伸进烟道的“氧传感器”：直插式氧化锆分析仪如何简化在线测氧

在锅炉和工业炉窑的现场，大家经常能在烟道上看到一根粗粗的不锈钢管直接插进去，尾端连着一根电缆和一个小仪表箱——这就是直插式氧化锆氧分析仪。比起复杂的旁路采样系统，它几乎“零管路、零抽气泵”，但依然能实时、准确地告诉控制系统烟气里有多少氧。

下面这篇专门来讲讲它的原理、结构、分类、选型要点和现场使用经验。

一、基本原理：一块高温下的“氧浓差电池”

直插式氧化锆分析仪的核心，是一个氧化锆陶瓷管传感器，其在高温下具有氧离子导电特性。当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧离子会从高氧侧向低氧侧迁移，形成一个浓差电动势E。E与两侧氧浓度的关系满足能斯特方程：

E=(RT/4F)×ln(P₀/P)

其中：

R：气体常数

T：绝对温度（K）

F：法拉第常数

P₀：参比气氧分压（通常为空气，约20.6%O₂）

P：被测烟气氧分压

通过控制氧化锆元件在固定高温（如700或750℃），测量E的大小，就可以反推出被测烟气的氧含量P。这就是氧化锆测氧的根本原理。

为了让氧化锆元件一直保持在合适的温度，直插式探头通常内置微型电炉和热电偶，并配套变送器中的PID温控电路，保证传感器稳定工作。

二、为什么“直插式”被广泛采用？

与“抽气式”相比，直插式有非常明显的优势：

1）结构简单、无复杂采样系统

不需要抽气泵、伴热管、冷凝器等复杂采样装置，减少了系统故障点和维护量。

烟气直接接触探头，响应更快，更能实时反映炉内燃烧状况。

2）耐高温、适应性强

探头本体可以工作在高温烟道中，自带加热和保温结构，烟气温度在一定范围内波动不会影响测量。

对于600–1300℃高温烟气，有对应的高温直插探头可以直接使用，无需额外冷却。

3）灰堵风险相对可控

通过适当的过滤器设计（多孔陶瓷、金属烧结滤芯）和反吹机制，可以有效减少粉尘堵塞。

直插式的探头结构在一定程度上“自清洁”，烟气流过时带走部分沉积物。

4）施工方便，易于改造

只要在烟道上焊一个法兰，把探头插进去固定，接好电源和信号线即可投入使用，工程量小，适合老机组改造。

三、按温度分类：直插式氧化锆探头的“家族成员”

根据被测烟气温度范围，直插式氧化锆分析仪大致可分为几类：

1）低温直插式（烟气温度约0–600℃）

探头自带加热炉，保证传感器在即使烟气温度较低时仍能保持工作温度（如700℃）。

适用场景：燃煤锅炉尾部、燃气锅炉、工业窑炉低温段、部分工艺尾气等。

2）中低温直插式（烟气温度约500–950℃）

可以利用部分烟气温度，降低加热负荷，但仍带加热装置。

应用：火力发电厂、垃圾发电、危废处理、化工炉窑等。

3）中高温直插式（烟气温度约600–1000℃）

探头本身不再需要额外加热炉，直接依靠高温烟气维持工作温度，但需考虑材料耐高温和冷却结构。

应用：电厂高温段、石化加热炉等。

4）高温直插式（烟气温度约700–1300℃）

应用：材料退火炉、回火炉、淬火炉、陶瓷窑炉、烧结炉、电渣重熔炉、热风炉排烟、玻璃窑炉等。

选型时，首先看工况烟温范围，再选合适的探头类型和材料。

四、典型结构细节：一个小小的探头里藏了多少技术？

直插式氧化锆分析仪通常由“探头+变送器”组成，而探头本身的构造也非常讲究：

1）护套与过滤器

护套：多采用316L或304不锈钢，耐磨、耐腐蚀，可定制长度和直径（例如48/50/57 mm），以适应不同口径烟道。

过滤器：前端装有多孔陶瓷或烧结金属过滤器，阻挡大颗粒灰，同时保证烟气顺利进入。

2）氧化锆锆头与陶瓷焊接

氧化锆锆头采用高温陶瓷焊接技术，减少热应力造成的开裂和损坏，提高寿命和稳定性。

3）热扩散参比（部分型号）

不需要专门的参比空气泵，而是利用自然对流扩散方式引入参比空气，简化结构，减少维护点。

4）内置加热炉和热电偶

带加热的探头，内部装有小功率电炉和K型热电偶，由变送器通过PID控制加热，保证锆头工作在设定温度。

5）接线盒与防爆设计（如需要）

接线盒采用防水防尘结构（如IP65/66），必要时可做成隔爆型，适用于危险区域。

变送器则负责供电、温控、信号采集、计算、显示和输出，有的机型还带本底电势一键校准、多量程切换、故障自诊断等功能。

五、如何选型：从“看起来都差不多”到“真正合用”

厂家宣传的参数看起来大同小异，但真正合不合用，要看以下几点是否与现场匹配：

1）烟气温度范围

确定长期工作温度和短期最高温度，选择合适温度等级的探头。

若温度变化剧烈，要考虑探头热惰性保护能力和抗热震性能。

2）氧量程与精度

常见量程0–5%O₂和5–25%O₂可选，也可自由设定，如0–10%或0–20%。

满量程误差通常≤±1%，重复性可到±0.5%FS，参与控制时需要关注精度指标。

3）探头长度和法兰规格

根据烟道直径和内部结构确定插入深度（一般建议插入到烟道中心或稍偏中心），避免靠近壁面造成测量失真。

法兰规格通常为DN50/DN80，也可以按用户要求定制。

4）是否需要防腐/耐磨/防爆

含硫、氯等腐蚀性烟气，需要防腐型探头与护套。

高粉尘场合需要耐磨设计和更强的过滤器或反吹装置。

在石化、化工等爆炸性危险区域，需选择防爆型氧化锆分析仪，防爆等级如Ex dⅡCT4。

5）电气与信号接口

常见供电AC 220V，输出4–20mA隔离电流输出，负载能力750Ω左右，便于长距离传输。

是否需要继电器报警输出、RS‑485通信等，要与系统设计一致。

六、安装与维护中容易被忽视的细节

1）安装位置选择

尽量避开弯头、阀门、挡板后紊流严重区域，选择烟气流动平稳、有代表性的直管段（如上游4–6倍管径、下游2–3倍管径）。

注意防止冷风漏入烟道或法兰处漏气，导致氧量虚假升高。

2）启动与升温

新装或长时间停用后，应按说明书逐步升温，避免剧烈热应力损坏锆头。

探头温度未达到工作温度前，不要把氧量信号投入控制使用，以免出现误判。

3）校准与零点/量程检查

尽管直插式支持“工况在线校准”（通入标准气在原工况下标定），但仍要定期进行零点和量程检查。

注意标准气选择要与被测烟气成分相近，避免因可燃气或CO₂造成的交叉影响。

4）传感器更换与寿命评估

氧化锆元件一般寿命2–5年不等，与工况温度、氧含量波动、成分和启停次数有关。

许多机型支持元件更换而不是整探头报废，可以降低使用成本（防爆型通常为一体化设计，不允许随意拆卸）。

5）本底电势的监控

仪器显示本底电势时，可通过观察本底值的变化趋势来评估传感器老化程度，必要时进行本底电势校正或提前准备备件。

七、小结：直插式氧化锆分析仪的核心价值

直插式氧化锆分析仪，从表面看只是“一个探头加个表头”，但它的价值在于：

用最简洁的结构，解决了“高温高尘烟气的在线氧测量”难题；

把复杂的采样系统压缩到“一根插管”和一套温控电路；

用足够快的响应时间和较高的可靠性，支撑锅炉和工业炉窑的精细燃烧控制。

对于锅炉、窑炉、焚烧炉和各种高温燃烧工艺来说，它既是“氧量传感器”，更是“能效控制器”和“环保助手”。选对型、装对位置、维护得当，它会在很多年里持续贡献节能、环保和安全的隐形价值。

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易燃易爆环境里的“守门人”：防爆型氧化锆氧分析仪如何兼顾精准测氧与安全

在石油、化工、冶金、电力等工业现场，我们常常会碰到一个“两难局面”：一方面要精确监测烟气或工艺气中的氧含量，从而优化燃烧、保证工艺、减少排放；另一方面，现场又弥漫着各种可燃可爆气体，稍有不慎，分析仪自身都可能成为“点火源”。防爆型氧化锆氧分析仪，就是在这样的背景下诞生的专门设备——它在继承氧化锆高精度测氧能力的基础上，通过防爆设计，把自己严严实实地“封装”在安全外壳里，在易燃易爆环境中依然能安心、可靠地工作。