氧化锆氧分析仪及其应用.pdf

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仪器仪表与应用
石油化
自动化,2008
AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY
氧化错氧分析仪及其应用
陈玉霞
(洛阳石油化工工程公同仪电室,河南洛阳471003
摘要:氧化锆氧含量分析仪具有结构简单和快响应的特点,介绍了氧化锆氧含量分析仪的工作原理及结构,列出了 Nemst
公式及其中常数的取值。笔者结合实际工作经验,较为详细地讲解了设计选型时应注意的事项和现场安装时需要考虑的问题
关键词:氧化锆;氧化锆探头;氧量分析仪
中图分类号:TH83
文献标识码:B
文章编号:1007-7324(2008)04-0058-02
引言
(470~500C),氧化锆固体电解质成为良好的氧
在工业生产过程中,很多地方需要测量氧含离子导体。此时,如果氧化错管内外两侧两个半电
量,特别是燃烧过程、氧化反应和生化处理等生产池中氧体积分数(或氧分压)不同,由于高氧側气体
过程,测量和控制混合气体中的氧含量具有十分重中氧分子的自由能大于低氧侧气体中氧分子的自
要的作用。例如,通过对烟道气中氧含量的测定来由能,高氧侧气体中氧分子就要向低氧侧气体中运
控制锅炉燃烧过程,可以提高锅炉燃烧的热效率动。在运动过程中,当氧通过高氧侧半电池的铂电
又如在污水处理场的生化过程中,控制“一定含氣量极时,从该铂电极上吸收电子,变成氧离子(还原反
的混合气体,使某种微生物大量繁殖,以促进生化应),该铂电极因此而带正电。生成的氧离子通过
过程。
固体电介质中的氧离子空穴迁移到低氧侧固体电
氧分析仪有很多种,譬如磁导式氧分析仪、介质的表面。在低氧侧半电池的铂电极上,氧离子
氧化锆氧分析仪和微量氧分析仪等,这里主要介绍给出电子变成氧原子(氧化反应),氧原子合成氧分
氧化锆氧分析仪。由于氧化错测量探头可以直接子进人低氧侧气体中去。低氧侧半电池的铂电极
插人烟道内、不需要取氧系统,故能迅速反映钢炉因得到电子而带负电。原理如图1所示
或窑炉内的燃烧状况,它与调节器等自控装置配合
多孔性铂膜电极
氧化锆管
使用后,可构成闭环氧量控制系统,实现低氧燃烧
控制,从而达到节约能源,减少环境污染等效果。
2工作原理及结构
O+
氧化锆氧量分析仪由氧化锆探头和氧量变送
阴极
器两部分组成2?。氧化错氧量分析仪的核心部件
阳极
是氧化锆固体电解质氧浓差电池。氧浓差电池由
参比半电池和测量半电池组成,两个半电池间用氧
多孔性铂膜电极9o
阴极
化钴锆固体电解质连接,实际上,就是1根氧化锆管。
涂于氧化锆管内外壁上的多孔性铂膜作为两个半
Zro,
电池的电极,供引出氧浓差电势用
氧化错固体电介质是在氧化锆中掺人一定量
阳极
2O-O2+4c
的化学纯CaO(含量15%,使氧化锆阻抗性能稳
定,热振性好,也可以掺入MgO或Y2O3等),经高
图1氧化锆氧浓差电池
温焙烧后形成的置换式固溶体。它是一种金属氧
化物陶瓷,其晶型为稳定的营石型立方晶系,温度
变化时,其晶型保持不变。氧化钙固溶在氧化锆
收稿日期:2008-03-19。
中,取代了部分氧化锆进入晶胞,由于氧化钙所含
作者简介:陈玉葭(1973-),女,河南新乡人,1997年毕业于
氧离子数仅为氧化错的50%,因此,在固溶体中形大连理工大学信息工程学院生产过程自动化专业,学士学位,現在
成大量的氧离子空穴。在数百摄氏度的高温下洛阳不石油化工工程公司仪电室从事自控设计工作,任工程师。
第4期
陈玉霞.氧化氧分析仪及其应用
当电解质的氧离子迁移率t1=1时,对于理想的反应速度、测量精度和探头使用寿命。一般安装
气体,上述反应所产生的电动势E可用能斯特公地点应考虑以下几个问题
式(1)表示:
a)因为测量元件是氧化锆陶瓷,质地脆弱,应
RT1 o
选择无振动、无明火燃烧的地点安装,并要防止有
F x
0.0496Tl>、。()害气体流经探头检测点,否则将造成很大的测量误
差(示值偏大)。因此,在探头插入烟道安装完毕
式中R一气体常数,1.987;
后,应用密封材料,把探头边缘缝隙堵死
Tー一绝对温度,273+t(实际工作温度)
F一-法拉第常数,96500
b)由于氧化错探头必须工作在(750100)℃
的地方,所以直插式探头应安装在(750土100)℃的
n一一参加反应的电子数,nm=4;
烟道处,如果所选定的测量点温度过低,测出的含
参比气体的氧体积分数,约等于21%
氧量会偏大;温度过高,一方面影响探头使用寿命
x一待测气体的氧体积分数;
另一方面会使氧量变送器的温度补偿精度降低。
Eー一氧浓差电势,V。
由式(1)可知,若T被控制在某一定值(一般
果因工艺或设备条件限制,不能采用直插式,可
为700~800℃),并选定一种已知氧体积分数的气
采用旁路插气恒温式,即烟气从烟道抽出,经旁路
知的参比气体时,则测得氧浓差电勢E,即可得知でび头安装在旁路管内,并自动恒温在750で
管,探
体(如空气)作为电介质阴极側的气体,即9。为已
c)当烟气中含有CO,H2,CH4等可燃气体
待测气体的氧体积分数gx
以及硫化物,且工と上无法消除或减少上述气体
3主要特点
时,可采用旁路式探头,将待测烟气抽出,经水洗处
探头有直接插入式、定温插入式及抽气式等,
并可带过滤器、加热器及测温热电偶,以满足不同理,减少上述气体,然后再经探头检测,但此测量
法会引起测量误差。
场合的需要。仪器结构简单,维护容易。响应速度
d)由于探头一般是直接插入烟道中,即使是
快,时间常数为1~30s。
使用比较于净的气体燃料,探头上过滤器的堵塞也
4选型注意事项
是不可避免的。因此,应在探头过滤器表面安装防
a)对于常量氧分析,可选用氧化错氧量分析
尘罩
仪。若用于爆炸危险场所,应选用隔爆型氧分
e)氧化锆探头最好能在停炉时安装,如果做
析器。
不到这一点,则安装探头时,就应该格外小心。因
b)对于含氧量为~-5%或0~10%的工业钢为探头的过滤器是碳化硅材料,其热性能差,遇到
炉烟道气或其他燃烧系统烟道气,当响应时间要求
温度突然变化时,就容易爆裂、破碎。所以探头安
短时,宜选用氧化错氧量分析仪。
装时,应该缓慢地、逐步地插入测量烟道。
c)因为CO,H2,CH4等可燃气体及还原气
f)探头最好是垂直安装,同时应安装在可以用
体在高温下会消耗掉一部分氧,而使氧含量测量值法兰固定的炉墙或姻道墙上。探头安装孔,必须垂
偏低,故被测量气体中不宜含有以上气体
直墙的外表面,安装孔的尺寸要留有足够的余量。
d)选用的探头要适合工艺条件。因为氧化错
g)氧量变送器安装地点,应满足温度和湿度
元件要在600℃状态下オ能工作,所以600℃以下的规定要求,同时由于变送器内部结构为插件式电
的场合,采用定温插入式探头及带温度控制的变送
路板,所以应避免振动和污染,以防插件接触不良。
器:600~900℃的场