1 前言
隨著人們環保和節能意識的逐漸提高，眾多大中型企業如鋼鐵冶金、石油化工、火力發電廠等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環境等作為提高產品質量和增強產品競爭能力的重要途徑。鋼鐵行業的軋鋼加熱爐、電力行業的鍋爐等燃燒裝置和熱工設備，是各行業的能源消耗大戶。因此，如何測量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定*佳燃燒點，是十分令人關心的。
2 確定*佳燃燒效率點
供給加熱爐、鍋爐等加熱設備的燃料燃燒熱并不是全部被利用了。以軋鋼加熱爐或鍋爐為例，有效熱是為了使物料加熱或熔化（以及工藝過程的進行）所必須傳入的熱量。根據爐子熱平衡可知，QQQQQ12341 η= 式中，Q——供給爐子的熱量；Q1——爐子煙氣（廢氣）中過剩空氣帶走的物理熱；Q2——爐子煙氣（廢氣）中燃料不完全燃燒而生成的或未燃燒的 CO 氣帶走的物理熱；Q3——爐子設備熱損失（包括爐體散熱、逸氣損失、冷卻水帶走、熱輻射等）；Q4——其他熱損失。由上式可以看出，爐子煙氣帶走的物理熱是熱損失中主要部分。圖 1 顯示了熱效率和各項熱損失隨著空燃比α的增減的變化規律。當鼓風量過大時（即空燃比α偏大），雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過剩空氣量偏大，表現為煙氣中 O2含量高，過剩空氣帶走的熱損失 Q1值增大，導致熱效率η偏低。與此同時，過量的氧氣會與燃料中的 S、煙氣中的 N2反應生成 SO2、NOX等有害物質。而對于軋鋼加熱爐，煙氣中氧含量過高還會導致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。當鼓風量偏低時（即空燃比α減小），表現為煙氣中 O2含量低，CO 含量高，雖說排煙熱損失小，但燃料沒有完全燃燒，熱損失 Q2增大，熱效率η也將降低。另外，煙囪也會冒黑煙而污染環境。
由上文可知，熱效率與煙氣中的 CO、O2、CO2含量以及排煙溫度、供熱負荷、霧化條件等因素有關。因此，可通過測量并控制煙道氣體中 CO、O2、CO2的含量來調節空氣消耗系數λ，來達到*高燃燒效率。燃燒效率控制由來已久，上世紀 60 年代，曾廣泛采用 CO2分析儀監測煙道氣體中 CO2含量來控制空氣消耗系數λ以達到*佳，但 CO2含量受燃料品種影響較大。70 年代后，逐漸采用煙氣中 O2含量或 O2含量和 CO 含量相結合的方法來控制燃燒效率。提高燃燒效率*直接的方法就是使用煙氣分析儀器（如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀）連續監測煙道氣體成分，分析煙氣中 O2含量和 CO 含量，調節助燃空氣和燃料的流量，確定*佳的空氣消耗系數。
3 正確使用煙氣分析儀
無論采取何種方式控制燃燒效率，快速、準確的測量煙氣中 O2含量和 CO 含量都是實現*佳燃燒的前提條件。因此，這里介紹一些典型的煙氣分析儀器的工作原理及其使用方法。
3.1 煙氣分析儀（或燃燒效率測定儀）
煙氣分析儀是抽氣采樣爐窯煙道氣體并自動進行成分分析的儀表，分為在線監測式和便攜式。一般可以測量分析煙氣中的 CO、O2、NOX、SO2等氣體含量，以及煙氣溫度、壓力等，并通過計算獲得 CO2含量、過剩空氣系數、煙氣露點、燃燒效率、排煙熱損失、煙氣流量等熱工參數。
煙氣分析儀中一般安裝多個傳感器，分為電化學傳感器和紅外傳感器。電化學傳感器測量原理是將待測氣體經過除塵、去濕后進入傳感器室，經由滲透膜進入電解槽，使在電解液中被擴散吸收的氣體在規定的氧化電位下進行電位電解，根據耗用的電解電流求出其氣體的濃度。
紅外傳感器主要由紅外光源、紅外吸收池、紅外接收器、氣體管路、溫度傳感器等組成。它是利用各種元素對某個特定波長的吸收原理，當被測氣體進入紅外吸收池后會對紅外光有不同程度的吸收，從而計算出氣體含量。紅外傳感器具有抗中毒性好、量程范圍廣、反應靈敏等特點。
3.2 氧氣分析儀
測量煙氣中含氧量的儀表稱為氧分析儀（氧量計）。常用的氧分析儀主要有熱磁式和氧化鋯式兩種。
（1）熱磁式氧分析儀
其原理是利用煙氣組分中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測定煙氣中含氧量。氧氣為順磁性氣體（氣體能被磁場所吸引的稱為順磁性氣體），在不均勻磁場中受到吸引而流向磁場較強處。在該處設有加熱絲，使此處氧的溫度升高而磁化率下降，因而磁場吸引力減小，受后面磁化率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場，由此造成“熱磁對流”或“磁風”現象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過測量磁風大小就可測得氣樣中氧氣含量。由于熱敏元件（鉑絲）既作為不平衡電橋的兩個橋臂電阻，又作為加熱電阻絲，在磁風的作用下出現溫度梯度，即進氣側橋臂的溫度低于出氣側橋臂的溫度。不平衡電橋將隨著氣樣中氧氣含量的不同，輸出相應的電壓值。熱磁式氧分析儀雖然具有結構簡單、便于制造和調整等優點，但由于其反應速度慢、測量誤差大、容易發生測量環室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴重等缺點，已逐漸被氧化鋯氧分析儀所取代。
（2）氧化鋯傳感器式氧分析儀
氧化鋯（ZrO2）是一種陶瓷，一種具有離子導電性質的固體。在常溫下為單斜晶體，當溫度升高到 1150℃時，晶型轉變為立方晶體，同時約有 7%的體積收縮；當溫度降低時，又變為單斜晶體。若反復加熱與冷卻，ZrO2就會破裂。因此，純凈的 ZrO2不能用作測量元件。如果在 ZrO2中加入一定量的氧化鈣（CaO）或氧化釔（Y2O3）作穩定劑，再經過高溫焙燒，則變為穩定的氧化鋯材料，這時，四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換，同時產生氧離子空穴，所以 ZrO2屬于陰離子固體電解質。ZrO2主要通過空穴的運動而導電，當溫度達到 600℃以上時，ZrO2就變為良好的氧離子導體。
在氧化鋯電解質的兩面各燒結一個鉑電極，當氧化鋯兩側的氧分壓不同時，氧分壓高的一側的氧以離子形式向氧分壓低的一側遷移，結果使氧分壓高的一側鉑電極失去電子顯正電，而氧分壓低的一側鉑電極得到電子顯負電，因而在兩鉑電極之間產生氧濃差電勢。此電勢在溫度一定時只與兩側氣體中氧氣含量的差（氧濃差）有關。若一側氧氣含量已知（如空氣中氧氣含量為常數），則另一側氧氣含量（如煙氣中氧氣含量）就可用氧濃差電勢表示，測出氧濃差電勢，便可知道煙氣中氧氣含量。
氧化鋯氧分析儀具有結構和采樣預處理系統較簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應速度較快等優點。
3.3 測試設備及應用
煙氣分析儀器應用領域十分廣泛，例如：
（1）熱電廠循環流化床鍋爐用于燃燒控制室的煙道氣體監測；
（2）鋼鐵廠軋鋼加熱爐用于解決降低氧化燒損或脫碳層厚度時的爐氣氣氛檢測；
（3）全氫熱處理爐用于檢測輻射管是否燒穿漏氣
（4）研制新型燃燒器（蓄熱式、低 NOX式、輻射管式）時用于燃燒器結構尺寸的設計研究；
（5）汽車尾氣排放檢測；
（6）其他環境保護監測項目。
國內外煙氣分析儀器產品眾多，性能特點也參差不齊。其中，德國漢堡名優（MRU）環保測量技術公司出品的煙氣分析儀種類齊全、性能優良，占據了國內較大市場份額。煙氣分析儀可測量和顯示 O2、CO、CO2、NOX、SO2等氣體成分以及煙氣溫度、壓力、煙氣黑度和燃燒效率、過剩空氣系數等，并可擴展其他氣體成分的測試，是熱工研究和燃燒控制的有力武器。
4 結束語
煙氣分析儀已經成為控制爐窯燃燒和運行不可缺少的重要設備，正確使用它并通過它合理調節爐窯熱工操作參數，將收到以下效果：
（1）節約能源。減少助燃空氣量和排風量，節省通風機動力費用。減少煙氣中過量空氣帶走的熱量損失，達到節能的目的。或減少過量燃燒供給量，直接實現節約燃料。
（2）減少環境污染。減少 NOX、SO2等污染物的排放。
（3）提高產品質量。控制煙氣殘氧量可減少鋼坯氧化燒損，提高企業經濟效益。
（4）延長爐窯使用壽命。我國有數十萬臺中小型工業鍋爐和加熱爐，我國的發電煤耗和噸鋼能耗都與******有一定差距，若能采用煙氣分析儀器等自動控制手段，對有關燃燒參數進行在線、及時、準確的監測，以便實現人工調節或自動控制，使燃燒效率達到*高（或者較高），將給社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。
