孟憲琦

摘要：本文主要介紹了氧化鋯分析儀的使用意義、工作原理、選型以及正確選擇探頭安裝地點(diǎn)和安裝方式。并對工藝操作人員常提出的問題進(jìn)行了總結(jié)和原因分析。

關(guān)鍵詞：氧化鋯;能斯特方程;電動(dòng)勢

前言

由于氧化鋯分析儀與其它測氧分析儀表（如磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計(jì)）相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時(shí)間短，測量范圍寬（從ppm到百分含量），使用溫度高（600～1200℃），運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在化工、電力、環(huán)保等工業(yè)部門都得到廣泛的應(yīng)用。在我公司，氧化鋯分析儀也應(yīng)用較多，如常壓、電站、重整的加熱爐和催化的余熱鍋爐都使用其監(jiān)測爐內(nèi)氧含量。

1? 使用氧化鋯分析儀的意義

氧化鋯分析儀是控制爐窯經(jīng)濟(jì)燃燒不可缺少的重要在線分析儀，它有三個(gè)作用：節(jié)能、減少環(huán)境污染和延長爐齡。

鍋爐的熱效率與四項(xiàng)熱損失有關(guān)：⑴排煙損失，極熱煙氣帶走的熱量;⑵氣體不完成燃燒損失，即煙氣中的CO和C等物質(zhì)帶走的熱量;⑶炭未完成燃燒損失，即爐灰中C帶走的熱量;⑷散熱損失。當(dāng)鼓風(fēng)量過大，煙氣中過?？諝饬看螅瑹煔庋鹾科?，雖然燃燒充分，但過剩的空氣帶走的熱量多。同時(shí)過剩的氧與燃料中的S和煙氣中的N2燃燒生成硫化物和氮化物等有害物質(zhì)污染環(huán)境。當(dāng)鼓風(fēng)量低時(shí)，煙氣氧量低，燃料不能充分燃燒，熱效率降低。同時(shí)煙囪冒黑煙，對環(huán)境也會(huì)造成較大污染。因此要使鍋爐熱效率高而污染小，必須控制空氣過剩系數(shù)，這需要利用氧化鋯氧分析儀將煙氣氧含量控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，鍋爐處于經(jīng)濟(jì)燃燒狀態(tài)，煙氣中的SO2、SO3量低，減少了鍋爐尾部腐蝕，從而延長了爐齡。

2? 氧化鋯分析儀工作原理

在一片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），電池右側(cè)通入被測氣體，在高溫下（650～850℃），氧就會(huì)從電池左側(cè)向右側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散，不是氧分子通過氧化鋯從左側(cè)到右側(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，在電池的左側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電變成兩個(gè)氧離子（O2-）進(jìn)入電解質(zhì)，即左側(cè)的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(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的右側(cè)發(fā)成氧化反應(yīng)，氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出，即右側(cè)的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(gè)電極上由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢，稱之為氧濃差電動(dòng)勢。當(dāng)用導(dǎo)線將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過外電路流到正極，再供給氧分子形成氧離子，電路中就有電流通過。氧濃差電動(dòng)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)。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，它們的關(guān)系可用能斯特方程式表示。

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314J/（mol·K）;

T——氧化鋯探頭的工作溫度，K（273+t℃）;

n——參加反應(yīng)的電子數(shù)（對氧而言，n=4）;

F——法拉第常數(shù)，96500C;

p0——參比氣體的氧分壓;

p1——被測氣體的氧分壓。如被測氣體的總壓力與參比氣體的總壓力相同，則上式可改寫為

式中c0——參比氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)

c1——被測氣體中氧的體積分?jǐn)?shù)。

從上式可以看出，當(dāng)參比氣體中的氧含量c0一定時(shí)，氧濃度差電動(dòng)勢僅是被測氣體中氧含量c1和溫度T的函數(shù)。若氧濃度差電池的工作溫度為750℃，c0為20.6%，則電池的氧濃度差電動(dòng)勢E為

上式說明，濃差電動(dòng)勢與被測氣體中氧含量有對數(shù)關(guān)系，當(dāng)氧濃差電池的工作溫度T和參比氣體中氧含量c0一定時(shí)，被測氣體中的氧含量越小，氧濃差電動(dòng)勢越大。

3 氧化鋯分析儀的幾種形式

3.1直插式氧化鋯分析儀

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。直插型氧化鋯按工作溫度又分為中低溫、高溫型和導(dǎo)流直插式三種。

（1）中低溫直插式氧化鋯分析儀，其探頭直接插入爐窯煙氣中，適應(yīng)煙氣溫度為0～650℃（最佳煙氣溫度350～550℃），探頭中自帶加熱爐。

（2）高溫直插式氧化鋯氧分析器，其探頭直接插入煙氣中，探頭本身不帶加熱爐，靠高溫?zé)煔饧訜崽筋^，僅適應(yīng)與700～900℃的煙氣測量。

（3）導(dǎo)流直插式氧化鋯氧分析儀，這類探頭利用一根長導(dǎo)流管將煙氣導(dǎo)流到爐壁近處，再利用一只短探頭進(jìn)行測量，重要用于低塵煙氣測量。

由于直插式氧探頭的工作環(huán)境惡劣，且對其檢測精度、工作穩(wěn)定性和工作壽命都要求較高，需采用新的技術(shù)，克服傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的不足。由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在500-1000mm左右，特殊的環(huán)境長度可達(dá)1500mm。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。

3.2抽氣式氧化鋯分析儀

（1）墻掛式氧化鋯分析儀，它將煙氣抽出到爐壁近處，并將氧化鋯傳感器安裝在爐壁上就近分析，他較抽出式具有響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。主要用于鋼鐵廠均熱爐及其他高溫?zé)煔夥治觯?00～1400℃）。

（2）抽出式氧化鋯氧分析儀。為了除去SO、SO和煙塵對測量的影響，將煙氣抽至工作點(diǎn)，經(jīng)過預(yù)處理（預(yù)處理的作用是保證分析儀在最短的滯后時(shí)間內(nèi)得到有代表性的工藝樣品，樣品的狀態(tài)（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需要的操作條件）系統(tǒng)除去SO、SO和煙塵后再進(jìn)行分析。重要適用于多硫多塵惡劣條件的煙氣，如制造硫酸的沸騰爐。國內(nèi)適用較少。

抽氣檢測的優(yōu)點(diǎn)是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量。由于采樣式檢測方式的靈活性，因此運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測上。采樣檢測的缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢;結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測精度;在被檢測氣體雜質(zhì)較多時(shí)，采樣管容易堵塞;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。

結(jié)論

氧化鋯氧分析儀現(xiàn)在是一種技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的測量氧含量的一種儀器，其具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時(shí)間短，運(yùn)行平穩(wěn)，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，我們公司各裝置加熱爐安裝使用了6種共30多臺(tái)氧化鋯，運(yùn)行平穩(wěn)，測量準(zhǔn)確，為工藝操作和熱效率換算提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，所以加熱爐使用氧化鋯測量氧含量是不錯(cuò)的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王森.儀表工試題集（在線分析儀表分冊）.第二版.化學(xué)工業(yè)出版社

[2] SERVOMEX 2700氧化鋯操作說明書

（作者單位：中國石油哈爾濱石化公司）