高效準(zhǔn)確測(cè)試煙氣中氧含量方法探討

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

關(guān)鍵詞：煙氣測(cè)試儀；煙氣含氧量；相對(duì)誤差

中圖分類號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）06-00-03

0 引言

煙氣中氧含量是煤、油、生物質(zhì)、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?jǐn)?shù)來(lái)表示，氧含量折算系數(shù)是燃料燃燒時(shí)實(shí)際空氣供給量與理論空氣需要量之比值。在實(shí)際工作中，燃燒后廢氣氧含量濃度的高低主要是由設(shè)備工況運(yùn)行狀況及燃燒載體密閉性能、燃料物質(zhì)好壞、風(fēng)機(jī)風(fēng)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(shè)備運(yùn)行良好程度的重要依據(jù)，測(cè)出煙氣的含氧量就可以判斷過(guò)剩空氣系數(shù)的實(shí)際大小，氧含量濃度過(guò)高或過(guò)低都對(duì)燃燒設(shè)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(duì)控制燃燒過(guò)程、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、高效節(jié)能和低污染排放非常重要。同時(shí)，煙氣污染物濃度與氧含量有著密切的關(guān)系，煙氣中含氧量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確與否，直接影響到其它污染物最終的折算結(jié)果[1]。工業(yè)爐窯等廢氣監(jiān)測(cè)最終污染物排放濃度都是根據(jù)過(guò)剩空氣系數(shù)或者基準(zhǔn)含氧量對(duì)煙氣中實(shí)測(cè)污染物的濃度折算而來(lái)，因此在廢氣污染物測(cè)試中含氧量或過(guò)剩空氣系數(shù)的測(cè)定值就尤為重要。準(zhǔn)確測(cè)得煙氣中含氧量的數(shù)據(jù)就能如實(shí)反映爐窯等設(shè)備運(yùn)行狀況好壞、運(yùn)行效率高低和煙氣中污染物排放濃度的情況，并對(duì)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和控制，使其達(dá)到最佳狀況，同時(shí)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(cè)過(guò)程中首先了解生產(chǎn)狀況、污染因子、運(yùn)行設(shè)備、煙氣含氧量的理論值、監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)孔的位置等情況，嚴(yán)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(cè)技術(shù)規(guī)范》《GB 5468鍋爐煙塵采樣測(cè)試方法》等監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來(lái)確定采樣時(shí)長(zhǎng)、采樣點(diǎn)位，同時(shí)測(cè)量煙氣參數(shù)及氧含量。那么如何在測(cè)量煙氣中氧含量時(shí)既能保證準(zhǔn)確真實(shí)性又能保護(hù)設(shè)備和傳感器的使用壽命、減少監(jiān)測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，下面列舉氧含量的測(cè)試采用直接抽取式電化學(xué)法手工監(jiān)測(cè)，在不同情況下測(cè)得的氧含量的數(shù)值以供探討。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

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(cè)儀器

煙塵測(cè)量?jī)x器1臺(tái)，煙氣測(cè)試儀器3臺(tái)。

1.3 儀器原理

3臺(tái)煙氣測(cè)試儀器氧含量監(jiān)測(cè)方法原理均為電化學(xué)方法，采用直接抽取式，被測(cè)氧氣通過(guò)傳感器半透膜充分?jǐn)U散進(jìn)入鉛鎳合金-空氣電池內(nèi)，經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，其電流大小遵循法拉第定律，與反應(yīng)的氧原子摩爾數(shù)成正比，放電形成電流經(jīng)過(guò)負(fù)載形成電壓，測(cè)量負(fù)載上的電壓大小得到氧含量數(shù)值[2]。

1.4 儀器校準(zhǔn)和質(zhì)量控制

測(cè)試煙氣所用的儀器經(jīng)授權(quán)的計(jì)量部門校準(zhǔn)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(shù)規(guī)范并通過(guò)一氧化碳干擾試驗(yàn)，采樣前后分別通入合適濃度的氧標(biāo)準(zhǔn)氣體，檢查儀器示值誤差，如超過(guò)允許范圍則按照儀器校準(zhǔn)程序?qū)x器的測(cè)定量程進(jìn)行校準(zhǔn)；采樣前后分別對(duì)3臺(tái)煙氣分析儀進(jìn)行氣密性檢查，確保儀器氣密性良好；采樣時(shí)，待測(cè)煙氣先經(jīng)過(guò)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(guò)高對(duì)儀器造成影響，從而影響測(cè)定結(jié)果。顆粒物采樣測(cè)量斷面和測(cè)量點(diǎn)優(yōu)先選擇垂直管段，避開(kāi)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(jié)果分析

2.1 工況穩(wěn)定的情況

以生產(chǎn)正常的某企業(yè)水泥窯窯尾廢氣排口作為測(cè)試點(diǎn)。水泥窯等設(shè)備工況運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)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(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)。

1#煙氣測(cè)試儀進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)與顆粒物采樣同步開(kāi)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(cè)試儀在顆粒物采樣前、采樣中及采樣后分別進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)，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(cè)試儀測(cè)量在顆粒物采樣開(kāi)始直到結(jié)束的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)，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(cè)結(jié)果。

表1 水泥窯窯尾廢氣排口中氧含量監(jiān)測(cè)結(jié)果

名稱 測(cè)量組號(hào) 測(cè)量時(shí)間

/min 氧含量數(shù)值/% 生產(chǎn)負(fù)荷/%

1#煙氣測(cè)試儀

（測(cè)量污染物時(shí)同步測(cè)量氧含量） 1組 24 8.2 監(jiān)測(cè)期間生產(chǎn)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)偏差 0.183

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 2.18

2#煙氣測(cè)試儀

（污染物測(cè)量時(shí)段前中后監(jiān)測(cè)氧含量） 1組 測(cè)前10 8.1

2組 測(cè)中10 8.6

3組 測(cè)后10 8.4

氧含量平均值 8.37

標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.252

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 3.01

3#煙氣測(cè)試儀

（污染物測(cè)量時(shí)全程測(cè)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(tái)煙氣測(cè)試儀測(cè)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(cè)得氧含量的數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)較小。1#煙氣測(cè)試儀監(jiān)測(cè)的4組氧含量數(shù)值，在計(jì)算污染物排放濃度時(shí)按每組對(duì)應(yīng)的氧含量來(lái)折算；2#煙氣測(cè)試儀監(jiān)測(cè)的3組氧含量的數(shù)值，在計(jì)算污染物排放濃度時(shí)用3組氧含量的均值來(lái)計(jì)算；3#煙氣測(cè)試儀在監(jiān)測(cè)污染物時(shí)是全程測(cè)量氧含量得出一個(gè)均值，在計(jì)算4組污染物排放濃度時(shí)用全程氧含量的均值來(lái)計(jì)算。

表2 水泥窯氧含量測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

儀器編號(hào) 氧含量平均值/%

1#煙氣測(cè)試儀 8.40

2#煙氣測(cè)試儀 8.37

3#煙氣測(cè)試儀 8.30

平均值 8.36

標(biāo)準(zhǔn)偏差 0.051

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試點(diǎn)。由于鍋爐負(fù)荷是根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)所需蒸汽量的大小而決定的，所以工況不太穩(wěn)定。又因?yàn)殄仩t負(fù)荷率和鍋爐燃燒時(shí)所需氧量的關(guān)系是鍋爐負(fù)荷越高所需氧量值越小，一般在低負(fù)荷時(shí)需要提高氧量以保證良好的燃燒工況，再者當(dāng)燃料質(zhì)量較差時(shí)，水分灰分較高時(shí)著火和燃盡困難就要適當(dāng)增加氧量，此時(shí)就要增加送風(fēng)量，以保障燃燒穩(wěn)定[4]。此次鍋爐運(yùn)行負(fù)荷在65%～100%進(jìn)行氧含量的測(cè)試并選擇靠近煙道中心的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。1#煙氣測(cè)試儀進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)與顆粒物采樣同步開(kāi)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(cè)試儀在顆粒物采樣前、采樣中及采樣后分別進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)，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(cè)試儀測(cè)量在顆粒物采樣開(kāi)始直到結(jié)束的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行氧含量監(jiān)測(cè)，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(cè)結(jié)果。

從表3、表4可看出，3臺(tái)煙氣測(cè)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(cè)得氧含量的數(shù)值有波動(dòng)，鍋爐負(fù)荷高時(shí)氧含量接近理論值，鍋爐負(fù)荷低時(shí)氧含量則升高，1#、2#煙氣測(cè)試儀測(cè)定的氧含量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均＞10%，這是由于鍋爐負(fù)荷不穩(wěn)定導(dǎo)致的。污染物排放濃度的計(jì)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(shí)濃度折算排放濃度時(shí)，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(jì)算污染物排放濃度相對(duì)來(lái)說(shuō)更加準(zhǔn)確，但在測(cè)量氧含量時(shí)比較繁瑣；第二種方法是污染物測(cè)量前、中、后測(cè)得的氧含量均值計(jì)算污染物排放濃度，相對(duì)第一種方法的來(lái)說(shuō)有一定的誤差，但在測(cè)量氧含量時(shí)相對(duì)比較簡(jiǎn)單實(shí)用；第三種方法測(cè)量污染物用全程測(cè)得的氧含量計(jì)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(cè)量氧含量時(shí)比較簡(jiǎn)單實(shí)用，但儀器使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)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(lái)在生產(chǎn)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(cè)量氧含量。第二種和第三種方法相對(duì)第一種方法測(cè)得氧含量有一定誤差，但由表4看出3臺(tái)測(cè)氧儀測(cè)得的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在2%以內(nèi)。

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(shí)，就只能監(jiān)測(cè)污染物的同時(shí)測(cè)量氧含量，并按對(duì)應(yīng)的氧含量來(lái)計(jì)算污染物的排放濃度。

3 結(jié)論

在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，煙氣中含氧量的測(cè)試是比較復(fù)雜的問(wèn)題，它受到諸多因素的影響，除燃燒工藝，燃料特性、設(shè)備性能、運(yùn)行工況、風(fēng)量配比、操作水平等外，還有測(cè)試儀器的準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)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(cè)氧含量方法無(wú)顯著差異都可以運(yùn)用，測(cè)量污染物時(shí)，分別在前、中、后三個(gè)時(shí)段監(jiān)測(cè)氧含量的測(cè)試方法更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

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

（3）企業(yè)間歇式排放污染物時(shí)在監(jiān)測(cè)時(shí)只能同步監(jiān)測(cè)氧含量。

（4）除以上測(cè)量方法外還要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，根據(jù)實(shí)際情況采用相對(duì)比較簡(jiǎn)單、科學(xué)和合理的煙氣中氧含量的測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[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(cè)方法比對(duì)[J] .北方環(huán)境. 2013，25（1）：136-139.

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[4] 魏緒剛.鍋爐運(yùn)行性能與煙氣含氧量?jī)?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(jiǎn)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(cè)工作。