高效准确测试烟气中氧含量方法探讨

摘 要：为了在烟气测试中得到准确氧含量数据，真实准确地折算污染物排放浓度，针对不同企业、不同工艺、不同工况以及不同的时间段等情况，利用烟气测试仪进行参数测试和结果检验，就如何高效准确的测定含氧量进行探讨并提出建议。

关键词：烟气测试仪；烟气含氧量；相对误差

中图分类号：X83 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）06-00-03

0 引言

烟气中氧含量是煤、油、生物质、天然气等燃料燃烧后烟气中含有多余的自由氧，通常以干基容积百分数来表示，氧含量折算系数是燃料燃烧时实际空气供给量与理论空气需要量之比值。在实际工作中，燃烧后废气氧含量浓度的高低主要是由设备工况运行状况及燃烧载体密闭性能、燃料物质好坏、风机风量配送大小及人为操作等因素决定。烟气中含氧量是反映燃烧设备运行良好程度的重要依据，测出烟气的含氧量就可以判断过剩空气系数的实际大小，氧含量浓度过高或过低都对燃烧设备工作能效、燃料的利用率以及烟气排放污染物浓度都有很大的影响，控制好烟气含氧量对控制燃烧过程、实现安全生产、高效节能和低污染排放非常重要。同时，烟气污染物浓度与氧含量有着密切的关系，烟气中含氧量监测的准确与否，直接影响到其它污染物最终的折算结果[1]。工业炉窑等废气监测最终污染物排放浓度都是根据过剩空气系数或者基准含氧量对烟气中实测污染物的浓度折算而来，因此在废气污染物测试中含氧量或过剩空气系数的测定值就尤为重要。准确测得烟气中含氧量的数据就能如实反映炉窑等设备运行状况好坏、运行效率高低和烟气中污染物排放浓度的情况，并对运行设备进行调整和控制，使其达到最佳状况，同时也是控制和减少污染物排放的重要手段。

在烟气污染物监测过程中首先了解生产状况、污染因子、运行设备、烟气含氧量的理论值、监测断面开孔的位置等情况，严格按照

《GB 16157固定污染源排气中颗粒物和气态污染物采样方法》《HJ/T 397固定污染源废气监测技术规范》《GB 5468锅炉烟尘采样测试方法》等监测标准和规范来确定采样时长、采样点位，同时测量烟气参数及氧含量。那么如何在测量烟气中氧含量时既能保证准确真实性又能保护设备和传感器的使用寿命、减少监测人员的劳动强度，下面列举氧含量的测试采用直接抽取式电化学法手工监测，在不同情况下测得的氧含量的数值以供探讨。

1 实验部分

1.1 监测地点

某企业水泥窑窑尾废气排口，某企业10 t蒸汽锅炉废气排口，某企业间歇式废气排口。

1.2 监测仪器

烟尘测量仪器1台，烟气测试仪器3台。

1.3 仪器原理

3台烟气测试仪器氧含量监测方法原理均为电化学方法，采用直接抽取式，被测氧气通过传感器半透膜充分扩散进入铅镍合金-空气电池内，经电化学反应产生电能，其电流大小遵循法拉第定律，与反应的氧原子摩尔数成正比，放电形成电流经过负载形成电压，测量负载上的电压大小得到氧含量数值[2]。

1.4 仪器校准和质量控制

测试烟气所用的仪器经授权的计量部门校准并保证正常的工作状态，依据GB/T 16157—1996及

HJ/T 397—2007等采样方法和技术规范并通过一氧化碳干扰试验，采样前后分别通入合适浓度的氧标准气体，检查仪器示值误差，如超过允许范围则按照仪器校准程序对仪器的测定量程进行校准；采样前后分别对3台烟气分析仪进行气密性检查，确保仪器气密性良好；采样时，待测烟气先经过烟气分析仪加热烟枪除湿，冷凝后接入烟气分析仪，避免烟气温度和含湿量过高对仪器造成影响，从而影响测定结果。颗粒物采样测量断面和测量点优先选择垂直管段，避开弯头和急剧变化区域，距离弯头、阀门、变径管下游方向不小于6倍直径处，距上述部件上游方向不小于3倍直径处[3]。

2 结果分析

2.1 工况稳定的情况

以生产正常的某企业水泥窑窑尾废气排口作为测试点。水泥窑等设备工况运行稳定，生产负荷达到95%以上。烟气在烟道中分布比较均匀，选择靠近烟道中心的点作为测量点。

1#烟气测试仪进行氧含量监测与颗粒物采样同步开展，共采集4组氧含量（颗粒物），每组采样24min，记录4组氧含量数值；2#烟气测试仪在颗粒物采样前、采样中及采样后分别进行氧含量监测，共采集3组氧含量，每组采样10 min，记录3组氧含量数值；3#烟气测试仪测量在颗粒物采样开始直到结束的整个过程进行氧含量监测，共采集1组氧含量，记录1组氧含量数值。表1为水泥窑窑尾废气排口中氧含量监测结果。

表1 水泥窑窑尾废气排口中氧含量监测结果

名称 测量组号 测量时间

/min 氧含量数值/% 生产负荷/%

1#烟气测试仪

（测量污染物时同步测量氧含量） 1组 24 8.2 监测期间生产负荷比较平稳，基本稳定在（95%～99%）

2组 24 8.5

3组 24 8.6

4组 24 8.3

氧含量平均值 8.40

标准偏差 0.183

相对标准偏差 2.18

2#烟气测试仪

（污染物测量时段前中后监测氧含量） 1组 测前10 8.1

2组 测中10 8.6

3组 测后10 8.4

氧含量平均值 8.37

标准偏差 0.252

相对标准偏差 3.01

3#烟气测试仪

（污染物测量时全程测量氧含量） 1组 全程120 8.3

氧含量平均值 8.30

从表1、表2可看出，3台烟气测试仪测得的含氧量均值分别为8.40%、8.37%、8.30%，工况稳定的情况下测得氧含量的数值相对稳定，波动较小。1#烟气测试仪监测的4组氧含量数值，在计算污染物排放浓度时按每组对应的氧含量来折算；2#烟气测试仪监测的3组氧含量的数值，在计算污染物排放浓度时用3组氧含量的均值来计算；3#烟气测试仪在监测污染物时是全程测量氧含量得出一个均值，在计算4组污染物排放浓度时用全程氧含量的均值来计算。

表2 水泥窑氧含量测量结果统计

仪器编号 氧含量平均值/%

1#烟气测试仪 8.40

2#烟气测试仪 8.37

3#烟气测试仪 8.30

平均值 8.36

标准偏差 0.051

相对标准偏差/% 0.610

2.2 工况不稳定的情况

以某企业10 t蒸汽锅炉废气排口作为测试点。由于锅炉负荷是根据企业生产所需蒸汽量的大小而决定的，所以工况不太稳定。又因为锅炉负荷率和锅炉燃烧时所需氧量的关系是锅炉负荷越高所需氧量值越小，一般在低负荷时需要提高氧量以保证良好的燃烧工况，再者当燃料质量较差时，水分灰分较高时着火和燃尽困难就要适当增加氧量，此时就要增加送风量，以保障燃烧稳定[4]。此次锅炉运行负荷在65%～100%进行氧含量的测试并选择靠近烟道中心的点作为监测点。1#烟气测试仪进行氧含量监测与颗粒物采样同步开展，共采集4组氧含量（颗粒物），每组采样15 min，记录4组氧含量数值；2#烟气测试仪在颗粒物采样前、采样中及采样后分别进行氧含量监测，共采集3组氧含量，每组采样10 min，记录3组氧含量数值；3#烟气测试仪测量在颗粒物采样开始直到结束的整个过程进行氧含量监测，共采集

1组氧含量，记录1组氧含量数值，表3为锅炉废气排口中氧含量监测结果。

从表3、表4可看出，3台烟气测试仪的含氧量均值分别是10.4%、10.8%、10.5%，工况不稳定的情况下测得氧含量的数值有波动，锅炉负荷高时氧含量接近理论值，锅炉负荷低时氧含量则升高，1#、2#烟气测试仪测定的氧含量相对标准偏差均＞10%，这是由于锅炉负荷不稳定导致的。污染物排放浓度的计算方法与上文相同。

综合上述情况，工况不太稳定的情况下，以污染物小时浓度折算排放浓度时，以上三种方法都基本满足折算条件，其中第一种方法用每组氧含量计算污染物排放浓度相对来说更加准确，但在测量氧含量时比较繁琐；第二种方法是污染物测量前、中、后测得的氧含量均值计算污染物排放浓度，相对第一种方法的来说有一定的误差，但在测量氧含量时相对比较简单实用；第三种方法测量污染物用全程测得的氧含量计算污染物每组排放浓度也和前两种方法一样存在一定误差，虽然在测量氧含量时比较简单实用，但仪器使用时间过长对氧传感器的使用寿命影响，特别是在高湿高污染的环境中。由此看来在生产工况不稳定和比较特殊的情况下采样最好采用第一种方法同步测量氧含量。第二种和第三种方法相对第一种方法测得氧含量有一定误差，但由表4看出3台测氧仪测得的相对标准偏差在2%以内。

2.3 间歇式排放污染物的情况

间歇式排放污染物如果按要求需要折氧时，就只能监测污染物的同时测量氧含量，并按对应的氧含量来计算污染物的排放浓度。

3 结论

在实际监测工作中，烟气中含氧量的测试是比较复杂的问题，它受到诸多因素的影响，除燃烧工艺，燃料特性、设备性能、运行工况、风量配比、操作水平等外，还有测试仪器的准确性和响应时间、仪器和管路连接气密性以及仪器的线性误差等因素。

（1）企业工艺正常工况稳定的情况下三种测氧含量方法无显著差异都可以运用，测量污染物时，分别在前、中、后三个时段监测氧含量的测试方法更加简单实用。

（2）企业工艺正常工况不稳定情况下单组测得氧含量的相对偏差比较大，测量污染物时同步测量氧含量的测试方法更加精准。

（3）企业间歇式排放污染物时在监测时只能同步监测氧含量。

（4）除以上测量方法外还要按照相关标准、规范要求，根据实际情况采用相对比较简单、科学和合理的烟气中氧含量的测试。

参考文献：

[1] 闻欣，周灵辉，谢馨，张迪生.固定污染源烟气中氧含量监测方法比对[J] .北方环境. 2013，25（1）：136-139.

[2] 固定污染源废气监测技术规范：HJ/T 397—2007 [S].

[3] 固定污染源排气中颗粒物的测定与气态污染物采样方法： GB/T 16157—1996 [S].

[4] 魏绪刚.锅炉运行性能与烟气含氧量优化分析[J]黑龙江科技信息，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

作者简介：刘军（1969-），男，云南昆明市人，工程师，本科，主要从事环境空气和废气监测工作。