氧化锆氧量分析仪讲义

氧化锆氧量分析仪讲义

马文涛

宝鸡三隆石化技术服务有限公司 陕西宝鸡 721000

摘要：氧化锆作为一种耐火原料，以其熔融温度高达2900℃的独特的热稳定性，被广泛应用在工业测量设备——氧量分析仪的制造上。氧化锆氧量分析仪又被称为氧化锆氧量计，通常用来测量燃烧过程中烟气的含氧浓度以及非燃烧气体氧浓度测量。该分析仪氧传感器的关键部件由氧化锆制成，内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池，传感器内温度恒定的电化学电池产生一个毫伏电势，直接反应出烟气中含氧浓度值。本文主要讲述氧化锆氧量分析仪的原理、应用及故障处理。

关键词：氧化锆氧量分析仪原理、应用、故障处理。

一、概述：

1、参比概念：reference 为仪器仪表性能试验或保证测量结果能有效比对而规定的一组带有允差的影响量的值或范围。

2、原理：氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因而在两铂电极之间产生氧浓差电势。

此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。若一侧氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。

设 P0>P1,在高温下（650~850℃）氧就会从分压大的P0侧向分压小的P1侧扩散，这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从P0侧到P1侧，而是氧分子离解成氧离子后通过氧化锆的过程。在750℃左右的高温中，在铂电极的催化作用下，在电池的P0侧发生还原反应，一个氧分子从铂电极取得4个电子，变成两个氧离子进入电解质，即O2(P0)+4e 2O^2-;P0侧的铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。反之，在电池P1侧发生的是氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出。

氧化锆（ZrO2）是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。在常温下为单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收缩；当温度降低时，又变为单斜晶体。若反复加热与冷却，ZrO2就会破裂。因此，纯净的ZrO2不能用作测量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）作稳定剂，再经过高温焙烧，则变为稳定的氧化锆材料，这时，四价的锆被二价的钙或三价的钇置换，同时产生离子空穴，所以ZrO2属于阴离子固体电解质。ZrO2主要通过空穴的运动而导电，当温度 达到600℃以上时，ZrO2就变为良好的氧离子导体。

　在额定的温度下，电池输出电势用下面的公式计算
　　Ｐ0──在电池内侧参比气体（如空气）的氧分压；
　　Ｐ1──在电池外侧被测气体（如烟气）的氧分压；
　　Ｒ-气体常数；N=4，F---法拉第常数96500C
　　Ｔ-绝对温度=（273+t℃）；
　　参比气体应为干燥清洁无油的空气（含氧20.60％）。在参比气侧与被测气体侧氧浓度不同时，氧离子从高的一侧迁移到低的一侧。电池输出就以对数的规律反应出被测气体中的氧浓度值。（怎么参比）
二、系统组成
　　氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器（又称氧探头、氧检测器）、氧分析仪（又称变送器、变送单元、转换器、分析仪）以及它们之间的连接电缆等组成。
1、氧传感器
　　传感器装置由金属外壳、测量电池、加热器、热电偶、过滤元件以及电缆接线端子等组成。测量电池本体分为3层：铂（电极）─氧化锆（电解质）─铂（电极）。铂电极是多孔性的。烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入测量电池被测气体一侧，而另一侧为参比空气（含氧20.60％）。
　　两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池，便产生一个以对数为规律的电势（两侧的氧浓度差愈大电势信号愈大）。毫伏信号经氧分析仪转换成4－20mA标准电流。此电流由氧分析仪接线端子输出。
　　测量电池的工作温度设置为高于650℃的恒定温度为了保持工作温度恒定，用一支Ｋ型热电偶测量电池的工作温度，经氧分析仪内的温度控制器调节加热器的加热电压。当测量烟气温度高于700℃时，传感器组成中省去加热器和测温热电偶。

2、氧分析仪

为了使测量电池的工作温度达到700℃，氧分析仪接受传感器中的Ｋ型热电偶输出的温度mV信号，与微处理器预置温度（毫伏）相比较，从而控制电池温度。氧分析仪采用环境温度作为热电偶冷端比较点。

三、氧化锆的分类

1. 中低温直插式氧化锆氧分析仪，其探头直接插入炉窑烟气中，适应烟气温度为0~650℃（最佳烟气温度350~550℃），探头中自带加热炉。主要用于火电厂锅炉、6~20t/h工业炉等，是我国用量最大的一种。

2. 高温直插式氧化锆氧分析器，其探头直接插入烟气中，探头本身不带加热炉，靠高温烟气加热探头，仅适用于700~900℃的烟气测量，主要用于电厂、石化高温烟气分析。

3. 导流直插式氧化锆氧分析仪，这类探头利用一根长导流管将烟气导流岛炉壁近处，再利用一支短探头进行测量，主要用于低尘烟气测量，例如石化部门的加热炉。

4. 墙挂式氧化锆氧分析仪，它将烟气抽出到炉壁处，并将氧化锆传感器安装在炉壁上就近分析，它较抽出式具有响应快的优点。主要用于钢铁厂均热炉及其他高温烟气分析（900~1400℃）。

抽出式氧化锆氧分析仪。为了除去SO2、SO3和烟尘对测量的影响，将烟气抽至工作点，除去SO2、SO3和烟尘后再进行分析，其缺点是响应慢。主要适应于多硫多尘恶劣条件的烟气，如制造硫酸的沸腾炉。国内使用较少。

四、氧化锆分析仪的日常维护

1. 仪器上炉前必须经过检验，确认仪器是否正常未经检验的仪器不准上炉。

2. 定期对仪器进行校准，一般来说，接入自控系统的仪器做到1--2月校准一次，未接入自控系统的仪器做每三个月校准一次

3. 经常巡视仪器是否正常，仪器一旦出现故障，及时查找原因，如属探头正常老化或损坏，或一时查不出故障原因，应及时更换探头。

4. 根据需要，定期清洗探头有关部件。

5. 停炉时，应等炉停后再关仪器。停炉时间在1个月内，若不影响炉的检修，就不要关仪器。开炉前，先开仪器。

6. 做好每台仪器的运行档案，内容包括进厂日期，装上时间、维修情况和运行情况等。

7. 新装的氧化锆探头要至少运行一天后才能进行校准。

五、探头安装地点的选择

选择探头安装点考虑一下三点。

1. 探头型号和烟气温度相适应

2. 烟气流通条件好

3. 便于安装维修

六、结束语

熟知氧化锆氧量分析仪的原理及故障处理方法，能大大减轻维护工作量和维护时间，同时本文也能对初涉分析仪表人员提供简单、明了的学习知识。

参考文献：仪表工试题集（第二版）