烟气氧含量传感器的研究与设计

摘要：本文简述了烟气氧含量测量对锅炉及石油加热炉燃烧经济性的影响和重要意义，详细介绍了一款经济型烟气氧含量传感器的设计开发思路，阐述经济型烟气氧含量传感器的工作原理，通过实验验证了该烟气含氧量传感器的设计开发是成功的，具有很好的工业锅炉及石油用加热炉配套推广的前景。

关键词：加热炉 烟气氧含量 半导体制冷片

中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）10-0099-02

1、引言

随着人们环保和节能意识的逐渐提高，众多大中型企业如钢铁冶金、石油化工、火力发电厂等，已将提高燃烧效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保护环境等作为提高产品质量和增强产品竞争能力的重要途径。

提高燃烧装置的燃烧效率、确定最佳燃烧点，是用运信息化等高新技术提升传统产业，提高能源利用效率，减少污染排放的最佳和有效途径。

2、油田加热炉现状能耗分析

我国是石油生产的大国，也是石油资源严重短缺的大国，随着需求的增长，原油进口量将不断增加，到2010年，我国对国际石油市场的依存度将达到50%以上，节约能源，用好有限的原油资源是确保国民经济发展的重要措施，是建立节约型社会的客观要求。据统计，2008年我国油田在用各类加热炉约3万台，每年燃烧消耗折合燃油达500多万吨，相当于全国十大油田之一大港油田全年的产油量！

我国2011年油气田加热炉平均效率为81.53%，高于标准规定的限定值≥80%的要求；但还未能达到节能评价值≥85%的要求，其余项目如加热炉平均排烟温度、平均空气系数、炉体平均外表面温度三项指标都达到了标准的要求。虽然加热炉热效率达到了标准中规定的限定值要求，但是与节能评价值还有一定的距离，因此具有节能降耗的挖潜空间[1]。

3、烟气氧含量的测量对提高石油用加热炉热效率的分析

燃料在燃烧时需要氧气，在空气中氧气体积约占21%，氮气约占79%。1kg燃料油在燃烧时所需理论空气量（α=1）约为14.2kg（天然气为11Nm3）。在实际的加热炉中，由于进入燃烧器的空气不可能全部参与燃烧，另外，从炉子其他不密封处漏入了冷空气，所以实际进入炉内的空气量总是比理论空气量多，前者与后者之比叫作过剩空气系数α，即：

过量空气系数可通过测量烟气中的含氧量计算得到。过剩空气系数小则燃烧不完全，太大对炉子的热效率有影响。以陕甘宁天燃气为例，通过详细计算，得出不同过量空气系数和排烟温度下的排烟热损失，详见下图表1、2。

从图表1、2中可以看出，排烟热损失随排烟温度的升高和过量空气系数的增大而增大。当排烟温度在l50℃时，过量空气系数从1.1～1.6变化，排烟热损失变化为6.61%～9.25%，过量空气系数每增加0.1，排烟热损失增加0.528%。当排烟温度在200℃时，过量空气系数从1.1～1.6变化，排烟热损失变化为8.84%～12.36%，过量空气系数每增加0.1，排烟热损失增加0.705%。另外过量空气系数大还会促进NOx的形成而加剧环境的污染。

减小过剩空气系数虽然有许多好处，但一个重要的前提是必须保证燃料完全燃烧，否则会加大化学不完全燃烧和机械不完全燃烧的损失，在表面上看减少了α，提高了热效率，实际上加大了不完全燃烧热损失，燃料消耗更多，炉子热效率反倒降低。

目前，石化及油田加热炉控制过量空气的办法就是采用价格昂贵的烟气成分分析仪，这种分析仪一般采用气相色谱法和氧化锆分析仪。

其中气相色谱分析法需用标准气体进行标定，分析结果的精密度和重复性差，同时因容易将空气混入样气中等原因，气相色谱法无法满足石油用加热炉烟气分析的全面、快速、实时、准确的使用要求。

氧化锆分析仪作为氧含量快速自动分析的仪器在石化行业加热炉上应用较广，直插式氧化锆氧含量分析仪可用于燃煤炉、燃油炉，但其并不适用于燃烧油田伴生（天然）气的石油用加热炉。抽吸式氧化锆氧分析器在氧化锆探头之前增加了一个可燃性气体检测探头，在测量烟气中的氧含量同时测量可燃性气体的含量并对烟气含氧量加以修正。由于氧化锆自动分析仪价格昂贵，氧化锆探头750℃的工作温度使得氧化反应加剧，造成分析修正结果不准确（往往低于实际值），所以氧化锆同样不能作为石油用加热炉日常监测仪表。

根据以上分析：提高石油用加热炉热效率最直接的方法之一就是控制过量空气系数。过量空气系数可通过测量烟气中的氧含量计算得到，所以开发一款可广泛推广使用，适合石油用加热炉的经济型烟气氧含量传感器就显得尤为重要。

4、烟气氧含量传感器的研究设计

烟气氧含量的设计首先要考虑传感器的使用和安装方式，市场上可借鉴的氧化锆传感器可分为直插式和抽吸式两类，就使用数量而言，目前绝大多数工业用氧化锆氧含量传感器的工作温度都在700～800℃范围内，所以大量采用直接插入炉膛的工作方式。我们设计开发的烟气氧含量传感器，采用经济型电化学氧含量传感器，常温下工作，为方便使用和安装，我们选用了抽吸式工作方式。

4.1 烟气氧含量传感器结构组成

烟气氧含量传感器由四部分组成：烟气过滤器，烟气冷却系统，抽吸泵及控制，测量及信号变换。

4.1.1 烟气过滤器

采用镍滤芯作为烟气过滤器，镍滤芯以工业高纯镍粉为原料，经过分筛、冷压成型后高温、高真空烧结而成的微过滤元件，具有孔径均匀、孔型稳定、分离率高、孔隙率高、过滤阻力小、渗透效率高等优良性能，可在280℃以下正常使用。化学稳定性好，耐酸碱腐蚀（PH值在2～12），具有抗氧化性能，是烟气过滤最佳元器件。

4.1.2 烟气冷却系统

采用半导体制冷器与强制散热风扇制作冷却装置。半导体制冷器工作原理[2]是由直流电源提供电子流所需的能量，通电后，电子从负极出发，经过P型半导体，吸热后到N型半导体将热量放出。每经过一个NP结，就将热量由一边被送到另外一边，从而形成冷热端，冷热端分别由两片陶瓷片所构成。热端面的热量由风扇排出，达到冷却烟气的目的。

4.1.3 抽吸泵及控制

烟气采样通过抽吸泵实现，抽吸泵可提供负压（真空）80～30kPa，烟气抽吸量为0.6～1L/Min，可24小时连续运转，允许介质富含水汽、具有尺寸小、重量轻、能耗小等特点。抽吸泵控制采用循环定时调压电路，通过LM317与NE555芯片调节采样泵连续或间歇启停时间和抽吸的烟气量。

4.1.4 测量及信号变换

氧气浓度传感器（氧电池），使用寿命长达5～10年，该电化学原理氧气传感器测量电路简单，无需外部电源，以毫伏级信号输出，信号稳定，线性好，不受CO2、CO，H2S，NOx，H2影响，且价格便宜，使开发经济型烟气氧含量传感器成为可能。

测量电路采用普通运放构成，电路简单，实用经济。信号放大电路由KE25电化学氧探头采集输出1～16mV电信号，通过LM358组成的高精度、低温漂，高共模抑制比的负反馈放大电路[3]，输出相对应的0～10V电压，再由信号变换调理隔离芯片T5150D-S将0～10V电压转换4～20mA电流输出。

4.2 烟气含氧量变送器工作原理如下

烟气含氧量变送器过滤探头直接插入石油加热炉烟筒中，通过导流管将小于200℃的烟气由采样泵抽吸入，经半导体制冷却降温至50℃以下，经汽水分离器后再通过电化学氧探头测得0～16mV电压，再经放大电路及信号调理变换为4～20mA电流信号输出。如产品结构图3。

5、烟气氧含量传感器样机实验

（1）测试步骤。用氧含量校验仪将测试样机校验准确，将散热风机、采样泵、制冷片连接12V电压，氧含量探头连接放大电路板，电路板输出4～20Am信号连接电流表，在进烟口、排烟口放置数显温度探头，在测试过程中用红外线温度仪测量散热温度，测量每30分钟记录一次。数据取平均值。

（2）测试将探头安装在0.35MW燃气锅炉烟筒上测试燃烧机小火燃烧含氧量。实验测试数据如下表4：

6、结语

提高石油加热炉燃烧效率最直接的方法就是实时测量烟气含氧量，控制过量空气系数，本文阐述了一种经济型烟气氧含量传感器的设计开发思路和工作原理，并通过实验论证了所研发设计的烟气氧含量传感器是成功的，稳定性高，性价比好，适合在工业锅炉及石油加热炉中大量推广使用，通过燃烧优化控制，实现高效节能的目的。

参考文献

[1]《系统节能监测规范》.北京：石油工业出版社，2008.

[2]徐德胜.《半导体制冷和应用技术》.上海：上海交通大学出版社，1992.

[3]黄争，李琰.《运算放大器应用手册》.出版社：电子工业出版社，2010年01月ISBN：9787121100628.