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氧化鋯分析儀

日期:2024-08-26 01:10
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摘要:

 

細(xì)分氧化鋯分析儀

 

在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO2管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑(Pt)電極,在一定溫度下,當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí),高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子(4e)結(jié)合形成氧離子O2-,使該電極帶正電,O2-離子通過(guò)電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子,轉(zhuǎn)化成氧分子,使該電極帶負(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為:
參比側(cè):O2+4e——2O2-
測(cè)量側(cè):2O2--4e——O2
這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì),氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。兩級(jí)之間的電動(dòng)勢(shì)E由能斯特公式求得:可
E= (1)
式中,EmV―濃差電池輸出,
n 4―電子轉(zhuǎn)移數(shù),在此為
R理想氣體常數(shù),8.314 W·S/mol —
T (K) F96500 C;PP1——待測(cè)氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)0——參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù) —法拉第常數(shù),—**溫度


該分式是氧探頭測(cè)氧的基礎(chǔ),當(dāng)氧化鋯管處的溫度被加熱到600℃~1400℃時(shí),高濃度側(cè)氣體用已知氧濃度的氣體作為參比氣,如用空氣,則P,將此值及公式中的常數(shù)項(xiàng)合并,又實(shí)際氧化鋯電池存在溫差電勢(shì)、接觸電勢(shì)、參比電勢(shì)、極化電勢(shì),從而產(chǎn)生本地電勢(shì)CmV)實(shí)際計(jì)算公式為:(0=20.6%
EmV)=0.0496Tln(0.2095/P1)±CmV)((
C本地電勢(shì)(新鎬頭通常為±1mV) =
可見(jiàn),如能測(cè)出氧探頭的輸出電動(dòng)勢(shì)E和被測(cè)氣體的**溫度T,即可算出被測(cè)氣體的氧分壓(濃度)P1,這就是氧化鋯氧探頭的基本檢測(cè)原理。
三、氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理
按檢測(cè)方式的不同,氧化鋯氧探頭分為兩大類:采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。
1、采樣檢測(cè)式氧探頭
采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管,將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室,再通過(guò)加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃以上)。氧化鋯一般采用管狀,電極采用多孔鉑電極(如圖2)。其優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響,通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量,這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢;結(jié)構(gòu)復(fù)雜,容易影響檢測(cè)精度;在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多時(shí),采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的硫,砷等的腐蝕以及細(xì)小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱,壽命不長(zhǎng)。
在被檢測(cè)氣體溫度較低(0℃~650℃),或被測(cè)氣體較清潔時(shí),適宜采樣式檢測(cè)方式,如制氮機(jī)測(cè)氧,實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。
2、直插檢測(cè)式氧探頭
直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體,直接檢測(cè)氣體中的氧含量,這種檢測(cè)方式適宜被檢測(cè)氣體溫度在700℃~1150℃時(shí)(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫),它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度,不需另外用加熱器(如圖3)。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問(wèn)題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。
(1)整體氧化鋯管
該形式是從采樣檢測(cè)方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來(lái)的,就是將原來(lái)的氧化鋯管加長(zhǎng),使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)無(wú)需考慮高溫密封問(wèn)題。
(2)直插式氧化鋯氧探頭
由于需要將氧化鋯直接插入檢測(cè)氣體中,對(duì)氧探頭的長(zhǎng)度有較高要求,其有效長(zhǎng)度在500mm~1000mm左右,特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)精度,工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要求,因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu),而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的*關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)際上*先進(jìn)的連接方式,是將氧化鋯與氧化鋁管長(zhǎng)久的焊接在一起,其密封性能**,與采樣式檢測(cè)方式比,直插式檢測(cè)有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn):氧化鋯直接接觸氣體,檢測(cè)精度高,反應(yīng)速度快,維護(hù)量較小。

四、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用
1、在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用
氧探頭使用時(shí),引入被測(cè)氣體的方式有直插式和采樣檢測(cè)式兩種。直插式響應(yīng)時(shí)間短,不需要加熱器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,小型輕便,但要求同時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度。采樣檢測(cè)式由于氧探頭的溫度由加熱器控制,因此測(cè)量精度高,工作可靠,但響應(yīng)時(shí)間取決于氣體的流量。
直插式氧分析器已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測(cè)定(如圖4),作此用途的氧探頭多采用管狀結(jié)構(gòu),此管可以兩端開(kāi)口,也可以單端開(kāi)口,目前市場(chǎng)出現(xiàn)*多的是后一種。ZrO2管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極,由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出NiCr絲作信號(hào)輸出用,從而控制燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒,達(dá)到降低熱能損失,節(jié)約能源的目的。
五、 氧傳感器的安裝
合理的安裝是保證氧傳感器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,許多使用問(wèn)題均由于氧傳感器安裝不當(dāng)造成的,
1、采樣測(cè)量點(diǎn)
確定測(cè)量點(diǎn)是首要的工作,它應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則:
(1) 選擇的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映所檢測(cè)的爐內(nèi)氣體,以保證氧傳感器 輸出信號(hào)的真實(shí)性,盡量避開(kāi)回風(fēng)死角;
(2)測(cè)量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位,這些部位的氣體處于劇烈反應(yīng)中,會(huì)造成氧傳感器檢測(cè)值劇烈波動(dòng)失真;也不要過(guò)于靠近風(fēng)機(jī)等產(chǎn)氣設(shè)備,以免電機(jī)的震動(dòng)沖刷損壞傳感器;
(3) 避免放在可能碰撞的位置,以免碰撞損壞探頭,保證傳感器的**;
2、氧傳感器的安裝、連接方式
(1)氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式,其中垂直安裝較理想。不管采用何種方式,探頭采樣管引導(dǎo)板的方向應(yīng)該盡量正對(duì)被測(cè)氣流的方向,在初始安裝的時(shí),先通過(guò)了解工藝,確定基本方向。然后在系統(tǒng)通電加熱探頭以后,旋轉(zhuǎn)采樣管方向,使用數(shù)字萬(wàn)用表觀察輸出氧電勢(shì)的波動(dòng)情況來(lái)*終確定比較好的引導(dǎo)方向。
(2)氧傳感器安裝所用接頭為專用法蘭接頭,配裝石棉墊壓接,以確保密封,否則因?yàn)橐话銧t內(nèi)為負(fù)壓,該處法蘭接頭處漏氣會(huì)影響測(cè)量精度或造成信號(hào)波動(dòng)。
(3)氧傳感器的信號(hào)引出線*好用屏蔽線,以消除干擾。*佳方式是使用2根2芯電纜,一根2芯屏蔽電纜接氧電勢(shì)輸出信號(hào),一根2芯KVV控制電纜接探頭加熱連接端;如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備可直接使用一根4芯KVV電纜連接探頭氧電勢(shì)信號(hào)和加熱端。
(4)氧探頭的標(biāo)氣口平時(shí)關(guān)閉,只在標(biāo)定氣體的時(shí)候使用;吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路,吹掃口進(jìn)氣一般用一個(gè)電磁閥等閥門控制,一定周期開(kāi)啟一次,通入氣體吹掃采樣管,探頭正常檢測(cè)時(shí)閥門關(guān)閉,不能有其他氣體進(jìn)入采樣管。使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份,即對(duì)所采用的壓縮空氣必須進(jìn)**水分離處理。


六、 氧傳感器的使用和維護(hù)
1、連接加熱控制
采樣檢測(cè)式氧探頭,只有在氧傳感器連接了加熱控制以后才能正常工作,冷態(tài)下輸出的是隨機(jī)信號(hào),不代表任何意義,氧傳感器在接入加熱控制以后,在室溫條件下既可以開(kāi)始正常的氣體檢測(cè)。一般的探頭調(diào)零就是在室溫下,加熱探頭以后,通過(guò)對(duì)空氣的測(cè)量,用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量此時(shí)探頭輸出毫伏值,此數(shù)值就是該探頭的零位偏差數(shù)值,在顯示儀表中需要加入該零位偏差來(lái)修正儀表顯示的氧濃度。
2、新裝或更換氧傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)
新裝或更換氧傳感器時(shí),均應(yīng)校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進(jìn)行此項(xiàng)工作,更換新的傳感器后,氧分析儀檢測(cè)的氧濃度可能會(huì)與實(shí)際濃度產(chǎn)生偏差,從而影響測(cè)量。
3、氧濃度的修正原理及方法
氧傳感器直接測(cè)量輸出的是被測(cè)氣體的濃度與標(biāo)準(zhǔn)空氣差電勢(shì)數(shù)值,我們稱為氧電勢(shì),該電勢(shì)數(shù)值在零點(diǎn)(即空氣測(cè)量)時(shí)不同的探頭起始輸出電勢(shì)就存在偏差,而輸出電勢(shì)經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換輸出氧濃度時(shí)也可能存在誤差,因此在氧分析儀中對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定修正就是很必要的工作,否則顯示氧濃度與實(shí)際被測(cè)氣體的氧濃度就會(huì)存在較大偏差,滿足不了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要,甚至誤導(dǎo)控制影響生產(chǎn)。
具體的修正一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定,方法是將計(jì)量核定確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)標(biāo)氣口通入探頭,測(cè)量此時(shí)輸出氧電勢(shì)及儀表顯示氧濃度,儀表顯示氧濃度應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度相同,存在偏差則修正儀表線性參數(shù),標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求*少使用三種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定系統(tǒng),這樣經(jīng)過(guò)三次標(biāo)定重復(fù)修正好系統(tǒng)線性,保證系統(tǒng)正常工作。
4、積塵對(duì)氧傳感器的影響及吹掃**方法
由于氧傳感器是長(zhǎng)期在線檢測(cè)測(cè)量的器件,鍋爐等設(shè)備(尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等)產(chǎn)生的粉塵會(huì)堵塞導(dǎo)氣采樣管道,造成測(cè)量的數(shù)值失真甚至無(wú)法測(cè)量,此時(shí)必須定期對(duì)采樣管中的積塵進(jìn)行吹掃處理,吹掃時(shí)間的長(zhǎng)短視積灰程度確定,這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應(yīng)功能或者配套使用氧傳感器的維護(hù)裝置,如果沒(méi)有這些裝置只能安裝手動(dòng)閥門控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對(duì)探頭進(jìn)行除塵工作,但此時(shí)必須注意以下情況:
(1)由于在吹掃的過(guò)程中,氧傳感器的氧電勢(shì)會(huì)下降,*低有可能會(huì)降到1、2mV,這時(shí)檢測(cè)的氧電勢(shì)不代表爐內(nèi)的氣氛,此點(diǎn)必須要注意;
(2)吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰,吹掃過(guò)程中可注意氧傳感器的氧電勢(shì)輸出值,如果氧電勢(shì)值始終沒(méi)有下降,表明空氣流量太小,積塵沒(méi)有清理,應(yīng)予以調(diào)節(jié)或者檢查吹掃管道,可能吹掃管道已經(jīng)堵死;
(3)吹掃口的通道是與爐內(nèi)直接相通的,每次在吹掃完畢后,應(yīng)關(guān)閉閥門,堵死吹掃孔,防止因爐內(nèi)負(fù)壓空氣進(jìn)入,影響氧傳感器的檢測(cè)。
在分析氧傳感器的好壞時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)部件。在檢測(cè)氧傳感器的氧電勢(shì)時(shí)應(yīng)把與氧傳感器連接的所有導(dǎo)線斷開(kāi),用高內(nèi)阻的數(shù)字表在氧傳感器的輸出端直接檢測(cè)氧電勢(shì)。通過(guò)檢測(cè)氧電勢(shì),與正常使用時(shí)的數(shù)值相比較。

七、實(shí)際運(yùn)行情況
自2003年以來(lái),我廠裂解爐采用了ZGP2+ZDT高溫型直插式氧化鋯分析儀,主要用于煙氣氧含量測(cè)量,參與裂解爐的燃燒控制,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,2005年5月,發(fā)現(xiàn)指示值偏差較大,均為正偏差,判斷為氣路泄漏,在標(biāo)準(zhǔn)氣管路上通零點(diǎn)氣,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)泄漏,由于測(cè)量狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)呈負(fù)壓而使外界空氣進(jìn)入,因空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)高,使得測(cè)量值偏高,處理后正常。實(shí)踐中總結(jié)幾點(diǎn)注意事項(xiàng):
⑴鋯管要求在750℃下才能正常工作,因此儀表應(yīng)保持恒溫; ⑵氣體管路不得泄漏;
⑶保持噴射器氣源壓力穩(wěn)定在0.15MPa;
⑷標(biāo)準(zhǔn)氣校驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)閉噴射器氣源,測(cè)量時(shí)打開(kāi);
⑸測(cè)量氣中存在H2、CO、CH4 等可燃?xì)怏w會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏低。
八、結(jié)論
氧化鋯測(cè)氧儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,響應(yīng)時(shí)間短,測(cè)量范圍寬,使用溫度高,運(yùn)行可靠,安裝方便,維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn),因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用