氧化鋯分析儀的檢測(cè)原理及故障分析

摘要：隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的逐漸提高，眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠(chǎng)等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護(hù)環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的重要途徑。鋼鐵行業(yè)的軋鋼加熱爐、電力行業(yè)的鍋爐等燃燒裝置和熱工設(shè)備，是各行業(yè)的能源消耗大戶(hù)。因此，如何測(cè)量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定最佳燃燒點(diǎn)，是十分令人關(guān)心的。

關(guān)鍵詞：環(huán)保和節(jié)能 燃燒效率 能源消耗 最佳燃燒點(diǎn)

1概述

氧化鋯分析儀一般指氧化鋯氧量分析儀（Zirconia Oxygen Analyzer），主要用于測(cè)量燃燒過(guò)程中煙氣的含氧濃度，同樣也適用于非可燃性氣體氧濃度測(cè)量。氧化鋯氧量分析儀廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)的燃燒監(jiān)視與控制過(guò)程，并且?guī)椭餍袠I(yè)領(lǐng)域取得了相當(dāng)可觀(guān)的節(jié)能效果。應(yīng)用領(lǐng)域包括能耗行業(yè)，如鋼鐵業(yè)、電子電力業(yè)、石油化工業(yè)、制陶業(yè)、造紙業(yè)、食品業(yè)、紡織品業(yè)，還包括各種燃燒設(shè)備，如焚燒爐、中小型鍋爐等。

2檢測(cè)原理及分類(lèi)

2.1構(gòu)成及檢測(cè)原理

氧傳感器的關(guān)鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度，在傳感器中設(shè)置了加熱器。用氧分析儀內(nèi)的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯氧量分析儀的構(gòu)成是由氧傳感器、氧分析儀（變送器）以及它們之間的連接電纜等組成。

氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0（20.6%O2）時(shí)，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：

氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應(yīng)：

由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E，該電勢(shì)信號(hào)符合"能斯特"方程：

式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對(duì)溫度（K）， P0是空氣氧含量（20.6%O2）， P 是煙氣含量。由（1） 式可見(jiàn)，在一定的高溫條件下（一般）600℃），一定的煙氣氧含量便會(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。實(shí)際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和，我們稱(chēng)為無(wú)濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱(chēng)為零位電勢(shì)。

2.2主要分類(lèi)

常用的氧化鋯分析儀主要有熱磁式和氧化鋯式兩種。

1）熱磁式

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(lái)測(cè)定煙氣中含氧量。氧氣為順磁性氣體，在不均勻磁場(chǎng)中受到吸引而流向磁場(chǎng)較強(qiáng)處。在該處設(shè)有加熱絲，使此處氧的溫度升高而磁化率下降，因而磁場(chǎng)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(chǎng)，由此造成"熱磁對(duì)流"或"磁風(fēng)"現(xiàn)象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過(guò)測(cè)量磁風(fēng)大小就可測(cè)得氣樣中氧氣含量。

熱磁式氧分析儀雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造和調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，但由于其反應(yīng)速度慢、測(cè)量誤差大、容易發(fā)生測(cè)量環(huán)室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，已逐漸被氧化鋯氧分析儀所取代。

2）傳感器式

純凈的ZrO2不能用作測(cè)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(wěn)定劑，再經(jīng)過(guò)高溫焙燒，則變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料，這時(shí)，四價(jià)的鋯被二價(jià)的鈣或三價(jià)的釔置換，同時(shí)產(chǎn)生氧離子空穴，所以ZrO2屬于陰離子固體電解質(zhì)。ZrO2主要通過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電，當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，ZrO2就變?yōu)榱己玫难蹼x子導(dǎo)體。 在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結(jié)一個(gè)鉑電極，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時(shí)，氧分壓高的一側(cè)的氧以離子形式向氧分壓低的一側(cè)遷移，結(jié)果使氧分壓高的一側(cè)鉑電極失去電子顯正電，而氧分壓低的一側(cè)鉑電極得到電子顯負(fù)電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)。此電勢(shì)在溫度一定時(shí)只與兩側(cè)氣體中氧氣含量的差（氧濃差）有關(guān)。若一側(cè)氧氣含量已知（如空氣中氧氣含量為常數(shù)），則另一側(cè)氧氣含量（如煙氣中氧氣含量）就可用氧濃差電勢(shì)表示，測(cè)出氧濃差電勢(shì)，便可知道煙氣中氧氣含量。

3常見(jiàn)故障現(xiàn)象和處理方法

1）故障現(xiàn)象：儀表示值偏低。

原因1：樣氣中可能存在可燃?xì)怏w。氧化鋯固體電解質(zhì)工作在600～850度高溫下，如果樣氣中存在碳?xì)浠衔锏瓤扇冀M分，將發(fā)生燃燒反應(yīng)而耗氧，故導(dǎo)致儀表示值偏低。

處理方法：抽樣檢查樣氣，如果樣氣中的確有可燃?xì)怏w存在，則應(yīng)調(diào)整工況除去可燃?xì)怏w，或者在樣氣中加裝凈化器除去可燃?xì)怏w組分。

原因2：探頭過(guò)濾器堵塞、氣阻增大，影響被測(cè)氣體中氧分子的擴(kuò)散速度。

處理方法：反向吹掃、清洗過(guò)濾器，如果不能疏通，則更換過(guò)濾器。

原因3：爐溫過(guò)高。

處理方法：檢查校正爐溫。

原因4：量程電勢(shì)偏高。

處理方法：利用給定電勢(shì)差校正量程電勢(shì)。

2）故障現(xiàn)象：儀表示值偏高

原因1：鋯管破裂漏氣。

處理方法：檢查更換鋯管。

原因2：鋯管產(chǎn)生小裂紋，導(dǎo)致電極部分短路滲透。

處理方法：檢查更換。

原因3：鋯管老化。

處理方法：測(cè)量鋯管內(nèi)阻，方法是在儀表規(guī)定的工作溫度下，用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)兩電極引線(xiàn)間的阻值，一支新的鋯管內(nèi)阻應(yīng)小于50歐姆，如果鋯管內(nèi)阻大于100歐姆時(shí)，可適當(dāng)提高爐溫繼續(xù)使用。若儀表誤差過(guò)大，超出允許誤差范圍時(shí)，應(yīng)更換鋯管。

原因4：爐溫過(guò)低，造成鋯管內(nèi)阻過(guò)高。

處理方法：檢查校正爐溫。

3）故障現(xiàn)象：儀表無(wú)論置于任何一檔，示值均指示滿(mǎn)量程。

原因1：電極信號(hào)接反。

處理方法：正確連接。

原因2：鋯管電極脫落，或經(jīng)長(zhǎng)期使用后鉑電極蒸發(fā)。

處理方法：檢查鋯管兩極間電阻，如果超過(guò)100歐姆，則應(yīng)更換鋯管。

4）故障現(xiàn)象：輸出信號(hào)波動(dòng)大

原因1：取樣點(diǎn)位置不合適。

處理方法：和工藝配合檢查、更改取樣點(diǎn)位置。

原因2：燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定，超負(fù)荷運(yùn)行或有明火沖擊鋯管，氣樣流量變化大。

處理方法：和工藝配合檢查，調(diào)整工藝參數(shù)，檢查、更換氣路閥件。

原因3：樣氣帶水并在鋯管中汽化。

處理方法：檢查樣氣有無(wú)冷凝水或水霧，鋯管出口稍向下傾斜改進(jìn)樣氣預(yù)處理系統(tǒng)。

4結(jié)束語(yǔ)

煙氣氧含量式鍋爐運(yùn)行重要監(jiān)控參數(shù)之一，是反應(yīng)燃燒設(shè)備與鍋爐運(yùn)行完善程度的重要依據(jù)。因此控制煙氣氧含量，對(duì)控制燃燒過(guò)程，實(shí)現(xiàn)安全、高效和低污染排放有非常重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃步余，范宗海，馬睿.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).第四版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020：184-188.

作者簡(jiǎn)介：呂長(zhǎng)達(dá)（1985-），男，遼寧葫蘆島漢族大學(xué)本科工程師，中油遼河工程有限公司從事自控儀表設(shè)計(jì)工作。