一、引言
氧化鋯分析儀,又稱氧化鋯氧量分析儀、氧化鋯氧量計或氧化鋯氧量表,是一種基于固體電解質(zhì)濃差電池原理的氧氣濃度測量儀器。它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。自1989年能斯特發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象以來,氧化鋯固體電解質(zhì)在高溫氧濃度測量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用與研究。在所有固體電解質(zhì)中,氧化鋯是研究和開發(fā)應(yīng)用較為普遍的一種,它已在高溫技術(shù),特別是高溫測試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。
與磁氧分析器、電化學(xué)式氧量計、氣象色譜儀等傳統(tǒng)測氧儀表相比,氧化鋯分析儀具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短(可達0.1至0.2秒)、測量范圍寬(從ppm到百分含量)、使用溫度高(600℃至1200℃)、運行可靠、安裝方便、維護量小等特點。本文將從工作原理、探頭結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用場景及選型維護等方面,對氧化鋯分析儀進行系統(tǒng)性的技術(shù)闡述。
二、工作原理
氧化鋯分析儀的核心工作原理基于固體電解質(zhì)濃差電池效應(yīng)。氧化鋯(ZrO?)是一種在高溫下具有氧離子導(dǎo)電特性的陶瓷材料。在氧化鋯中摻入一定量的氧化釔(Y?O?)或氧化鈣(CaO)并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后,其立方晶格中會形成氧離子空穴,使其在高溫條件下成為良好的氧離子導(dǎo)體。
在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)涂覆多孔鉑電極,就構(gòu)成了一個氧濃差電池。當(dāng)傳感器兩側(cè)的氧氣分壓不同時,高濃度側(cè)的氧分子在鉑電極上獲得電子,被還原為氧離子;氧離子通過氧化鋯晶格中的空穴遷移至低濃度側(cè),在低濃度側(cè)放出電子重新形成氧分子。從能斯特方程可以看出,在溫度恒定的條件下,輸出電勢E與參比氣體氧分壓和被測氣體氧分壓的對數(shù)比值呈線性關(guān)系。測出E值后,即可計算出被測氣體的氧含量。氧化鋯元件的工作溫度需要維持在600℃以上才能獲得良好的氧離子導(dǎo)電性能,通常設(shè)定在700℃至750℃。
在實際應(yīng)用中,氧化鋯管還受到溫差電勢、接觸電勢、參比電勢和極化電勢等多種因素的影響,存在所謂的“本底電勢”(或稱零位電勢)。本底電勢的大小在不同溫度下呈現(xiàn)不同的值,并且隨著氧化鋯管使用時間的延長而發(fā)生變化。如不對本底電勢進行校正處理,將直接影響整套測氧儀的準(zhǔn)確性和探頭壽命。部分氧化鋯分析儀采用了“雙參數(shù)校正法”對探頭本底電勢進行處理,以彌補鋯管的離散性缺陷,延長探頭的使用壽命。
由能斯特方程可知,在一定溫度下,一定的煙氣氧含量對應(yīng)一個電勢輸出。當(dāng)被測煙氣與參比氣濃度相同時,輸出電勢的理論值為0mV。但實際應(yīng)用中,鋯管并非理想狀態(tài),需要通過本底修正來消除誤差。
三、探頭結(jié)構(gòu)類型
按檢測方式的不同,氧化鋯氧探頭分為兩大類:采樣檢測式氧探頭和直插檢測式氧探頭。
采樣檢測式氧探頭是通過導(dǎo)引管將被測氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測室,再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃以上)。氧化鋯一般采用管狀結(jié)構(gòu),電極采用多孔鉑電極。其優(yōu)點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,這種靈活性被運用在許多工業(yè)在線檢測上。其缺點包括:反應(yīng)時間較慢;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,采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的硫、砷等成分的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱,壽命相對有限。在被檢測氣體溫度較低(0℃至650℃)或被測氣體較為清潔時,適宜選用采樣式檢測方式,如制氮機測氧、實驗室測氧等。
直插檢測式氧探頭是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體中,直接檢測氣體中的氧含量。這種檢測方式適用于被檢測氣體溫度在700℃至1150℃之間的場景(特殊結(jié)構(gòu)還可用于高達1400℃的高溫),利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度,無需另外使用加熱器。直插式檢測有較為明顯的優(yōu)勢:氧化鋯直接接觸氣體,檢測精度較高,響應(yīng)速度快,維護量較小。直插式氧探頭的技術(shù)難點在于陶瓷材料的高溫密封和電極問題。由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣體中,對氧探頭的長度有較高要求,有效長度通常在500mm至1000mm左右,特殊環(huán)境長度可達1500mm。因此,直插式氧探頭多采用氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu),其密封性能是此類探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。
氧化鋯探頭的關(guān)鍵部件是氧化鋯管。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)定氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。檢測器內(nèi)的氧化鋯管屬陶瓷易碎品,在運輸、安裝和使用過程中應(yīng)避免劇烈震動以免損壞。為了保持氧化鋯在額定的工作溫度,傳感器中設(shè)置了加熱器,溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定在設(shè)定的工作點。
四、技術(shù)參數(shù)
氧化鋯分析儀的技術(shù)參數(shù)涵蓋了測量性能、電氣特性、工作條件等多個方面。
測量范圍通常為0%至20.6%或0%至25%的氧氣體積濃度。部分型號可在0%至25%范圍內(nèi)自由設(shè)定量程,可設(shè)定至0%至5%。溫度顯示范圍為0℃至1300℃。
精度指標(biāo)方面,儀表精度通常優(yōu)于0.5%FS(滿量程百分比),探頭的基本誤差不超過±2%FS,重復(fù)性誤差在滿量程的±0.3%至±0.5%以內(nèi)。在氧化性氣氛中長期使用條件下,鋯管典型壽命約為兩年。采樣檢測式氧探頭受限于加熱器壽命和電極腐蝕等因素,壽命相對較短。
響應(yīng)時間是氧化鋯分析儀的一個重要性能指標(biāo)。直插式氧化鋯探頭具有響應(yīng)快的優(yōu)勢,響應(yīng)時間可達3秒以內(nèi)(90%響應(yīng))。采樣檢測式氧探頭由于需要經(jīng)過采樣管路,響應(yīng)時間會相對延長。
溫度參數(shù)是影響氧化鋯分析儀工作的重要條件。檢測器加熱爐升溫時間約為20分鐘,加熱溫度采用PID自整定控制,恒溫精度可控制在±1℃以內(nèi)。根據(jù)不同應(yīng)用煙氣溫度,氧化鋯探頭分為三種規(guī)格:低溫型適用于0℃至600℃煙氣環(huán)境,需配置加熱器維持鋯管工作溫度;中溫型適用于600℃至800℃;高溫型適用于800℃至1300℃,可無需加熱器而直接利用煙氣溫度。
輸出信號方面,氧化鋯分析儀提供0-10mA或4-20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出,以及RS232或RS485數(shù)字通訊接口,可與各類電動單元儀表、常規(guī)顯示記錄儀及DCS集散控制系統(tǒng)配合使用。
環(huán)境條件與電源方面,轉(zhuǎn)換器的工作環(huán)境溫度為0℃至50℃,相對濕度<90%;檢測器可在-10℃至80℃環(huán)境溫度下工作。電源為220VAC 50Hz,功耗約為150W。
五、應(yīng)用場景
氧化鋯分析儀的應(yīng)用范圍較廣,涵蓋了燃燒過程控制和氣體純度檢測等多個領(lǐng)域。
鍋爐燃燒監(jiān)測與控制是氧化鋯分析儀的主要應(yīng)用場景之一。對于燃煤、燃氣或燃油鍋爐而言,煙氣中的氧含量是反映空氣過剩系數(shù)和燃燒效率的重要指標(biāo)。通過在線監(jiān)測煙氣含氧量并調(diào)節(jié)送風(fēng)量,可實現(xiàn)低氧燃燒控制,達到節(jié)能和減少環(huán)境污染的目的。將氧化鋯分析儀應(yīng)用于燃燒監(jiān)視與控制,有助于充分燃燒,減少CO、SOx及NOx的排放。對于中、小型鍋爐,建議將氧化鋯探頭安裝在省煤器前、過熱器后的煙道位置,此處煙氣溫度適中,利于延長探頭使用壽命。
工業(yè)窯爐和加熱爐同樣需要使用氧化鋯分析儀。水泥窯、玻璃熔窯、陶瓷燒成窯、冶金加熱爐等設(shè)備的燃燒過程控制均以煙氣氧含量為依據(jù)。氧化鋯氧量分析儀可對窯爐加熱爐等燃燒設(shè)備在燃燒過程中所產(chǎn)生的煙氣含氧量進行快速在線顯示、檢測和分析。
制氧與氣體分離行業(yè)中,氧化鋯分析儀用于監(jiān)測制氧過程中的產(chǎn)品純度和副產(chǎn)品氣體中的殘留氧含量。在石化行業(yè),可應(yīng)用于裂解爐煙氣氧含量的檢測,以及其他工藝加熱爐的燃燒控制。
環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域,氧化鋯氧量分析儀是煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)的重要組成設(shè)備之一。在冶金、電子、石化、化纖、玻璃、建材、磁性材料等行業(yè)中,氧化鋯分析儀同樣廣泛應(yīng)用于工藝過程控制和產(chǎn)品檢測。
六、選型要點與使用注意事項
選擇氧化鋯分析儀時,建議從以下幾個方面進行綜合考量。
探頭類型的選型應(yīng)根據(jù)煙氣的實際溫度和成分確定。對于煙氣溫度在700℃至1150℃之間且煙氣成分相對清潔的高溫工況,直插式氧化鋯探頭是合適的方案,無需額外的加熱器,響應(yīng)速度快,維護量較小。對于煙氣溫度低于700℃的低溫?zé)煔鈭鼍?,?yīng)選用帶有加熱器的氧化鋯探頭或采樣檢測式氧探頭。在被檢測氣體雜質(zhì)較多時,采樣管容易堵塞,鉑電極容易受到硫、砷等成分的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效,需根據(jù)煙氣潔凈度綜合考慮探頭類型的選擇。
測量范圍的選擇應(yīng)根據(jù)實際工況中的煙氣含氧量范圍確定。對于常規(guī)燃燒監(jiān)測,0%至25%的量程范圍已可覆蓋大多數(shù)應(yīng)用場景。如需要對微量氧進行檢測(例如制氮工藝中的殘留氧測量),應(yīng)選用量程可調(diào)或具備微量氧測量能力的型號。
防護與密封要求對于在惡劣環(huán)境下使用的場合尤為重要。檢測器采用不銹鋼結(jié)構(gòu),氧化鋯拆卸調(diào)換方便,不必外加氣泵,參比氣可自行對流。對于高粉塵檢測環(huán)境,應(yīng)優(yōu)先選用配備多孔陶瓷過濾器和全封閉型結(jié)構(gòu)的型號,以增加密封性能,提高探頭使用壽命。
電氣接口與系統(tǒng)集成方面,具備4-20mA模擬輸出和RS485通訊接口的型號便于接入現(xiàn)有的DCS或PLC系統(tǒng)。具有本底電勢一鍵校正和標(biāo)準(zhǔn)氣在線校準(zhǔn)功能的型號能夠簡化調(diào)試流程,降低后期維護難度。
安裝位置選擇需注意:氧化鋯探頭必須安裝在煙氣流場均勻、溫度穩(wěn)定的區(qū)域,避免安裝在煙氣不流動的死角或流速過快的位置。對于中小型鍋爐,建議將探頭安裝點選擇在省煤器前、過熱器后,避免溫度過高或過低對探頭造成損傷。
定期校準(zhǔn)與維護是保證氧化鋯分析儀長期可靠運行的關(guān)鍵措施。鋯管在長期使用后,由于鉑電極燒結(jié)、鋯管微裂紋等原因,本底電勢會發(fā)生漂移,需要定期使用標(biāo)準(zhǔn)氣體進行在線校準(zhǔn)和響應(yīng)校驗。建議每6至12個月進行一次校準(zhǔn)。鋯管的典型壽命為兩年,在氧化性氣氛中長期使用條件下可維持較長時間,應(yīng)及時監(jiān)測探頭輸出信號的變化趨勢,在出現(xiàn)明顯性能下降時予以更換。在含硫或含還原性成分較高的氣氛中使用時,鋯管壽命會受到一定影響。氧化鋯管屬陶瓷部件,在現(xiàn)場操作中應(yīng)避免機械沖擊和劇烈震動。