置和鋯管自身溫度間的差異，并在二次表部分采取必要的補償手段，使管鋯管的設(shè)計溫度特性與實際特性相一致。

3）樣氣易采取多點采樣方式，以提高測量的可靠性。

4）采取適當?shù)谋Ｗo措施，防止傳感器遭到污染，提高測量的重復(fù)性。

5）探頭表面采取一定的防護措施，保護傳感器不受有害氣體的侵蝕，提高測量的穩(wěn)定性。

6）在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)充分考慮到維護的方便，提高測量系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力和使用壽命，降低應(yīng)用成本。