氧化鋯分析儀分析原理解析

時間：2019-04-25作者：西安賽譜自動化儀表技術(shù)有限公司瀏覽：131

在許多生產(chǎn)過程中，特別是燃燒過程和氧化反應(yīng)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(xué)法（氧化鋯屬電化學(xué)類）是目前工業(yè)上分析氧含量的一種方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，反應(yīng)*，測量范圍廣等特點(diǎn)。氧化鋯氧量計(jì)是電化學(xué)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(fēng)來調(diào)整過?？諝庀禂?shù)α值，以保證佳的空氣燃料比，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的雙重效果。這里以氧化鋯氧量計(jì)為例介紹氧含量的檢測原理。

   氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理：

電解質(zhì)溶液靠離子導(dǎo)電，具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu)，靠空穴使離子運(yùn)動導(dǎo)電，與P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電的機(jī)理相似。純氧化鋯（ZrO2）不導(dǎo)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(dǎo)電性，成為氧化鋯固體電解質(zhì)。

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(dǎo)電性呢？這是因?yàn)?，摻有少量CaO2 的ZrO2混合物，在結(jié)晶過程中，鈣離子進(jìn)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(jìn)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(jié)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?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)是15%），則具有7.5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。

   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(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)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(gòu)成了氧濃差電池，如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w（空氣），其氧分壓為p0；電池右側(cè)通入被測氣體，其氧分壓為p1（未知）。

           

氧濃差電池原理圖

設(shè)p0 > p1，在高溫下（650…850℃），氧就會從分壓大的p0一側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散，不是氧分子透過氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè)，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(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個氧分子從鉑電極**4個電子，變成兩個氧離子（O2-）進(jìn)入電解質(zhì)，即：

O2（P0）+ 4e →2O2-

P0側(cè)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(jìn)入電解質(zhì)后，通過晶體中的空穴向前運(yùn)動到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的P1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出，即：

2O2- - 4e →O2（P1）

P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩個電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個電勢，稱之為氧濃差電動勢。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個電極連成電路時，負(fù)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(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。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?jǐn)?shù)%O2與氧濃差電勢（mV）存在特定的對應(yīng)關(guān)系。與熱電偶的分度值相類似。

  氧化鋯檢測器的種類、結(jié)構(gòu)和性能

根據(jù)氧化鋯探頭的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域和色譜領(lǐng)域也開始大量采用滲透式檢測器。

  直插式氧化鋯分析儀

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(dǎo)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(dǎo)流管，先用導(dǎo)流管將煙氣引導(dǎo)到爐壁附近，再用探頭進(jìn)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(dǎo)流式探頭，其原因是*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?zé)煔饧訜幔m用于700…900℃的煙氣測量，主要用于電廠、石化廠等高溫?zé)煔夥治霏h(huán)境。

  直插式氧化鋯分析儀的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)

直插式氧化鋯分析儀的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、反應(yīng)速度和測量范圍廣，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(yīng)用于各種鍋爐和工業(yè)爐窯中。

①直插式氧化鋯分析儀結(jié)構(gòu)組成：
直插式氧化鋯分析儀由氧化鋯探頭（檢測器）和轉(zhuǎn)換器（二次表）兩部分組成，兩者連接在一起的稱為一體式結(jié)構(gòu)；兩者分開安裝的稱為分離式結(jié)構(gòu)。


                       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(cè)通被測氣、管外側(cè)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(jié)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(diǎn)，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(jìn)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(yàn)氣管路在儀器校驗(yàn)時能通氣校驗(yàn)。

轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器除了要完成對檢測器輸出信號的放大和轉(zhuǎn)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(shí)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(guān)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(zhì)兩側(cè)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。

   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(jìn)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(dá)900…1400℃，這種場合就不能采用直插式探頭進(jìn)行測量，而應(yīng)將高溫?zé)煔鈴臓t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(jié)果。

目前國內(nèi)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，*樣管堵塞，需要及時清理，維護(hù)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?xì)鉅t

直插式氧化鋯分析儀可用于燃煤爐、燃油爐，但不適合于燃?xì)鉅t。這是因?yàn)椴捎锰烊粴獾葰怏w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(yīng)而耗氧，使測得的氧含量偏低。當(dāng)燃燒不正常，煙氣中的可燃?xì)怏w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(xiǎn)。

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(jìn)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(zhuǎn)化爐等都是采用這樣的方式測量。因?yàn)轫槾叛鯇Ρ粶y樣氣的要求比氧化鋯儀器嚴(yán)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(fù)雜、維護(hù)量大、故障率較高、樣品測量反應(yīng)滯后、時間較長等原因，其使用效果并不理想。

目前，石化行業(yè)的燃?xì)鉅t已用氧化鋯分析儀來取代順磁氧分析儀?，F(xiàn)在的氧化鋯分析儀，在儀器探頭前加裝了一個可燃?xì)鈿怏w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(diǎn)：

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

②用可燃?xì)怏w檢測結(jié)果對氧化鋯探頭的輸出值進(jìn)行修正和補(bǔ)償，從而使氧含量的測量結(jié)果較為準(zhǔn)確；

③根據(jù)可燃?xì)怏w檢測結(jié)果判斷燃燒工況是否正常，以便及時進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制；也有在氧化鋯探頭前，增設(shè)兩個檢測探頭的產(chǎn)品，增設(shè)的探頭一般是可燃?xì)馓筋^和甲烷氣探頭。甲烷氣探頭的作用是為了較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(cè)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(cè)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(yùn)動成為導(dǎo)體，當(dāng)溫度**650℃時，氧離子就能流動。當(dāng)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(yīng)的電流值比400 mA稍大一點(diǎn)。從圖中我們還可以看出，電流值與溫度無關(guān)（600℃和700℃是同一曲線），而與氣體流量有關(guān)（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優(yōu)越性。

抽吸式氧化鋯探頭的特點(diǎn)：

①不需要溫度控制；

②不需要參比氣體；

③校準(zhǔn)儀器方便，不需要標(biāo)準(zhǔn)氣體，也不需要多點(diǎn)校準(zhǔn)；（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*部分煙氣直接返回?zé)煹?，恒定流量的一小部分樣品氣先后流?jīng)可燃?xì)怏w探頭、氧化鋯探頭后返回?zé)煹?。樣品氣流?jīng)的所有部件都由電加熱器加熱，使樣保持在露點(diǎn)溫度以上。

由于樣氣進(jìn)出口的熱力學(xué)壓力相同，按理樣氣應(yīng)該無法流過測量探頭并返回?zé)煹?，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?zé)煹馈?

標(biāo)簽：氧化鋯氧分析儀 直插式氧化鋯氧分析 抽吸式氧化鋯分析


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