氧化鋯氧量分析儀

　　基本簡介

　　氧化鋯氧量分析儀（Zirconia Oxygen Analyzer），又稱氧化鋯氧分析儀、氧化鋯分析儀、氧化鋯氧量計、氧化鋯氧量表，主要用于測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度，同樣也適用于非燃燒氣體氧濃度測量。在傳感器內(nèi)溫度恒定的電化學(xué)電池產(chǎn)生一個毫伏電勢，這個電勢直接反應(yīng)出煙氣中含氧濃度值。 將此分析儀應(yīng)用于燃燒監(jiān)視與控制，將有助于充分燃燒，減少CO2、SOx及NOx的排放，從而為防止全球變暖及空氣污染做出貢獻。同時，氧化鋯氧量分析儀還可用于氣氛控制，精確控制工藝生產(chǎn)過程；采用兩只探頭測出干氧、濕氧可以換算出水分含量。

　　氧化鋯氧量分析儀廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)的燃燒監(jiān)視與控制過程，并且?guī)椭餍袠I(yè)領(lǐng)域取得了相當可觀的節(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。

　　氧含量監(jiān)測

　　隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識的逐漸提高，眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強產(chǎn)品競爭能力的重要途徑。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。因此，如何測量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定最佳燃燒點，是十分令人關(guān)心的。

　　最佳燃燒點

　　供給加熱爐、鍋爐等加熱設(shè)備的燃料燃燒熱并不是全部被利用了。以軋鋼加熱爐或鍋爐為例，有效熱是為了使物料加熱或熔化（以及工藝過程的進行）所必須傳入的熱量，爐子煙氣帶走的物理熱是熱損失中主要部分。當鼓風(fēng)量過大時（即空燃比α偏大），雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過?？諝饬科?，表現(xiàn)為煙氣中O2含量高，過?？諝鈳ё叩臒釗p失Q1值增大，導(dǎo)致熱效率η偏低。與此同時，過量的氧氣會與燃料中的S、煙氣中的N2反應(yīng)生成SO2、NOX等有害物質(zhì)。而對于軋鋼加熱爐，煙氣中氧含量過高還會導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。

　　當鼓風(fēng)量偏低時（即空燃比α減?。?，表現(xiàn)為煙氣中O2含量低，CO含量高，雖說排煙熱損失小，但燃料沒有完全燃燒，熱損失Q2增大，熱效率η也將降低。另外，煙囪也會冒黑煙而污染環(huán)境。

　　所謂提高燃燒效率，就是要適量的燃料與適量的空氣組成最佳比例進行燃燒。熱效率與煙氣中的CO、O2、CO2含量以及排煙溫度、供熱負荷、霧化條件等因素有關(guān)。因此，可通過測量并控制煙道氣體中CO、O2、CO2的含量來調(diào)節(jié)空氣消耗系數(shù)λ，來達到最高燃燒效率。

　　燃燒效率控制由來已久，上世紀60年代，曾廣泛采用CO2分析儀監(jiān)測煙道氣體中CO2含量來控制空氣消耗系數(shù)λ以達到最佳，但CO2含量受燃料品種影響較大。70年代后，逐漸采用煙氣中O2含量或O2含量和CO含量相結(jié)合的方法來控制燃燒效率。

　　提高燃燒效率最直接的方法就是使用煙氣分析儀器（如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀）連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分，分析煙氣中O2含量和CO含量，調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量，確定最佳的空氣消耗系數(shù)。

　　測量煙氣中含氧量的儀表稱為氧分析儀（氧量計）。常用的氧分析儀主要有熱磁式和氧化鋯式兩種。

　　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測定煙氣中含氧量。氧氣為順磁性氣體（氣體能被磁場所吸引的稱為順磁性氣體），在不均勻磁場中受到吸引而流向磁場較強處。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，由此造成"熱磁對流"或"磁風(fēng)"現(xiàn)象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過測量磁風(fēng)大小就可測得氣樣中氧氣含量。由于熱敏元件（鉑絲）既作為不平衡電橋的兩個橋臂電阻，又作為加熱電阻絲，在磁風(fēng)的作用下出現(xiàn)溫度梯度，即進氣側(cè)橋臂的溫度低于出氣側(cè)橋臂的溫度。不平衡電橋?qū)㈦S著氣樣中氧氣含量的不同，輸出相應(yīng)的電壓值。

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

　　傳感器式

　　氧化鋯（ZrO2）是一種陶瓷，一種具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體。在常溫下為單斜晶體，當溫度升高到1150℃時，晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w，同時約有7%的體積收縮；當溫度降低時，又變?yōu)閱涡本w。若反復(fù)加熱與冷卻，ZrO2就會破裂。因此，純凈的ZrO2不能用作測量元件。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)過高溫焙燒，則變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料，這時，四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換，同時產(chǎn)生氧離子空穴，所以ZrO2屬于陰離子固體電解質(zhì)。ZrO2主要通過空穴的運動而導(dǎo)電，當溫度達到600℃以上時，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)一個鉑電極，當氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時，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電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢。此電勢在溫度一定時只與兩側(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）就可用氧濃差電勢表示，測出氧濃差電勢，便可知道煙氣中氧氣含量。

　　氧化鋯氧分析儀具有結(jié)構(gòu)和采樣預(yù)處理系統(tǒng)較簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點。

　　煙氣分析儀器應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，例如：

　　熱電廠循環(huán)流化床鍋爐用于燃燒控制室的煙道氣體監(jiān)測； 鋼鐵廠軋鋼加熱爐用于解決降低氧化燒損或脫碳層厚度時的爐氣氣氛檢測； 全氫熱處理爐用于檢測輻射管是否燒穿漏氣； 研制新型燃燒器（蓄熱式、低NOX式、輻射管式）時用于燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計研究； 汽車尾氣排放檢測；食品行業(yè)水分測定； 其他工業(yè)窯爐及垃圾焚燒爐煙氣監(jiān)測。

　　主要特點

　　1、傳感器氧化鋯鋯頭采用高溫陶瓷焊接技術(shù)，避免了熱應(yīng)力破壞。

　　2、氧化鋯探頭采用全321不銹鋼（1Cr18Ni9Ti)護套，具有極佳的 耐磨及耐蝕性。

　　3、直插式：無需取樣系統(tǒng)，響應(yīng)快，有效的降低煙氣中灰份堵塞。

　　4、熱擴散參比：無需專門的參比空氣泵，使用維護簡單。

　　5、雙參數(shù)設(shè)計：克服國產(chǎn)氧化鋯性能離散性，測量準確，延長使用壽命。

　　6、工況在線校準：準確可靠，單標氣在線校準方便，工況點可直接標定，測量精準。

　　7、熱惰性保護：安裝方便，可熱安裝，對停啟爐適應(yīng)性強。

　　8、元件可拆：元件更換方便，便于維修，降低使用成本。

　　9、多功能顯示：氧含量(%)； 氧電勢；溫度，本底電勢參數(shù)數(shù)顯直觀方便

　　10、雙量程：同時具有0-10% 和0-20.6%雙量程，測量范圍廣。

　　11、雙輸出：同時具有開關(guān)量節(jié)點輸出和4-20mA兩檔輸出。

　　12、負載大：750歐/4-20mA,便于遠程安裝。

　　13、本底電勢可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍寬，可隨時檢查元件老化等參數(shù)。

　　14、全浮式設(shè)計：共模輸入，抗電場干擾性強，無需專用地線，安裝方便。

　　15、產(chǎn)品系列化適應(yīng)性強：可適用于燃氣、燃油、燃煤各種爐型。測量溫度從室溫至1400度均可選擇到合適的型號。

　　氧化鋯氧分析儀的故障現(xiàn)象和處理方法

　　氧化鋯氧分析儀的故障現(xiàn)象和處理方法

　　一、故障現(xiàn)象 儀表示值偏低。

　　原因1：樣氣中可能存在可燃氣體。氧化鋯固體電解質(zhì)工作在600~850度高溫下，如果樣氣中存在碳氫化合物等可燃組分，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氣體存在，則應(yīng)調(diào)整工況除去可燃氣體，或者在樣氣中加裝凈化器除去可燃氣體組分。

　　原因2：探頭過濾器堵塞、氣阻增大，影響被測氣體中氧分子的擴散速度。

　　處理方法：反向吹掃、清洗過濾器，如果不能疏通，則更換過濾器。

　　原因3：爐溫過高。

　　處理方法：檢查校正爐溫。

　　原因4：量程電勢偏高。

　　處理方法：利用給定電勢差校正量程電勢。

　　二、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)字萬用表檢測兩電極引線間的阻值，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，可適當提高爐溫繼續(xù)使用。若儀表誤差過大，超出允許誤差范圍時，應(yīng)更換鋯管。

　　原因4：爐溫過低，造成鋯管內(nèi)阻過高。

　　處理方法：檢查校正爐溫。

　　三、故障現(xiàn)象 儀表無指示。

　　原因1：電爐未加熱。

　　處理方法：檢查溫度控制電路的加熱器、熱電耦等，找出電爐不加熱的原因，處理之。

　　原因2：信號輸出回路開路。

　　處理方法：檢查輸出回路接線，確保接觸良好。

　　原因3：鋯管多孔鉑電極斷路。

　　處理方法：用數(shù)字萬用表檢查鋯管內(nèi)阻，在儀表規(guī)定的工作溫度下，如果鋯管兩電極引線間的阻值大于100歐姆，則應(yīng)更換鋯管。

　　四、故障現(xiàn)象 儀表無論置于任何一檔，示值均指示滿量程。

　　原因1：電極信號接反。

　　處理方法：正確連接。

　　原因2：鋯管電極脫落，或經(jīng)長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100歐姆，則應(yīng)更換鋯管。

　　五、故障現(xiàn)象 表頭指針抖動。

　　原因1：放大器放大倍數(shù)過高。

　　處理方法：檢修放大器，調(diào)整放大倍數(shù)。

　　原因2：接線接觸不良。

　　處理方法：檢查并緊固接線端子。

　　原因3：插接件接觸不良。

　　處理方法：清洗插接件。

　　六、故障現(xiàn)象 輸出信號波動大

　　原因1：取樣點位置不合適。

　　處理方法：和工藝配合檢查、更改取樣點位置。

　　原因2：燃燒系統(tǒng)不穩(wěn)定，超負荷運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：檢查樣氣有無冷凝水或水霧，鋯管出口稍向下傾斜改進樣氣預(yù)處理系統(tǒng)。

　　工作原理

　　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(又稱氧探頭、氧檢測器)、氧分析儀（又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)換器、分析儀）以及它們之間的連接電纜等組成。ROYTEC 型系列推薦。

　　主要原理

　　氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢來測定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個探頭的頂端。

　　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。因其這一特性，在一定高溫下，當鋯管兩邊的氧含量不同時，它便是一個典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0（20.6%O2）時，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個電子形成2個氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng)：

　　O（P0）+4e-→2O-2

　　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)：

　　2O-2 →O（P0）+4e-

　　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)生的電勢又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當這兩種遷移達到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個與氧濃差有關(guān)的電勢信號E,該電勢信號符合"能斯特"方程：

　　E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

　　式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對溫度（K）, P0是空氣氧含量（20.6%O2）, P 是煙氣含量。由（1） 式可見，在一定的高溫條件下（一般）600℃），一定的煙氣氧含量便會有一對應(yīng)的電勢輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢值在高溫區(qū)域內(nèi)對應(yīng)氧含量。 在理想狀態(tài)下，當被測煙氣與參比氣濃度一樣時， 其輸出電勢E值為 0 mV, 但在實際應(yīng)用中，鋯管實際條件和現(xiàn)場情況均不是理想狀態(tài)。 故事實上的鋯管是偏離此值的。實際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢為理論值和本底電勢的和，我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢值為本底電勢或稱為零位電勢， 此值的大小又在不同溫度下呈不同的值， 并且隨鋯管使用期延長而變化。 因此， 如不對此情況處理，會嚴重影響整套測氧儀的準確和探頭壽命。

　　技術(shù)規(guī)格

　　* 測量對象：各種工業(yè)爐窯煙氣，混合氣體濃度

　　* 測量元件：氧化鋯管

　　1、測氧范圍：0—20.6%O2或0--10%

　　2、儀器精度：系統(tǒng)測氧基本誤差≤±2%滿量程值

　　3、變送器精度：1.0級（≤1.0%滿量程值）

　　4、溫控精度：恒溫點的700±1℃

　　5、響應(yīng)時間：≤3秒（達到90%的響應(yīng)）

　　6、報警輸出：上、下限節(jié)點輸出，可選“常開”或“常閉”點

　　7、模擬量輸出信號：4—20 mA ADC（負載0Ω—750Ω）對應(yīng)氧量0—10%O2或者0—20.6%O2

　　8、本底修正范圍：-20 mV—+20 mV

　　9、數(shù)顯形式：LED四位數(shù)碼管顯示

　　10、電源：AC220V±15%

　　11、功耗：<6W（不包括加熱功率）

　　12、加熱功率：約50W（平均值）可提供150W輸出功率

　　13、環(huán)境條件：溫度-20℃—60℃

　　相對濕度<90%

　　14、檢測器約10Kg，轉(zhuǎn)換器約5Kg

　　15、標定方式：叁參數(shù)標定。空氣點、標準氣點、工況點。