從爐膛到屏幕：煙氣測氧用氧含量分析儀如何把看不見的氧變成可用的數字

在現代工業燃燒和環保監測場景中，煙氣里到底有多少氧，是一個能直接牽動“燃燒效率、能源消耗、污染物排放和設備壽命”的關鍵參數。煙氣測氧用氧含量分析儀，就是專門用來“把煙氣中的氧含量讀出來”的一類在線分析儀器。它的本質，是把煙道里高溫、高塵、帶腐蝕性的煙氣，經過采樣、傳感、信號處理，最終轉換成控制室屏幕上那個實實在在的氧含量數值。

下面從它的工作原理、系統構成、典型應用和選型使用幾個角度，系統地聊一聊。

一、測氧的幾種主流“讀數方式”

煙氣測氧分析儀并不是只有一種技術路線，目前應用較多的主要有：氧化鋯、電化學、順磁氧分析儀等，它們各有優劣、適用場景也不一樣。

1）氧化鋯氧分析儀（目前最主流）

氧化鋯傳感器在高溫下具有氧離子導電特性，當氧化鋯兩側存在氧分壓差時，會形成一個“氧濃差電池”，產生電動勢E，該電動勢與兩側氧濃度滿足能斯特（Nernst）關系。通過對E的測量，結合已知溫度和參比氣（通常是空氣）的氧含量，就能反推煙氣中的氧含量。

優點：耐高溫、可做成直插式、響應快、結構簡單、適合長期在線監測。

不足：傳感器需要在較高溫度（常在600–750℃左右）工作，對溫度控制要求較高，對可燃氣體也較“敏感”（可燃氣會燃燒消耗氧，導致讀數偏低）。

2）電化學氧分析儀（燃料電池/原電池）

通過讓氧在電極表面參與電化學反應產生電流，該電流在一定范圍內與氧濃度成正比，從而測氧。這類傳感器常溫或低溫即可工作，廣泛用于微量氧、便攜式儀表等場景。

優點：靈敏度高、適合低濃度氧測量、成本相對較低。

不足：傳感器有壽命限制（通常1–2年），需要定期更換，受溫度、壓力、氣體成分影響較明顯，高溫高粉塵煙氣不適合直接接觸。

3）順磁氧分析儀（利用氧氣順磁性）

氧是強順磁性氣體，在不均勻磁場中會受到磁場力的作用，不同氧濃度的氣體在磁場中會形成“磁風”或壓力差，通過測量這個差值來推算氧濃度。

優點：測量精度高、選擇性（幾乎只受氧影響），適合作為標準級、高精度測量。

不足：設備價格高、體積較大、對樣氣預處理（除塵、除濕）要求較高，通常做成“旁路抽取式”。

不同工藝會根據測量范圍、現場工況、精度要求等選擇合適的技術路線。

二、煙氣測氧儀的基本構成：從煙氣到數字的完整鏈路

無論是哪種技術路線，煙氣測氧分析儀的系統都可以拆成幾個“角色分工明確”的部分：

1）采樣系統（探針和管路）

探針：伸入煙道的采樣探頭，負責抽取煙氣。通常需要耐高溫、耐腐蝕材料（如316L、304不銹鋼），前端帶過濾網或多孔陶瓷過濾，防止大顆粒灰進入分析系統。

伴熱：為了防止樣氣在管路中冷凝、形成水膜或酸性液體溶解煙氣中成分，采樣管路一般要全程伴熱（例如120–180℃），保持樣氣在露點溫度以上。

過濾與預處理：煙氣往往含有高粉塵、酸性氣體，因此需要多級過濾和冷凝除水或精細脫水，以保護后面昂貴的傳感器。

2）傳感器核心

氧化鋯探頭：常做成直插式（直接插煙道）、加熱直插式或抽氣式（樣氣抽到分析室）等結構，核心是氧化鋯陶瓷管和內外電極。

電化學池：通常是密封的燃料池型傳感器，氧在陰極發生反應產生電流。

順磁池：內部設有檢測池和參比池，利用磁風驅動微流量傳感器，非常精密。

3）變送器/信號處理單元

溫控：對氧化鋯探頭來說，必須有精確的溫控（如PID控制700℃或750℃）來保證測量精度。

信號調理：放大毫伏級電動勢或微弱電流，進行線性化處理、溫度補償、壓力補償。

模/數轉換和計算：將模擬信號轉為數字，由單片機或DSP根據能斯特公式或標定曲線計算氧含量。

4）顯示、輸出與報警

顯示：液晶顯示氧含量（%O?），有些還會顯示溫度、電勢、本底電勢等，便于維護人員判斷傳感器狀態。

輸出：常見為4–20mA或0–10V標準模擬量輸出，可接入DCS/PLC，也提供數字通信接口（RS?485/Modbus等）便于聯網。

報警與連鎖：氧量過高/過低、溫度異常等可設置報警繼電器輸出，參與燃燒控制連鎖或觸發安全保護。

三、煙氣測氧儀在典型工藝中的“價值體現”

1）火電鍋爐、工業爐窯的燃燒控制

鍋爐運行的核心目標之一，就是在保證安全的前提下“省著燒”。煙氣中的氧含量越接近“理論最佳值”，說明空氣配比越合理，過剩空氣少，排煙熱損失小，燃燒效率高。

氧過高：送風量過大，大量冷空氣被加熱后排走，浪費燃料，還會增加NO?排放。

氧過低：燃燒不充分，CO和可燃物增多，可能降低效率、造成尾部受熱面腐蝕和積碳。

通過在線氧分析儀閉環控制風門或變頻風機，可以把氧含量穩定控制在目標值附近，實現真正的“節能+減排”。

2）水泥窯、玻璃窯、加熱爐等高溫工藝

這類場合煙氣溫度高、粉塵大、成分復雜，但仍然需要對煙氣氧含量進行實時監測，以控制燃料配比、保證產品質量和設備安全。

水泥窯：控制窯內燃燒氣氛，有助于熟料礦物形成和降低能耗。

玻璃窯：氧含量波動會直接影響玻璃熔化質量、氣泡和顏色。

在這些場景中，高溫直插式氧化鋯探頭+耐腐蝕、耐磨護套的設計就顯得尤為關鍵。

3）焚燒爐與危廢處理

垃圾焚燒、危廢焚燒的煙氣中含有氯、硫、堿金屬等腐蝕性成分，氧含量監測既要“敢測”又要“活得久”。通常采用帶伴熱、多級過濾、耐腐蝕材質的采樣系統，配合耐腐蝕探頭。氧含量數據同時服務于燃燒控制和后續環保系統（如SNCR/SCR脫硝）的運行。

4）環保排放監測與CEMS

在環保監測系統（CEMS）中，氧含量是計算污染物折算濃度的重要參數。很多排放標準要求“折算到基準氧含量（如6%O?）”下的污染物濃度，所以氧測不準，污染物排放數據就會失真。

四、從“裝上去”到“用得好”：選型與維護要點

1）選型前先想清楚幾個問題

測量范圍：煙氣中的氧通常在0–10%或0–20%之間，但也有特定場景（如富氧燃燒、貧氧氣氛）需要更寬或更窄的量程。

工況溫度：樣氣溫度是否高于傳感器允許溫度？是否需要高溫直插探頭？是否需要冷卻/伴熱？

氣體成分：是否有可燃氣、高H?S、HCl等腐蝕性氣體？是否需要特殊防腐材料或預處理系統？

安裝方式：是煙道上開孔直插，還是旁路抽取？煙道負壓較大時要考慮樣氣抽取方式。

精度與響應時間：是只做趨勢監測，還是參與精確的燃燒控制？響應時間要求3秒還是10秒級別？

2）安裝中的“坑”與規避

采樣點選擇：避免渦流區、死角或大漏風區域，要選擇煙氣混合均勻、具有代表性的位置，否則測出來的氧值“看起來很準，但與真實情況不符”。

探頭插入深度：太短測不到主流煙氣，太長則受結構和熱膨脹影響。

密封與保溫：安裝處要嚴格密封，防止冷風漏入導致氧偏高；伴熱管路要保溫良好，防止局部冷凝。

3）日常維護與校準

定期檢查和更換過濾芯：防止煙塵堵塞采樣系統，導致測量滯后甚至“假死零”。

傳感器老化監控：氧化鋯探頭本底電勢會隨時間漂移，部分儀器支持在線本底電勢校正，通過定期觀察本底和氧電勢趨勢來判斷傳感器壽命。

定期通入標準氣進行校準：建議按廠家要求，定期（如每1–3個月）用接近工況氧含量的標準氣進行校準，確保數值準確。

記錄“履歷”：把校準記錄、維護更換時間、故障現象都記下來，有助于判斷問題根源。

五、小結：它不是儀表，而是燃燒與環保管理的“感官終端”

煙氣測氧用氧含量分析儀，從外表看就是一個探頭加一個表頭，但從價值上看，它是燃燒系統和環保系統的“感官終端”。它把看不見的氧含量，變成可以被自動化系統利用的數字信號，從而讓“更省的燒、更穩的控、更少的排放”真正落地。

對于現場儀表、工藝和環保工程師來說，理解它的工作原理、清楚它的適用邊界、做好選型與維護，才能讓這臺設備真正成為生產線上的“效率引擎”，而不是一塊掛在墻上卻沒被充分利用的“閑置屏顯”。