氧化鋯分析儀探頭

安徽吉帆儀表有限公司專注于氧化鋯分析儀、變送器、壓力表、流量計、水位計、雙金屬溫度計、熱電阻熱電偶、爐膛工業(yè)電視系統(tǒng)、汽包水位監(jiān)視系統(tǒng)生產(chǎn)加工；實驗室成套的設計、研發(fā)；傳感設備、測量系統(tǒng)、氣體檢測及分析設備、輸配電控制設備及系統(tǒng)銷售；電氣成套設備、環(huán)保設備及材料、建筑材料、電纜光纜、實驗設備、安防產(chǎn)品、會議音響工程、多媒體展廳工程的設計、施工。公司本著以質(zhì)量求生存，以質(zhì)量求發(fā)展，向質(zhì)量要效益的原則服務于廣大用戶朋友。

前言

隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識的逐漸提高，眾多大中型企業(yè)如鋼鐵冶金、石油化工、火力發(fā)電廠等，已將提高燃燒效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保護環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強產(chǎn)品競爭能力的重要途徑。鋼鐵行業(yè)的軋鋼加熱爐、電力行業(yè)的鍋爐等燃燒裝置和熱工設備，是各行業(yè)的能源消耗大戶。因此，如何測量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定至佳燃燒點，是十分令人關心的。

      供給加熱爐、鍋爐等加熱設備的燃料燃燒熱并不是全部被利用了。以軋鋼加熱爐或鍋爐為例，有效熱是為了使物料加熱或熔化(以及工藝過程的進行)所必須傳入的熱量，爐子煙氣帶走的物理熱是熱損失中主要部分。當鼓風量過大時(即空燃比α偏大)，雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過?？諝饬科螅憩F(xiàn)為煙氣中O2含量高，過?？諝鈳ё叩臒釗p失Q1值增大，導致熱效率η偏低。與此同時，過量的氧氣會與燃料中的S、煙氣中的N2反應生成SO2、NOX等有害物質(zhì)。而對于軋鋼加熱爐，煙氣中氧含量過高還會導致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。

      當鼓風量偏低時(即空燃比α減小)，表現(xiàn)為煙氣中O2含量低，CO含量高，雖說排煙熱損失小，但燃料沒有完全燃燒，熱損失Q2增大，熱效率η也將降低。另外，煙囪也會冒黑煙而污染環(huán)境。

      所謂提高燃燒效率，就是要適量的燃料與適量的空氣組成至佳比例進行燃燒。熱效率與煙氣中的CO、O2、CO2含量以及排煙溫度、供熱負荷、霧化條件等因素有關。因此，可通過測量并控制煙道氣體中CO、O2、CO2的含量來調(diào)節(jié)空氣消耗系數(shù)λ，來達到至高燃燒效率。

      燃燒效率控制由來已久，上世紀60年代，曾廣泛采用CO2分析儀監(jiān)測煙道氣體中CO2含量來控制空氣消耗系數(shù)λ以達到至佳，但CO2含量受燃料品種影響較大。70年代后，逐漸采用煙氣中O2含量或O2含量和CO含量相結合的方法來控制燃燒效率。

      提高燃燒效率最直接的方法就是使用煙氣分析儀器(如煙氣分析儀、燃燒效率測定儀、氧化鋯氧含量檢測儀)連續(xù)監(jiān)測煙道氣體成分，分析煙氣中O2含量和CO含量，調(diào)節(jié)助燃空氣和燃料的流量，確定至佳的空氣消耗系數(shù)。

一，概述

      氧化鋯煙氣氧量分析儀是近幾十年發(fā)展起來的新型測氧器，因其具有結構簡單、維護方便、反應速度快、測量范圍廣等特點，而廣泛應用于電力、冶金、供暖、建材、電子等部門，分析各種工業(yè)鍋爐及窯爐中煙氣的氧含量，提高燃燒效率，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。

      氧化鋯氧量分析儀由轉換器和檢測器（俗稱氧探頭）組成，在檢測器的核心元件氧化鋯濃差電池上，采用了納米材料和先進的生產(chǎn)工藝，在電極涂層上添加抑制電極老化的添加劑。大大提高了氧化鋯測量探頭的精度和使用壽命。檢測器采用直插式探頭結構，不需取樣系統(tǒng)，能及時反映鍋爐內(nèi)燃燒狀況，如與自控裝置配合使用，可有效地控制燃燒狀況。轉換器采用單片機智能化設計，漢字液晶顯示，使數(shù)據(jù)顯示、功能控制更具有人性化；可與各類型DCS數(shù)據(jù)接入設備連接。使儀表的操作變的簡單，容易掌握。

      氧量分析儀廣泛應用于多種行業(yè)的燃燒監(jiān)視與控制過程，并且?guī)椭餍袠I(yè)領域取得了相當可觀的節(jié)能效果。應用領域包括能耗行業(yè)，如鋼鐵業(yè)、電子電力業(yè)、石油化工業(yè)、制陶業(yè)、造紙業(yè)、食品業(yè)、紡織品業(yè)，還包括各種燃燒設備，如焚燒爐、中小型鍋爐等。

二，工作原理

      氧傳感器的關鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度，在傳感器中設置了加熱器。用氧分析儀內(nèi)的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯分析儀的構成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉換器、分析儀)以及它們之間的連接電纜等組成。

三，主要原理

      氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢來測定氧含量的傳感器，其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內(nèi)，位于整個探頭的頂端。

      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)高溫燒結后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導體。因其這一特性，在一定高溫下，當鋯管兩邊的氧含量不同時，它便是一個典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。在實際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個電子形成2個氧離子，發(fā)生如下電極反應:

O(P0)+4e-→2O-2

      氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內(nèi)電極上發(fā)生相反的電極反應:

2O-2 →O(P0)+4e-

      由于氧濃差導致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢又導致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當這兩種遷移達到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個與氧濃差有關的電勢信號E,該電勢信號符合"能斯特"方程:

E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

式中R、F分別是氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，T是鋯管絕對溫度(K), P0是空氣氧含量(20.6%O2), P 是煙氣含量。由(1) 式可見，在一定的高溫條件下(一般)600℃)，一定的煙氣氧含量便會有一對應的電勢輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢值在高溫區(qū)域內(nèi)對應氧含量。 在理想狀態(tài)下，當被測煙氣與參比氣濃度一樣時， 其輸出電勢E值為 0 mV, 但在實際應用中，鋯管實際條件和現(xiàn)場情況均不是理想狀態(tài)。 故事實上的鋯管是偏離此值的。實際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢為理論值和本底電勢的和，我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢值為本底電勢或稱為零位電勢， 此值的大小又在不同溫度下呈不同的值， 并且隨鋯管使用期延長而變化。 因此， 如不對此情況處理，會嚴重影響整套測氧儀的準確和探頭壽命。

四，氧化鋯分析儀探頭的構造

      氧化鋯(ZrO2)是一種陶瓷，一種具有離子導電性質(zhì)的固體。在常溫下為單斜晶體，當溫度升高到1150℃時，晶型轉變?yōu)榱⒎骄w，同時約有7%的體積收縮;當溫度降低時，又變?yōu)閱涡本w。若反復加熱與冷卻，ZrO2就會破裂。因此，純凈的ZrO2不能用作測量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化鈣(CaO)或氧化釔(Y2O3)作穩(wěn)定劑，再經(jīng)過高溫焙燒，則變?yōu)榉€(wěn)定的氧化鋯材料，這時，四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換，同時產(chǎn)生氧離子空穴，所以ZrO2屬于陰離子固體電解質(zhì)。ZrO2主要通過空穴的運動而導電，當溫度達到600℃以上時，ZrO2就變?yōu)榱己玫难蹼x子導體。 在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結一個鉑電極，當氧化鋯兩側的氧分壓不同時，氧分壓高的一側的氧以離子形式向氧分壓低的一側遷移，結果使氧分壓高的一側鉑電極失去電子顯正電，而氧分壓低的一側鉑電極得到電子顯負電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢。此電勢在溫度一定時只與兩側氣體中氧氣含量的差(氧濃差)有關。若一側氧氣含量已知(如空氣中氧氣含量為常數(shù))，則另一側氧氣含量(如煙氣中氧氣含量)就可用氧濃差電勢表示，測出氧濃差電勢，便可知道煙氣中氧氣含量。

      氧化鋯氧分析儀具有結構和采樣預處理系統(tǒng)較簡單、靈敏度和分辨率高、測量范圍寬、響應速度較快等優(yōu)點。

     檢測器由防塵裝置、氧化鋯管、加熱爐、熱電偶、氣體導管、接線盒以及殼體等主要部件組成。整個裝置采用全封閉型結構，以增加整個裝置的密封性能，提高使用壽命。對高粉塵的檢測環(huán)境，為達到更好的過濾效果，加裝了多孔陶瓷過濾器。

    檢測器內(nèi)的氧化鋯管是核心元件 ，屬陶瓷易碎品，運輸和安裝使用過程中應避免劇烈震動，以免損壞。檢測器內(nèi)加熱爐的作用是提供氧化鋯元件正常工作所需的溫度，為延長加熱爐的壽命，在工藝上作了特殊的處理。因檢測器本身帶有加熱裝置，從而在低于700℃的環(huán)境中能正常工作。

五，氧化鋯分析儀探頭的安裝條件

  5.1氧量檢測器的現(xiàn)場安裝條件

      避開震動場合；

      環(huán)境溫度要在儀器規(guī)定范圍內(nèi)；

      接線盒要避開高輻射熱源；

      盡可能避開腐蝕性氣體；

      要有足夠的工作空間；

5.2  取樣點的位置選擇

      取出的氣樣能快速反映工藝狀態(tài)的變化情況，即氣體要具有代表性。

      為避免SO2 的冷凝，取樣點氣體溫度應高于300℃，其范圍為300—600℃  至佳。

      取樣點的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應變化太大。

      取樣探頭的長度應達到煙道直徑的1/3。

      切忌在管道、煙道底部開口取樣。

      取樣點的附近爐堂、煙道應無泄漏，否則將造成測量誤差。

      要選擇在易于維護、檢修的地方。

5.3 氧量檢測器的安裝

      預先加工好帶法蘭的設備短接管，孔徑為Φ76，長度約為400mm。按要求選好取樣位置(爐壁或管道)，開一個Φ76 的孔，將短接水平焊接到爐壁上，焊接時要保證焊接處不漏氣。把檢測器插入短接管中，接管法蘭與檢測器法蘭之間墊上2—4mm 厚的石棉墊，旋緊4 個螺栓，使其不漏氣即可。

※注意: 新建爐膛或煙道要等幾次烘爐干燥后再安裝氧探頭，否則，過于潮濕的煙氣可能降低新探頭使用壽命。

   由于探頭的參比氣是靠空氣自然對流提供的,探頭必須水平安裝, 參比氣和標準氣接口相應朝下.探頭端部防護套管的缺口位置(可調(diào)整方向)也應垂直向下,以防積灰.

六，主要特點

   1、傳感器氧化鋯鋯頭采用高溫陶瓷焊接技術，避免了熱應力破壞。

   2、氧化鋯探頭采用全321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)護套，具有至佳的耐磨及耐蝕性，探頭可以根據(jù)現(xiàn)場使用情況進行訂做。

   3、直插式:無需取樣系統(tǒng)，響應快，有效的降低煙氣中灰份堵塞，并且能承受更高的溫度。

   4、熱擴散參比:無需專門的參比空氣泵，使用維護簡單。

   5、雙參數(shù)設計:克服國產(chǎn)氧化鋯性能離散性，測量準確，延長使用壽命。

   6、工況在線校準:準確可靠，單標氣在線校準方便，工況點可直接標定，測量精準。

   7、熱惰性保護:安裝方便，可熱安裝，對停啟爐適應性強。

   8、元件可拆:元件更換方便，便于維修，降低使用成本(防爆的氧化鋯分析儀檢測器部分為一體化設計，不可隨意拆卸)。

   9、多功能顯示:氧含量(%); 氧電勢;溫度，本底電勢參數(shù)數(shù)顯直觀方便

   10、雙量程:同時具有0-10% 和0-20.6%雙量程，測量范圍廣，量程可在出廠時進行調(diào)整。

   11、雙輸出:同時具有開關量節(jié)點輸出和4-20mA兩檔輸出。

   12、負載大:750歐/4-20mA,便于遠程安裝。

   13、本底電勢可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍寬，可隨時檢查元件老化等參數(shù)。

   14、全浮式設計:共模輸入，抗電場干擾性強，無需專用地線，安裝方便。

   15、產(chǎn)品系列化適應性強:可適用于燃氣、燃油、燃煤各種爐型。測量溫度從室溫至1300度均可選擇到合適的型號。