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1、 氧化锆分析仪原理及常见故障处理方法 陈志强 摘要 重点阐述氧化锆氧分析仪表的工作原理 介绍了几种常用氧化锆分析仪的结构 简要分析了氧化锆分析仪常见故障产生的原因 并针对这些故障现象提出了相应的处理方法 关键词氧化锆氧含量常见故障处理方法 前言 氧化锆分析仪是控制炉窑经济燃烧不可缺少的重要在线仪表 通过它对锅炉中氧含量的检测 可有效地控制锅炉燃烧的热效率 实现节能降耗 减少环境污染和延长炉龄的作用 本文通过对氧化锆分析仪工作原理的介绍 阐明了氧化锆分析仪使用过程中常见故障的原因及相应的处理方法 1 氧化锆检测原理综述 1 1检测原理按照窑炉烟气温度的不同 氧化锆氧分析仪可分为 中低温型和高温型
2、两种 它们分别适用在烟气温度为0 650 和700 900 的烟气环境中 虽然这两种氧化锆氧分析仪的工作温度不同 但它们的工作原理是一样的 它们都采用电化学中的电位分析法来进行检测 同样遵循能斯特方程 Nernst 即 式中 E 氧浓差电势R 摩尔气体常数 8 315F 法拉第常数 96500T 热力学温度 KPO 空气氧含量P 待测氧含量n 参加反应物质的电子数 对氧而言为4 也就是说 氧化锆氧分析仪是依据氧浓差电势的大小来测量氧含量的 其电势是由氧电池提供的 该电池可以表示为 PO Pt ZrO2 Y2O3 Pt P 在上式中 ZrO2 Y2O3表示一根氧化锆管或一片氧化锆片 氧化锆管是一
3、端开口一端封闭的管子 在管子的内外壁各涂有一条铂电极 测量电极和参比电极 其结构如图1 图1氧化锆测氧电池结构原理图 这里 我们注意到氧化锆管的材质并非纯的氧化锆 ZrO2 而是氧化锆和氧化钇 Y2O3 的混合物 这是因为纯氧化锆晶体属单斜晶体在高温下要发生相变 它是不稳定并且也不导电的 只有在氧化锆中掺入10 的氧化钇 Y2O3 原纯氧化锆中的四价锆离子被三价钇离子取代形成了具有氧离子空穴的立方体晶格形式的晶体结构 从而使新的氧化锆在高温下稳定并且不发生相变 这种新的氧化锆叫稳定氧化锆 俗称氧化锆 这样 在氧化锆的参比电极边 图一中管内PO侧 流过参比空气 在测量电极边 图一中管外P侧 流过
4、待测气体 例如烟气 当测氧电池处于高温时 650 电池导通 便形成了一个氧浓差电池 此时 如果参比侧 空气 的氧分压PO大于待测气体氧分压P 则PO侧的氧分子渗入多孔铂电极 在铂电极的催化作用下夺取电子变成氧离子 在氧化锆中一个氧离子进入离子空穴并通过离子空穴迅速迁移到测量边 放出电子变成氧分子 从另一侧铂电极中放出来 其过程如图2所示 图2氧化锆氧浓差电池工作原理图 在此过程中 PO侧的氧分子在铂电极上将发生如下反应 O2 4e2O2 即氧分子从电极上夺取4个电子形成2个氧离子 进入氧化锆管的氧离子空穴 结果使参比电极带正电 氧离子通过空穴迅速迁移到测量变P侧 将4个电子交于测量电极 变成一
5、个氧分子 使测量电极带负电 其反应为 2O2 O2 4e显然 上述电极反应在两电极间产生了一个电势 在该电势作用下 又将促使部分O2 作反向运动 当氧浓差引起的氧离子正向迁移量等于电势引起的反向迁移量时 该电池达到平衡状态 于是 在两电极间便形成了一个与氧浓差有关的电势即氧浓差电势 该电势的大小可由能斯特方程求出 由此 在已知R F n和PO以及固定T的情况下 只要检测出氧浓差电势就可以利用能斯特方程计算出待测烟气中的氧含量了 在实际工作中为了计算的方便 将计算式中的自然对数换算成常用对数 则能斯特方程变形为 1 如果将温度选定在750 绝对温度T为1023K 则 1 式简化为 2 根据 2
6、式就可以计算得到750 绝对温度T为1023K 时 氧化锆氧浓差电势与待测氧含量的对照表 同理 利用 1 式也可以求出不同工作温度下的氧化锆氧浓差电势与待测氧含量的对照表 其表如下 由上表我们便可以非常方便地根据氧浓差电势求得待测气体中的氧含量了 由此得到这样的结论 即在氧化锆工作温度下随着待测气体中的氧含量的增加氧浓差电势也随之呈常用对数关系逐渐增加 当待测气体中的氧含量低于空气中的氧含量 20 6 时 氧浓差电势为负值 当待测气体中的氧含量等于空气中的氧含量 20 6 时 氧浓差电势为为零 当待测气体中的氧含量高于空气中的氧含量 20 6 时 氧浓差电势为正值 其关系曲线见 图3 由 图3
7、 可以看出在氧化锆工作温度下 当待测气体中的氧含量低于空气中的氧含量 20 6 时 随着待测气体中的氧含量的逐渐增大 温度的变化对氧浓差电势大小的影响逐渐减小 同样 在此情况下随着待测气体中的氧量的逐渐降低 温度的变化对氧浓差电势大小的影响逐渐增大 因此氧化锆工作温度的严格控制是氧化锆氧分析仪准确测量的重要条件之一 1 2氧化锆氧分析仪转换器工作原理 氧化锆氧分析仪转换器是将氧化锆检测器检测到的氧浓差电势转换成与待测气体中的氧含量呈线性关系的4 20mA标准信号输出至显示仪表或控制仪表 同时 对氧化锆的工作温度进行检测和严格的恒温控制 氧化锆氧分析仪转换器一般由 恒温控制部分 氧浓差电势转换部
8、分和电源部分组成 其作用如下 1 2 1恒温控制部分 连续检测氧化锆锆头温度 对氧化锆的工作温度进行严格的恒温控制 使之恒定在 2 氧化锆锆头工作温度一般选定在750 范围内 同时设置保护电路 对氧化锆锆头进行超温保护 1 2 2氧浓差电势转换部分 将氧化锆锆头检测到的氧浓差电势转换成与待测气体中的氧含量呈线性关系的4 20mA标准信号输出至显示仪表或控制仪表 同时在转换器上显示待测气体中的氧含量 1 2 3电源部分 超温保护温控输出过零触发放大器加法器电流输出氧探头放大器A D转换数码显示查表D A转换显示冷端补偿比较器比较器加热器为氧化锆氧分析仪转换器各部分提供电源 图4氧化锆氧分析仪转换
9、器基本工作原理简图 氧化锆氧分析仪转换器一般采用模拟电路和数字电路以及单片机等集成电路组成 电路相对简化 并且尽量压缩阻容元件的使用 从而使调整点减少 基本实现了免维护的功能 它与不同结构的氧化锆检测器结合可以组成适用于不同条件下的各种类型的氧化锆氧分析仪 1 3氧化锆氧分析仪检测器的结构 按照氧化锆氧分析仪使用环境的不同 氧化锆氧分析仪检测器可以分成如下几种结构 1 3 1中低温直插型氧化锆氧分析仪中低温直插型氧化锆氧分析仪其检测器直接插入炉窑中 适用于烟气温度为0 650 的环境下 其检测器自带加热器 是目前使用量最大的一种 其结构如下图 1 氧化锆元件 2 加热器 3 标气入口 4 热电
10、偶 5 过滤器 6 接线板 7 安装法兰 8 外壳 9 密封圈图5直插形氧化锆检测器结构原理图 1 3 2高温直插型氧化锆氧分析仪 高温直插型氧化锆氧分析仪其检测器直接插入炉窑中 其检测器本身不带加热器 靠高温烟气加热检测探头 适用于烟气温度为700 900 的环境下 其结构同中低温直插型氧化锆氧分析仪检测器大致相同 只是没有加热器而已 2 3 3导流式直插型氧化锆氧分析仪导流式直插型氧化锆氧分析仪是利用一根长导流管将烟气导流到炉壁处 利用一只短探头进行测量的方式 它主要适用于低粉尘燃油或燃气型锅炉的烟气分析 其探头维护方便更换简单 基本结构如下图 1 导流管 导流隔板 炉壁安装法兰 4 探头
11、安装法兰5标气入口 6 检测探头 7 电缆接口图6导流式直插型氧化锆氧分析仪结构原理图 1 3 4抽吸式垂直插入型氧化锆氧分析仪 抽吸式垂直插入型氧化锆氧分析仪是一种利用一根耐高温抽吸管和空气射流抽提器将烟气抽吸到炉壁外 然后再进行测量的结构方式 它主要适用于低粉尘燃油或燃气型高温锅炉的烟气分析 其基本结构如下图 图7抽吸式垂直插入型氧化锆氧分析仪结构原理图 1 空气射流器 2 抽提器法兰 3 检测探头 4 标气入口5 电缆接口 6安装法兰 7 耐高温导气管 8压力表 9 针型阀 通过对氧化锆实际检测用能斯特方程的推导 明确了氧浓差电势与氧含量之间的关系并列出了测量过程中影响氧浓差电势的相关因
12、素 简化了测量出现偏差时的验证工作 同时 运用推导出的简化方程分别计算并做出了不同工作温度下氧浓差电势与待测氧含量的对照表和相应的变化曲线图 阐明了氧化锆检测过程中工作温度恒定的重要性 依据氧化锆检测原理说明了氧化锆转换器的结构组成 介绍了几种常用氧化锆检测器的结构特点和相应的使用环境 为各种类型氧化锆使用过程中遇到的共性问题的分析提供了理论依据 2 氧化锆氧分析仪常见故障及处理方法 氧化锆氧分析仪常见故障主要有以下几种 1 检测器恒温故障 造成氧化锆工作池温异常 2 检测器锆头故障 导致测量不准 3 外部原因造成的故障 当氧化锆氧分析仪出现第一种故障时 首先通过温度显示和超温保护指示来确认是
13、否故障 如果温度显示为常温或炉温 则是加热器出现断路 如果出现温度超温保护 则是检测器温控功率输出元件击穿造成温度失控所致 具体检查方法和步骤如下图 对于第二种故障 也就是检测器锆头出现故障引起的测量不准现象 则要观察氧含量测量值的偏差方向来判断故障产生的原因 进而加以解决 具体方法可以参考下表 表2氧化锆示值偏差故障速查表 而因外部原因造成的测量不准现象 则要依据氧化锆氧分析仪的工作原理和结构以及故障现象还有安装地点 方式等因素 来确定故障产生的原因 以下列出了几种常见的故障现象以及产生的原因 1 氧含量测量值指示偏低 其原因是炉内燃烧不完全 可能存在可燃及还原性气体如 CO H2 CH4等
14、 这些气体在高温下会消耗一部分氧 从而使氧含量测量值指示偏低 2 烟气中存在SO2 SO3等腐蚀性气体 使锆头产生腐蚀现象 从而使氧含量测量值指示不稳定 3 由于氧化锆为陶瓷材质 质地脆弱 在振动或冷热骤变的情况下 易造成锆管破裂 氧含量测量值会指示偏高 4 对于抽吸式氧化锆氧分析仪 如果空气射流抽提器出口堵塞 也会造成氧含量测量值会指示偏高的现象 5 对于有校验气路的氧化锆氧分析仪 在量程气路阀内漏的情况下 也同样会造成氧含量测量值会指示偏高的现象 通过对氧化锆氧分析仪检测原理以及其转换器和检测器结构的介绍 分析了影响氧化锆检测的诸多因素 引申出氧化锆氧分析仪使用过程中共有的常见故障现象和处理方法 希望在工作中能为氧化锆氧分析仪的正常使用并发挥其应有的作用起到一定帮助
