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氧化鋯分析儀

更新時間:2018-01-16點擊次數(shù):2137

在許多生產(chǎn)過程中,特別是燃燒過程和氧化反應過程中,測量和控制混合氣體中的氧含量是非常重要的。電化學法(氧化鋯屬電化學類)是目前工業(yè)上分析氧含量的一種方法,具有結構簡單、維護方便,反應迅速,測量范圍廣等特點。氧化鋯氧量計是電化學分析器的一種,可以連續(xù)分析各種工業(yè)鍋爐和爐窯內(nèi)的燃燒情況,通過控制送風來調整過剩空氣系數(shù)α值,以保證佳的空氣燃料比,達到節(jié)能和環(huán)保的雙重效果。這里以氧化鋯氧量計為例介紹氧含量的檢測原理。

6.1氧化鋯的導電機理:

電解質溶液靠離子導電,具有離子導電性質的固體物質稱為固體電解質。固體電解質是離子晶體結構,靠空穴使離子運動導電,與P型半導體空穴導電的機理相似。純氧化鋯(ZrO2)不導電,摻雜一定比例的低價金屬物作為穩(wěn)定劑,如氧化鈣(CaO2)、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3),就具有高溫導電性,成為氧化鋯固體電解質。

 

氧離子空穴形成示意圖

為什么加入穩(wěn)定劑后,氧化鋯就會具有很高的離子導電性呢?這是因為,摻有少量CaO2的ZrO2混合物,在結晶過程中,鈣離子進入立方晶體中,置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價,而鈣離子是+2價,一個鈣離子進入晶體,只帶入了一個氧離子,而被置換出來的鋯離子帶出了兩個氧離子,結果,在晶體中便留下了一個氧離子空穴。例如:(ZrO2)0.85 (CaO2)0.15這樣的氧化鋯(氧化鋯的摩爾分數(shù)為85%、氧化鈣的摩爾分數(shù)是15%),則具有7.5%的摩爾分數(shù)的氧離子空穴,是成了一種良好的氧離子固體電解質。

6.2氧化鋯分析儀的測量原理

在一個高致密的氧化鋯固體電解質的兩側,用燒結的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極,再在電極上焊上鉑絲作為引線,就構成了氧濃差電池,如果電池左側通入?yún)⒈葰怏w(空氣),其氧分壓為p0;電池右側通入被測氣體,其氧分壓為p1(未知)。

          

氧濃差電池原理圖

設p0 > p1,在高溫下(650…850℃),氧就會從分壓大的p0一側向分壓小的p1側擴散,這種擴散,不是氧分子透過氧化鋯從P0側到P1側,而是氧分子離解成氧離子后,通過氧化鋯的過程。在750℃左右的高溫中,在鉑電極的催化作用下,在電池的P0側發(fā)生還原反應,一個氧分子從鉑電極取得4個電子,變成兩個氧離子(O2-)進入電解質,即:

O2(P0)+ 4e→2O2-

P0側鉑電極由于大量給出電子而帶正電,成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解質后,通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極,在電池的P1側發(fā)生氧化反應,氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出,即:

2O2- - 4e →O2(P1)

P1側鉑電極由于大量得到電子而帶負電,成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上,由于正負電荷的堆積而形成一個電勢,稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時,負極上的電子就會通過外電路流到正極,再供給氧分子形成離子,電路中就有電流通過。氧濃差電動勢的大小,與氧化鋯固體電解質兩側氣體中的氧濃度有關。據(jù)此我們就可以知道被測氣體中的氧含量。在特定的溫度下氧的體積分數(shù)%O2與氧濃差電勢(mV)存在特定的對應關系。與熱電偶的分度值相類似。

6.3氧化鋯檢測器的種類、結構和性能

根據(jù)氧化鋯探頭的結構形式和安裝方式的不同,我們可把氧化鋯分析儀分為直插式、抽吸式和自然滲透式及色譜用檢測器四類,目前大量使用的是直插式氧化鋯分析儀。但現(xiàn)在空氣領域和色譜領域也開始大量采用滲透式檢測器。

6.4直插式

直插式氧化鋯探頭式檢測器,主要用于煙道氣分析,它主要分為以下幾種類型:
①中、低溫直插式氧化鋯探頭
   這種探頭適用于煙氣溫度0…650℃(佳煙氣溫度350…550℃)的場合,探頭中自帶加熱爐。主要用于火電廠鍋爐、6…20t/h工業(yè)爐等,這是目前使用量大的一種探頭。

②帶導流管的直插式氧化鋯探頭

這也是一種中低溫直插式氧化鋯探頭,但探頭較短(400…600mm),帶有一根長的導流管,先用導流管將煙氣引導到爐壁附近,再用探頭進行測量。這主要用于大型、爐壁比較厚的加熱爐。燃煤爐宜選帶過濾器的直插式探頭,不宜選導流式探頭,其原因是容易形成灰堵,而燃油爐,這兩種都可以用。

③高溫直插式氧化鋯探頭

這種探頭本身不帶加熱爐,靠高溫煙氣加熱,適用于700…900℃的煙氣測量,主要用于電廠、石化廠等高溫煙氣分析環(huán)境。

直插式的特點和結構

直插式的突出特點是:結構簡單、維護方便、反應速度快和測量范圍廣,它省去了取樣和樣品處理的環(huán)節(jié),從而省去了許多麻煩,因而廣泛應用于各種鍋爐和工業(yè)爐窯中。

①直插式結構組成:
直插式由氧化鋯探頭(檢測器)和轉換器(二次表)兩部分組成,兩者連接在一起的稱為一體式結構;兩者分開安裝的稱為分離式結構。

 

                    直插式氧化鋯探頭外形圖

 

                   氧化鋯管工作原理圖

 

圖中鋯管為試管形,管內(nèi)側通被測氣、管外側通參比氣(空氣)。鋯管很小,管徑為10毫米,壁厚:1毫米,長度:160毫米。材料有以下幾種:(ZrO2)0.90(MgO)0.10、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10。內(nèi)外電極為多孔形鉑(Pt),用涂敷和燒結方法制成,長約為20-30mm,厚度幾個-幾十微米。鉑電極引線一般多采用涂層引線,即在涂敷鉑電極時,將電極延伸一點,然后用ф0.3…0.4 mm的金屬絲與涂層連接起來。

熱電偶檢測氧化鋯探頭的工作溫度多采用K型熱電偶。加熱電爐用于對探頭加熱和進行溫控。過濾網(wǎng)用于過濾煙塵,也可采用陶瓷過濾器或碳化硅過濾器。參比氣管路通參比空氣,校驗氣管路在儀器校驗時能通氣校驗。

轉換器

轉換器除了要完成對檢測器輸出信號的放大和轉換外,還要解決三個問題:

①氧濃差電池是一個高內(nèi)阻信號源,要想真實地檢測出氧濃差電池輸出的電動勢信號,首先要注意解決信號源的阻抗問題;

②氧濃差電動勢與被測樣品中的氧含量之間呈對數(shù)關系,所以,要注意解決輸出信號的非線性問題;

③根據(jù)氧濃差電池的能斯特方程,氧濃差電池電動勢的大小,取決于溫度和固體電解質兩側的氧含量;溫度的變化會給測量帶來較大的誤差,所以,還要解決檢測器的恒溫控制問題。

6.5抽吸式氧化鋯氧分析儀

這類分析儀的氧化鋯探頭安裝在煙道壁或爐壁以外,將煙氣抽出后再進行分析,它主要用于兩種場合:

 

抽吸式氧化鋯探頭外形圖

1.煙氣溫度為700…1400℃的場合

例如:鋼鐵廠的有些加熱爐煙氣溫度高達900…1400℃,這種場合就不能采用直插式探頭進行測量,而應將高溫煙氣從爐內(nèi)引出,散熱后溫度降低,再流過恒溫的氧化鋯探頭就可以獲得滿意的結果。

目前電廠的蒸汽鍋爐和工業(yè)鍋爐大部分是燃煤爐,煙塵量大,采用這種類型的分析儀時,容易樣管堵塞,需要及時清理,維護量較大。這種分析儀適合于燃油爐和煙塵量較小的燃煤爐。

2.用于燃氣爐

直插式可用于燃煤爐、燃油爐,但不適合于燃氣爐。這是因為采用天然氣等氣體燃料的爐子,煙道氣中往往含有少量的可燃性氣體,如H2、CO、CO2、CH4等。氧化鋯的探頭溫度在750℃左右,在高溫條件下,由于鉑電極的催化作用,煙氣中的氧會和這些氣體成分發(fā)生氧化反應而耗氧,使測得的氧含量偏低。當燃燒不正常,煙氣中的氣體含量較高時,與高溫氧化鋯探頭接觸甚至可能發(fā)生起火、爆炸的危險。

以前,這里的分析儀器采用的是抽吸式氧化鋯+順磁式氧分析儀的方式進行測量。早期的乙烯裂解爐,以天然氣為原料的合成氨一段轉化爐等都是采用這樣的方式測量。因為順磁氧對被測樣氣的要求比氧化鋯儀器嚴格,煙道氣取出后,須經(jīng)降溫、除濕、除塵等處理后才能測量,由于樣品處理系統(tǒng)復雜、維護量大、故障率較高、樣品測量反應滯后、時間較長等原因,其使用效果并不。

目前,石化行業(yè)的燃氣爐已用來取代順磁氧分析儀?,F(xiàn)在的,在儀器探頭前加裝了一個可燃氣氣體檢測探頭,可同時測量煙道氣中的氧含量和可燃性氣體含量。其作用有以下幾點:

①在氣體檢測頭上,可燃性氣體與氧發(fā)生催化反應而消耗掉,從而消除了其對氧化鋯探頭的干擾和威脅;

②用氣體檢測結果對氧化鋯探頭的輸出值進行修正和補償,從而使氧含量的測量結果更為準確;

③根據(jù)氣體檢測結果判斷燃燒工況是否正常,以便及時進行調節(jié)和控制;也有在氧化鋯探頭前,增設兩個檢測探頭的產(chǎn)品,增設的探頭一般是可燃氣探頭和甲烷氣探頭。甲烷氣探頭的作用是為了更好地判斷天然氣的燃燒工況是否正常。

通常抽吸式氧化鋯采用電流型的氧傳感器,它的工作原理不同于前述的直插式氧化鋯探頭。直插式采用的是電勢法,測量的是鋯管兩側的電勢差,其原理屬于電位分析法;而抽吸式氧化鋯一般用電流法,在多孔金屬電極兩側施加一直流電壓,測量通過鋯管的離子流,其原理屬于伏安分析法。

 

電流式氧化鋯工作特性曲線圖

在高溫條件下,氧化鋯(ZrO2)材料由于氧離子的運動成為導體,當溫度高于650℃時,氧離子就能流動。當氧濃度增加時,電流隨離子流的增加成比例地增加。

從曲線圖上可以看出,氣體中的氧含量(%O2)與電流(mA)成正比,含21%O2的空氣對應的電流值比400 mA稍大一點。從圖中我們還可以看出,電流值與溫度無關(600℃和700℃是同一曲線),而與氣體流量有關(0.42L/H和0。50L/H不是同一曲線)。所以,電流型傳感器并不需要控制氧化鋯元件的溫度,只要控制氣體的流量就能得到高的測量精度,這對于測量高溫氣體中的氧濃度具有比電勢法明顯的*性。

抽吸式氧化鋯探頭的突出特點:

①不需要溫度控制;

②不需要參比氣體;

③校準儀器方便,不需要標準氣體,也不需要多點校準;(只要吸入空氣,就能得到濃度與電流的斜率。)

抽吸式氧化鋯多探頭多組分分析儀測量過程:

采樣頭插入煙道中,其端部裝有不銹鋼或陶瓷過濾器。煙氣由空氣抽吸器(噴射泵)從煙道抽出,其中大部分煙氣直接返回煙道,恒定流量的一小部分樣品氣先后流經(jīng)氣體探頭、氧化鋯探頭后返回煙道。樣品氣流經(jīng)的所有部件都由電加熱器加熱,使樣保持在露點溫度以上。

由于樣氣進出口的熱力學壓力相同,按理樣氣應該無法流過測量探頭并返回煙道,但樣氣在垂直的氧化鋯檢測室中被加熱至695℃,而樣氣被抽出后的溫度一般在250℃左右,這一溫度差造成的密度差使得樣氣發(fā)生自然對流,推動樣氣流經(jīng)測量探頭并返回煙道。

6.6的日常維護、注意事項及故障判斷與處理

儀器投用后,不能立即進行校驗

冷機投運24小時內(nèi),指示是不正常的,投用一天后,再用標氣進行校準。因為,冷機檢測器或新裝檢測器內(nèi)會存在一些吸附水分或可燃性物質,熱機后,在高溫下,這些吸附水分蒸發(fā),可燃性物質燃燒,會消耗參比側電池中的參比空氣,導致參比空氣的氧含量低于正常值20.6%,會出現(xiàn)檢測器信號偏低,甚至出現(xiàn)負信號,造成測量的氧含量值偏高,甚至大于20.6%的現(xiàn)象,這時的測量值是不準確的。應該等到檢測器內(nèi)部的水分和可燃性物質被新鮮空氣置換干凈后,才能使測量準確。所以,氧化鋯檢測器至少需要熱機一天以上才能進行校準。

定期對分析儀進行校準

在使用過程中存在許多干擾因素,如鋯管的老化、積灰、SO2和SO3對電極的腐蝕等。運行一段時間后,儀器的性能會逐漸變化,給測量帶來誤差,因此必須定期對儀器進行校準,校準周期通常為1-3個月,這要看儀器的使用環(huán)境和使用情況而定。

校準時,不能使用純N2作為零點氣,通常零點氣應為滿量程的10%;量程氣是滿量程的90%;現(xiàn)場采用的是干燥空氣作為量程氣;零點氣則采用100ppmO2,這是因為到,零點在100ppm以下,標氣誤差對儀器的影響太大且校驗吹掃時間太長,又不易吹到位;測量值采用測量線性的下延線。實踐證明,這種方法是明確而有效的。

儀器不要輕易開關

①由于氧化鋯管是一根陶瓷管,雖然有一定的抗熱振性能,但在停開過程中,因急冷、急熱等溫變大而可能導致鋯管斷裂,因此,少做一些無謂的停開操作;

②涂敷在鋯管上的鉑電極與氧化鋯管間的熱膨脹系數(shù)不一致,使用一段時間后,容易在開停過程中產(chǎn)生脫落現(xiàn)象,導致探頭內(nèi)阻變大,甚至損壞檢測器。停機要慎重!

樣品處理注意事項

①需要對樣品氣進行控壓處理,通常進儀器壓力不得大于0.05mpa;

②標氣二次表輸出壓不得大于0.30mpa;

③進入儀器的所有氣路管線都必須經(jīng)過嚴格的查漏,且此項工作在儀器正常工作時,每半年還必須進行一次系統(tǒng)查漏;

④氣路進儀器前,必須經(jīng)過物理過濾器(10u);發(fā)現(xiàn)氣阻現(xiàn)象,可先行檢查過濾網(wǎng)(過濾器);

⑤定期清潔分析儀風扇過濾網(wǎng),每季度一次;環(huán)境惡劣,需要經(jīng)常清理,以防止因通風不暢而導致的儀器過熱現(xiàn)象;

⑥儀器的安裝部位應當水平,遠離振動源;以防止檢測器不水平,而造成的樣品對流不均所引起的誤差;

⑦分析儀周圍環(huán)境要求通風良好,切忌密閉空間,因氧量不均衡而引起的測量誤差;

⑧分析儀周圍切忌有可燃性氣體,這會嚴重影響檢測器的準確測量;

⑨由于檢測是在高溫下操作,若待測氣體中含有H2和CO、CH4時,此物質會與氧發(fā)生反應,消耗部分氧,氧濃度降低,引起測量誤差。所以儀器在測量含有可燃性物質的氣體時應相應考慮此項因素,以避免測量失準。

⑩當測量含有腐蝕性氣體時,應先用活性炭過濾。

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