高效準確測試煙氣中氧含量方法探討

摘 要：為了在煙氣測試中得到準確氧含量數(shù)據(jù)，真實準確地折算污染物排放濃度，針對不同企業(yè)、不同工藝、不同工況以及不同的時間段等情況，利用煙氣測試儀進行參數(shù)測試和結果檢驗，就如何高效準確的測定含氧量進行探討并提出建議。

關鍵詞：煙氣測試儀；煙氣含氧量；相對誤差

中圖分類號：X83 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）06-00-03

0 引言

煙氣中氧含量是煤、油、生物質、天然氣等燃料燃燒后煙氣中含有多余的自由氧，通常以干基容積百分數(shù)來表示，氧含量折算系數(shù)是燃料燃燒時實際空氣供給量與理論空氣需要量之比值。在實際工作中，燃燒后廢氣氧含量濃度的高低主要是由設備工況運行狀況及燃燒載體密閉性能、燃料物質好壞、風機風量配送大小及人為操作等因素決定。煙氣中含氧量是反映燃燒設備運行良好程度的重要依據(jù)，測出煙氣的含氧量就可以判斷過剩空氣系數(shù)的實際大小，氧含量濃度過高或過低都對燃燒設備工作能效、燃料的利用率以及煙氣排放污染物濃度都有很大的影響，控制好煙氣含氧量對控制燃燒過程、實現(xiàn)安全生產、高效節(jié)能和低污染排放非常重要。同時，煙氣污染物濃度與氧含量有著密切的關系，煙氣中含氧量監(jiān)測的準確與否，直接影響到其它污染物最終的折算結果[1]。工業(yè)爐窯等廢氣監(jiān)測最終污染物排放濃度都是根據(jù)過剩空氣系數(shù)或者基準含氧量對煙氣中實測污染物的濃度折算而來，因此在廢氣污染物測試中含氧量或過?？諝庀禂?shù)的測定值就尤為重要。準確測得煙氣中含氧量的數(shù)據(jù)就能如實反映爐窯等設備運行狀況好壞、運行效率高低和煙氣中污染物排放濃度的情況，并對運行設備進行調整和控制，使其達到最佳狀況，同時也是控制和減少污染物排放的重要手段。

在煙氣污染物監(jiān)測過程中首先了解生產狀況、污染因子、運行設備、煙氣含氧量的理論值、監(jiān)測斷面開孔的位置等情況，嚴格按照

《GB 16157固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》《HJ/T 397固定污染源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范》《GB 5468鍋爐煙塵采樣測試方法》等監(jiān)測標準和規(guī)范來確定采樣時長、采樣點位，同時測量煙氣參數(shù)及氧含量。那么如何在測量煙氣中氧含量時既能保證準確真實性又能保護設備和傳感器的使用壽命、減少監(jiān)測人員的勞動強度，下面列舉氧含量的測試采用直接抽取式電化學法手工監(jiān)測，在不同情況下測得的氧含量的數(shù)值以供探討。

1 實驗部分

1.1 監(jiān)測地點

某企業(yè)水泥窯窯尾廢氣排口，某企業(yè)10 t蒸汽鍋爐廢氣排口，某企業(yè)間歇式廢氣排口。

1.2 監(jiān)測儀器

煙塵測量儀器1臺，煙氣測試儀器3臺。

1.3 儀器原理

3臺煙氣測試儀器氧含量監(jiān)測方法原理均為電化學方法，采用直接抽取式，被測氧氣通過傳感器半透膜充分擴散進入鉛鎳合金-空氣電池內，經電化學反應產生電能，其電流大小遵循法拉第定律，與反應的氧原子摩爾數(shù)成正比，放電形成電流經過負載形成電壓，測量負載上的電壓大小得到氧含量數(shù)值[2]。

1.4 儀器校準和質量控制

測試煙氣所用的儀器經授權的計量部門校準并保證正常的工作狀態(tài)，依據(jù)GB/T 16157—1996及

HJ/T 397—2007等采樣方法和技術規(guī)范并通過一氧化碳干擾試驗，采樣前后分別通入合適濃度的氧標準氣體，檢查儀器示值誤差，如超過允許范圍則按照儀器校準程序對儀器的測定量程進行校準；采樣前后分別對3臺煙氣分析儀進行氣密性檢查，確保儀器氣密性良好；采樣時，待測煙氣先經過煙氣分析儀加熱煙槍除濕，冷凝后接入煙氣分析儀，避免煙氣溫度和含濕量過高對儀器造成影響，從而影響測定結果。顆粒物采樣測量斷面和測量點優(yōu)先選擇垂直管段，避開彎頭和急劇變化區(qū)域，距離彎頭、閥門、變徑管下游方向不小于6倍直徑處，距上述部件上游方向不小于3倍直徑處[3]。

2 結果分析

2.1 工況穩(wěn)定的情況

以生產正常的某企業(yè)水泥窯窯尾廢氣排口作為測試點。水泥窯等設備工況運行穩(wěn)定，生產負荷達到95%以上。煙氣在煙道中分布比較均勻，選擇靠近煙道中心的點作為測量點。

1#煙氣測試儀進行氧含量監(jiān)測與顆粒物采樣同步開展，共采集4組氧含量（顆粒物），每組采樣24min，記錄4組氧含量數(shù)值；2#煙氣測試儀在顆粒物采樣前、采樣中及采樣后分別進行氧含量監(jiān)測，共采集3組氧含量，每組采樣10 min，記錄3組氧含量數(shù)值；3#煙氣測試儀測量在顆粒物采樣開始直到結束的整個過程進行氧含量監(jiān)測，共采集1組氧含量，記錄1組氧含量數(shù)值。表1為水泥窯窯尾廢氣排口中氧含量監(jiān)測結果。

表1 水泥窯窯尾廢氣排口中氧含量監(jiān)測結果

名稱 測量組號 測量時間

/min 氧含量數(shù)值/% 生產負荷/%

1#煙氣測試儀

（測量污染物時同步測量氧含量） 1組 24 8.2 監(jiān)測期間生產負荷比較平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在（95%～99%）

2組 24 8.5

3組 24 8.6

4組 24 8.3

氧含量平均值 8.40

標準偏差 0.183

相對標準偏差 2.18

2#煙氣測試儀

（污染物測量時段前中后監(jiān)測氧含量） 1組 測前10 8.1

2組 測中10 8.6

3組 測后10 8.4

氧含量平均值 8.37

標準偏差 0.252

相對標準偏差 3.01

3#煙氣測試儀

（污染物測量時全程測量氧含量） 1組 全程120 8.3

氧含量平均值 8.30

從表1、表2可看出，3臺煙氣測試儀測得的含氧量均值分別為8.40%、8.37%、8.30%，工況穩(wěn)定的情況下測得氧含量的數(shù)值相對穩(wěn)定，波動較小。1#煙氣測試儀監(jiān)測的4組氧含量數(shù)值，在計算污染物排放濃度時按每組對應的氧含量來折算；2#煙氣測試儀監(jiān)測的3組氧含量的數(shù)值，在計算污染物排放濃度時用3組氧含量的均值來計算；3#煙氣測試儀在監(jiān)測污染物時是全程測量氧含量得出一個均值，在計算4組污染物排放濃度時用全程氧含量的均值來計算。

表2 水泥窯氧含量測量結果統(tǒng)計

儀器編號 氧含量平均值/%

1#煙氣測試儀 8.40

2#煙氣測試儀 8.37

3#煙氣測試儀 8.30

平均值 8.36

標準偏差 0.051

相對標準偏差/% 0.610

2.2 工況不穩(wěn)定的情況

以某企業(yè)10 t蒸汽鍋爐廢氣排口作為測試點。由于鍋爐負荷是根據(jù)企業(yè)生產所需蒸汽量的大小而決定的，所以工況不太穩(wěn)定。又因為鍋爐負荷率和鍋爐燃燒時所需氧量的關系是鍋爐負荷越高所需氧量值越小，一般在低負荷時需要提高氧量以保證良好的燃燒工況，再者當燃料質量較差時，水分灰分較高時著火和燃盡困難就要適當增加氧量，此時就要增加送風量，以保障燃燒穩(wěn)定[4]。此次鍋爐運行負荷在65%～100%進行氧含量的測試并選擇靠近煙道中心的點作為監(jiān)測點。1#煙氣測試儀進行氧含量監(jiān)測與顆粒物采樣同步開展，共采集4組氧含量（顆粒物），每組采樣15 min，記錄4組氧含量數(shù)值；2#煙氣測試儀在顆粒物采樣前、采樣中及采樣后分別進行氧含量監(jiān)測，共采集3組氧含量，每組采樣10 min，記錄3組氧含量數(shù)值；3#煙氣測試儀測量在顆粒物采樣開始直到結束的整個過程進行氧含量監(jiān)測，共采集

1組氧含量，記錄1組氧含量數(shù)值，表3為鍋爐廢氣排口中氧含量監(jiān)測結果。

從表3、表4可看出，3臺煙氣測試儀的含氧量均值分別是10.4%、10.8%、10.5%，工況不穩(wěn)定的情況下測得氧含量的數(shù)值有波動，鍋爐負荷高時氧含量接近理論值，鍋爐負荷低時氧含量則升高，1#、2#煙氣測試儀測定的氧含量相對標準偏差均＞10%，這是由于鍋爐負荷不穩(wěn)定導致的。污染物排放濃度的計算方法與上文相同。

綜合上述情況，工況不太穩(wěn)定的情況下，以污染物小時濃度折算排放濃度時，以上三種方法都基本滿足折算條件，其中第一種方法用每組氧含量計算污染物排放濃度相對來說更加準確，但在測量氧含量時比較繁瑣；第二種方法是污染物測量前、中、后測得的氧含量均值計算污染物排放濃度，相對第一種方法的來說有一定的誤差，但在測量氧含量時相對比較簡單實用；第三種方法測量污染物用全程測得的氧含量計算污染物每組排放濃度也和前兩種方法一樣存在一定誤差，雖然在測量氧含量時比較簡單實用，但儀器使用時間過長對氧傳感器的使用壽命影響，特別是在高濕高污染的環(huán)境中。由此看來在生產工況不穩(wěn)定和比較特殊的情況下采樣最好采用第一種方法同步測量氧含量。第二種和第三種方法相對第一種方法測得氧含量有一定誤差，但由表4看出3臺測氧儀測得的相對標準偏差在2%以內。

2.3 間歇式排放污染物的情況

間歇式排放污染物如果按要求需要折氧時，就只能監(jiān)測污染物的同時測量氧含量，并按對應的氧含量來計算污染物的排放濃度。

3 結論

在實際監(jiān)測工作中，煙氣中含氧量的測試是比較復雜的問題，它受到諸多因素的影響，除燃燒工藝，燃料特性、設備性能、運行工況、風量配比、操作水平等外，還有測試儀器的準確性和響應時間、儀器和管路連接氣密性以及儀器的線性誤差等因素。

（1）企業(yè)工藝正常工況穩(wěn)定的情況下三種測氧含量方法無顯著差異都可以運用，測量污染物時，分別在前、中、后三個時段監(jiān)測氧含量的測試方法更加簡單實用。

（2）企業(yè)工藝正常工況不穩(wěn)定情況下單組測得氧含量的相對偏差比較大，測量污染物時同步測量氧含量的測試方法更加精準。

（3）企業(yè)間歇式排放污染物時在監(jiān)測時只能同步監(jiān)測氧含量。

（4）除以上測量方法外還要按照相關標準、規(guī)范要求，根據(jù)實際情況采用相對比較簡單、科學和合理的煙氣中氧含量的測試。

參考文獻：

[1] 聞欣，周靈輝，謝馨，張迪生.固定污染源煙氣中氧含量監(jiān)測方法比對[J] .北方環(huán)境. 2013，25（1）：136-139.

[2] 固定污染源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范：HJ/T 397—2007 [S].

[3] 固定污染源排氣中顆粒物的測定與氣態(tài)污染物采樣方法： GB/T 16157—1996 [S].

[4] 魏緒剛.鍋爐運行性能與煙氣含氧量優(yōu)化分析[J]黑龍江科技信息，2016（22）：66.

Exploration of Efficient and Accurate Testing Methods for Oxygen Content in Smoke

LIU Jun， WANG Jian-min， LIU Lang

（Yunnan Ecological Environment Monitoring Center， Kunming Yunnan 650034，China）

Abstract： In order to obtain accurate oxygen content data and convert pollutant emission concentration in flue gas test， this paper used flue gas tester to carry out parameter testing and result inspection according to different enterprises， different processes， different working conditions and different time periods. How to measure oxygen content efficiently and accurately was discussed and put forward as well as suggestions.

Key words： flue gas tester; oxygen content of flue gas; relative error

收稿日期：2024-01-08

作者簡介：劉軍（1969-），男，云南昆明市人，工程師，本科，主要從事環(huán)境空氣和廢氣監(jiān)測工作。