烟气分析仪的工作原理及应用

　　一、烟气分析仪（或燃烧效率测定仪）

　　烟气分析仪是抽气采样炉窑烟道气体并自动进行成分分析的仪表，分为在线监测式和便携式。一般可以测量分析烟气中的CO、O₂、NOx、SO₂等气体含量，以及烟气温度、压力等，并通过计算获得CO₂含量、过剩空气系数、烟气露点、燃烧效率、排烟热损失、烟气流量等热工参数。

　　烟气分析仪中一般安装多个传感器，分为电化学传感器和红外传感器。电化学传感器测量原理是将待测气体经过除尘、去湿后进入传感器室，经由渗透膜进入电解槽，使在电解液中被扩散吸收的气体在规定的氧化电位下进行电位电解，根据耗用的电解电流求出其气体的浓度。

　　红外传感器主要由红外光源、红外吸收池、红外接收器、气体管路、温度传感器等组成。它是利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，当被测气体进入红外吸收池后会对红外光有不同程度的吸收，从而计算出气体含量。红外传感器具有抗中毒性好、量程范围广、反应灵敏等特点。

　　二、氧气分析仪

　　测量烟气中含氧量的仪表称为氧分析仪（氧量计）。常用的氧分析仪主要有热磁式和氧化锆式两种。

　　（1）热磁式氧分析仪

　　其原理是利用烟气组分中氧气的磁化率特别高这一物理特性来测定烟气中含氧量。氧气为顺磁性气体（气体能被磁场所吸引的称为顺磁性气体），在不均匀磁场中受到吸引而流向磁场较强处。在该处设有加热丝，使此处氧的温度升高而磁化率下降，因而磁场吸引力减小，受后面磁化率较高的未被加热的氧气分子推挤而排出磁场，由此造成“热磁对流”或“磁风”现象。在一定的气样压力、温度和流量下，通过测量磁风大小就可测得气样中氧气含量。由于热敏元件（铂丝）既作为不平衡电桥的两个桥臂电阻，又作为加热电阻丝，在磁风的作用下出现温度梯度，即进气侧桥臂的温度低于出气侧桥臂的温度。不平衡电桥将随着气样中氧气含量的不同，输出相应的电压值。

　　热磁式氧分析仪虽然具有结构简单、便于制造和调整等优点，但由于其反应速度慢、测量误差大、容易发生测量环室堵塞和热敏元件腐蚀严重等缺点，已逐渐被氧化锆氧分析仪所取代。

　　（2）氧化锆传感器式氧分析仪

　　氧化锆（ZrO₂）是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。在常温下为单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收缩；当温度降低时，又变为单斜晶体。若反复加热与冷却，ZrO₂就会破裂。因此，纯净的ZrO₂不能用作测量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y₂O₃）作稳定剂，再经过高温焙烧，则变为稳定的氧化锆材料，这时，四价的锆被二价的钙或三价的钇置换，同时产生氧离子空穴，所以ZrO₂属于阴离子固体电解质。ZrO₂主要通过空穴的运动而导电，当温度达到600℃以上时，ZrO₂就变为良好的氧离子导体。

　　在氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因而在两铂电极之间产生氧浓差电势。此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。若一侧氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。

　　氧化锆氧分析仪具有结构和采样预处理系统较简单、灵敏度和分辨率高、测量范围宽、响应速度较快等优点。

　　三、产品及应用

　　烟气分析仪器应用领域十分广泛，例如：

　　（1）热电厂循环流化床锅炉用于燃烧控制室的烟道气体监测；

　　（2）钢铁厂轧钢加热炉用于解决降低氧化烧损或脱碳层厚度时的炉气气氛检测；

　　（3）全氢热处理炉用于检测辐射管是否烧穿漏气

　　（4）研制新型燃烧器（蓄热式、低NOx式、辐射管式）时用于燃烧器结构尺寸的设计研究；

　　（5）汽车尾气排放检测；

　　（6）其他环境保护监测项目。