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烟气氧含量传感器研究与设计 　　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???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700～8