易燃易爆環境里的“守門人”：防爆型氧化鋯氧分析儀如何兼顧精準測氧與安全

在石油、化工、冶金、電力等工業現場，我們常常會碰到一個“兩難局面”：一方面要精確監測煙氣或工藝氣中的氧含量，從而優化燃燒、保證工藝、減少排放；另一方面，現場又彌漫著各種可燃可爆氣體，稍有不慎，分析儀自身都可能成為“點火源”。防爆型氧化鋯氧分析儀，就是在這樣的背景下誕生的專門設備——它在繼承氧化鋯高精度測氧能力的基礎上，通過防爆設計，把自己嚴嚴實實地“封裝”在安全外殼里，在易燃易爆環境中依然能安心、可靠地工作。

下面，我們從原理、防爆思路、結構特點、應用場景和選型維護幾個角度，系統地看一看防爆型氧化鋯氧分析儀。

一、核心沒變：依然是“高溫氧濃差電池”

防爆型氧化鋯分析儀在測氧原理上，與普通氧化鋯分析儀是一脈相承的，它仍然是“高溫氧濃差電池”。

在高致密氧化鋯陶瓷（ZrO?）的兩側制作多孔鉑電極，當兩側氧分壓不同時，在高溫（約650–850℃）條件下，氧會在高氧側獲得電子變為氧離子（O²?），通過氧化鋯晶格遷移到低氧側，再釋放電子變回氧分子。

這個過程中，兩側電極之間會產生一個與氧濃度差相關的電動勢E，其關系滿足能斯特方程。通過測E、已知溫度和參比氣（通常是空氣）氧濃度，就可以算出被測氣體的氧含量。

防爆型并沒有改變這個原理，它只是在“如何安全地把傳感器放進危險區”這件事上，做了大量額外工作。

二、為什么要“防爆”：不是怕燒，是怕引爆

所謂“防爆”，并不是說儀器可以扛住爆炸而不損壞，而是指：

在正常和特定故障條件下，分析儀內部產生的火花、電弧、高溫表面等，不會引燃外部環境中的可燃氣體混合物；

即使發生內部爆炸，也不會向外傳播，不會“引爆”整個危險區域。

這類危險區域通常按標準劃分為不同的爆炸性氣體環境（如Ⅰ類為礦井甲烷，Ⅱ類為工廠常見可燃氣），再細分為A、B、C等子類，對應不同氣體爆炸特性。防爆型氧化鋯分析儀的防爆等級會明確標注，例如Ex dⅡCT4，其含義是：

Ex：防爆設備；

d：隔爆型，外殼可承受內部爆炸、阻止火焰傳播；

Ⅱ：工廠用氣體環境；

C：氣體爆炸特性較危險的一組（如乙烯、氫氣等）；

T4：設備最高表面溫度不超過135℃。

只有通過專業防爆認證（如國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心認證）并取得防爆合格證的產品，才能在相應的危險區域安裝使用。

三、防爆如何實現：從外殼到設計的多重防線

防爆型氧化鋯分析儀的實現，是一整套系統工程，主要包括以下幾方面：

1）隔爆外殼（Ex d）

外殼通常采用鋁合金或不銹鋼材質，厚度和結構設計滿足防爆標準要求。關鍵點在于：

接合面寬度、間隙嚴格控制在規范范圍內；

螺栓數量、扭矩符合要求；

電纜引入采用防爆格蘭或防爆填料函，防止火花沿電纜傳播。

隔爆外殼確保即使內部發生可燃氣體點燃爆炸，火焰和高溫氣體通過接合面逸出時被冷卻到安全溫度、能量不足以引燃外部環境。

2）本安設計與限能（部分產品）

有的防爆型分析儀采用本質安全型（Ex i）設計，即通過限制電路中的電壓、電流、電感、電容等參數，使即使在故障情況下產生的火花能量也低于可燃氣體的最小點燃能量。

對于氧化鋯分析儀來說：

高溫加熱部分必須和本安電路做物理/電氣隔離；

信號輸出4–20mA通常要經過隔離柵再進入非危險區，防止危險能量逆傳。

3）溫控與表面溫度限制

氧化鋯探頭自身需要工作在幾百攝氏度，但設備外殼表面溫度必須嚴格控制，不超過防爆等級對應的T組別（如T4≤135℃）。設計上會采用：

隔熱結構，把高溫探頭部分“包”在內部，使外部殼體溫度降低；

溫控與保護電路，當出現異常加熱導致殼體溫度超標時自動斷電保護。

4）防護等級與環境適應性

防爆型設備通常還要求較高的防護等級（如IP65/IP66），防水、防塵、防腐蝕，避免因殼體銹蝕或進水而降低防爆性能。

四、結構特點：防爆殼體內的“測氧系統”

一臺典型的防爆型氧化鋯氧分析儀，大致包括防爆檢測器探頭和防爆變送器兩大部分。

1）防爆檢測器（探頭）

氧化鋯鋯頭：采用高溫氧濃差電池，加熱方式內置加熱爐，通過PID控制在700℃或750℃恒溫點；

參比氣系統：有的采用熱擴散參比（無需外加參比空氣泵），利用空氣自然擴散提供參比氧；有的帶小型參比氣泵，確保參比穩定；

防腐護套：針對含硫、氯等腐蝕性煙氣，護套和鋯頭結構會做防腐設計，如采用321、316L不銹鋼護套，表面做特殊涂層，提高壽命；

過濾與防堵設計：前端設陶瓷或金屬燒結過濾器，阻擋大顆粒灰塵；有的帶反吹接口，可用儀表風定時反吹防止堵塞；

探頭整體封裝在隔爆外殼中，接線盒、加熱接線等全部在防爆殼內完成。

2）防爆變送器（轉換器）

防爆外殼：通常為隔爆型，壁掛或盤裝式，帶玻璃觀察窗以便讀數；

信號處理：對探頭輸出的毫伏信號進行放大、濾波、溫度補償、線性化處理；

顯示與操作：LCD顯示屏，氧量、溫度、本底電勢等參數可視化，多語言菜單（含中文）便于操作；

輸出與通信：

4–20mA標準電流輸出，與主電路光電隔離，可直接進入DCS/PLC，回路負載可達750Ω；

RS-485通信接口，可接入SCADA或數據采集系統；

報警與安全：氧量上/下限報警、溫度超限報警、傳感器故障等多種報警輸出，繼電器節點可按需設為常開/常閉；

校準與維護：支持本底電勢一鍵校正、標準氣在線校準等功能，簡化現場維護。

五、典型應用場景：哪里“危險”，哪里就有它

防爆型氧化鋯氧分析儀幾乎覆蓋了所有“測氧”和“易燃易爆”并存的重工業領域。

1）石油化工與煉油

催化裂化裝置再生器：監測再生器煙氣氧含量，控制燒焦過程，優化催化劑再生，防止超溫或欠氧燒焦；

加氫裝置、重整裝置：在富含氫氣、烴類的氣氛中，精確控氧對防止催化劑老化、控制反應深度至關重要；

火炬與尾氣系統：監測氧含量，既保證安全，又優化燃燒/排放。

2）天然氣處理與化工合成

天然氣加熱爐、轉化爐：氧量過高會帶來爆炸風險、損壞爐管；過低則燃燒不充分，能耗和CO上升；

甲醇、合成氨等裝置：控制轉化爐、加熱爐氧量，維持溫度分布和反應效率。

3）冶金與焦化

高爐、熱風爐：測氧有助于調節燃燒氣氛，提高燃料利用率；

焦爐加熱系統：含焦爐煤氣等可燃氣，需要既安全又精確地控制氧量。

4）電力與環保

燃煤、燃氣鍋爐的爐膛/尾部煙道：在防爆要求較高的區域（如爐前油槍附近、燃氣鍋爐區域）使用防爆型氧分析儀；

垃圾焚燒、危廢焚燒：煙氣成分復雜，既有可燃成分，又含腐蝕性氣體，需兼顧防爆與防腐。

六、選型時必須盯緊的關鍵點

1）防爆等級與適用區域

先明確現場危險區劃分：Ⅰ區、Ⅱ區？0區、1區、2區？氣體組別（ⅡA/ⅡB/ⅡC）和溫度組別（T1–T6）？

再對照設備的防爆標志，確保其認證范圍覆蓋現場環境，不能“降級使用”。

2）測氧量程與精度

常見量程0–10%、0–25%O?，甚至可在0–5%低量程工作，滿足不同工況需求；

系統測氧基本誤差通常≤±2%滿量程，高精度場景應關注這一指標。

3）工作溫度與探頭類型

根據安裝點煙氣溫度選擇標準型（煙溫<700℃）還是高溫型（煙溫≥700℃）；

煙氣溫度過高時，需要加長護套或外帶冷卻/隔熱結構。

4）腐蝕與粉塵環境

含硫、氯、堿等腐蝕性氣體時，要選用防腐型探頭和護套，采用耐腐蝕材料和保護管設計；

高粉塵場合需考慮過濾精度、反吹方案，防止堵塞或磨損。

5）安裝方式與維護通道

探頭插入深度一般為“爐墻厚度+300mm”，常規有400/600/800/1000/1200mm可選，也可定制；

要預留足夠的安裝、拆卸、檢修空間，尤其是防爆殼體積較大，更要注意操作空間。

七、使用與維護：防爆與測氧性能兩手抓

1）嚴格按照防爆要求安裝

嚴禁私自改裝防爆結構，必須使用廠家配套或認證的防爆密封接頭、電纜等；

殼體接地要可靠，避免靜電積聚；

防爆設備必須定期進行防爆專業檢查，確保密封面完好、螺栓緊固、標志清晰。

2）合理投運與升溫

新安裝或檢修后投運時，先檢查接線、氣路無誤，再送電；

探頭升溫要按規程逐步進行，避免熱應力損壞鋯管；

溫度未達到恒溫點前，不要把氧量信號投入控制。

3）定期校準與標定

使用標準氣進行空氣點、標準氣點和工況點三參數標定，提高系統精度；

注意標準氣成分要與被測煙氣接近，減少可燃氣等交叉影響；

定期做本底電勢校正，消除探頭老化帶來的系統誤差。

4）監控壽命，提前計劃備件

氧化鋯鋯頭一般壽命2–5年不等，與煙氣溫度、成分、啟停次數密切相關；

通過觀察本底電勢、響應時間、測量穩定性等參數的變化，判斷探頭是否接近壽命終點；

防爆探頭整體更換時，要確認備件同樣具備相應的防爆認證。

防爆型氧化鋯氧分析儀，本質上是在“高精度測氧”和“在危險環境中安全存在”之間找到一個平衡點。它用嚴謹的結構設計和可靠的制造工藝，把“測氧”這一基礎功能放進了最嚴苛的現場環境中。

從企業的角度看，防爆型設備既是對工藝和效率的支撐，更是對人身安全和設備資產的底線保障。選型時把防爆等級吃透，維護時把防爆要求當“硬約束”，才能讓這些設備在危險環境里長期穩定地發揮作用。