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(jì)、水位計(jì)、雙金屬溫度計(jì)、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(shí)驗(yàn)室成套的設(shè)計(jì)、研發(fā)；傳感設(shè)備、測(cè)量系統(tǒng)、氣體檢測(cè)及分析設(shè)備、輸配電控制設(shè)備及系統(tǒng)銷售；電氣成套設(shè)備、環(huán)保設(shè)備及材料、建筑材料、電纜光纜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、安防產(chǎn)品、會(huì)議音響工程、多媒體展廳工程的設(shè)計(jì)、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(wù)于廣大用戶朋友。

前言

隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識(shí)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(hù)環(huán)境等作為提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(shè)備，是各行業(yè)的能源消耗大戶。因此，如何測(cè)量和提高燃燒裝置的燃燒效率、確定至佳燃燒點(diǎn)，是十分令人關(guān)心的。

      供給加熱爐、鍋爐等加熱設(shè)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(jìn)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(dāng)鼓風(fēng)量過大時(shí)(即空燃比α偏大)，雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過剩空氣量偏大，表現(xiàn)為煙氣中O2含量高，過?？諝鈳ё叩臒釗p失Q1值增大，導(dǎo)致熱效率η偏低。與此同時(shí)，過量的氧氣會(huì)與燃料中的S、煙氣中的N2反應(yīng)生成SO2、NOX等有害物質(zhì)。而對(duì)于軋鋼加熱爐，煙氣中氧含量過高還會(huì)導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。

      當(dāng)鼓風(fēng)量偏低時(shí)(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(huì)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(jìn)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(fù)荷、霧化條件等因素有關(guān)。因此，可通過測(cè)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(dá)到至高燃燒效率。

      燃燒效率控制由來已久，上世紀(jì)60年代，曾廣泛采用CO2分析儀監(jiān)測(cè)煙道氣體中CO2含量來控制空氣消耗系數(shù)λ以達(dá)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(jié)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(cè)定儀、氧化鋯氧含量檢測(cè)儀)連續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)氧器，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、反應(yīng)速度快、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，而廣泛應(yīng)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(zhuǎn)換器和檢測(cè)器（俗稱氧探頭）組成，在檢測(cè)器的核心元件氧化鋯濃差電池上，采用了納米材料和先進(jìn)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(cè)量探頭的精度和使用壽命。檢測(cè)器采用直插式探頭結(jié)構(gòu)，不需取樣系統(tǒng)，能及時(shí)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(zhuǎn)換器采用單片機(jī)智能化設(shè)計(jì)，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(shè)備連接。使儀表的操作變的簡(jiǎn)單，容易掌握。

      氧量分析儀廣泛應(yīng)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(lǐng)域取得了相當(dāng)可觀的節(jié)能效果。應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備，如焚燒爐、中小型鍋爐等。

二，工作原理

      氧傳感器的關(guān)鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內(nèi)外兩側(cè)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(shè)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(gòu)成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測(cè)器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉(zhuǎn)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(shì)來測(cè)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(gè)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?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)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(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)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(shí)際的氧探頭中，空氣流經(jīng)外電極，煙氣流經(jīng)內(nèi)電極，當(dāng)煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時(shí)，空氣中的氧分子從外電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，發(fā)生如下電極反應(yīng):

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(yīng):

2O-2 →O(P0)+4e-

      由于氧濃差導(dǎo)致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產(chǎn)生的電勢(shì)又導(dǎo)致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊，當(dāng)這兩種遷移達(dá)到平衡后，便在兩電極間產(chǎn)生一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢(shì)信號(hào)E,該電勢(shì)信號(hào)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(duì)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(huì)有一對(duì)應(yīng)的電勢(shì)輸出，在理想狀態(tài)下，其電勢(shì)值在高溫區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)氧含量。 在理想狀態(tài)下，當(dāng)被測(cè)煙氣與參比氣濃度一樣時(shí)， 其輸出電勢(shì)E值為 0 mV, 但在實(shí)際應(yīng)用中，鋯管實(shí)際條件和現(xiàn)場(chǎng)情況均不是理想狀態(tài)。 故事實(shí)上的鋯管是偏離此值的。實(shí)際上，一定氧含量鋯管輸出的電勢(shì)為理論值和本底電勢(shì)的和，我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢(shì)值為本底電勢(shì)或稱為零位電勢(shì)， 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(zhǎng)而變化。 因此， 如不對(duì)此情況處理，會(huì)嚴(yán)重影響整套測(cè)氧儀的準(zhǔn)確和探頭壽命。

四，氧化鋯分析儀探頭的構(gòu)造

      氧化鋯(ZrO2)是一種陶瓷，一種具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體。在常溫下為單斜晶體，當(dāng)溫度升高到1150℃時(shí)，晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w，同時(shí)約有7%的體積收縮;當(dāng)溫度降低時(shí)，又變?yōu)閱涡本w。若反復(fù)加熱與冷卻，ZrO2就會(huì)破裂。因此，純凈的ZrO2不能用作測(cè)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(shí)，四價(jià)的鋯被二價(jià)的鈣或三價(jià)的釔置換，同時(shí)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(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電，當(dāng)溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，ZrO2就變?yōu)榱己玫难蹼x子導(dǎo)體。 在氧化鋯電解質(zhì)的兩面各燒結(jié)一個(gè)鉑電極，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時(shí)，氧分壓高的一側(cè)的氧以離子形式向氧分壓低的一側(cè)遷移，結(jié)果使氧分壓高的一側(cè)鉑電極失去電子顯正電，而氧分壓低的一側(cè)鉑電極得到電子顯負(fù)電，因而在兩鉑電極之間產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)。此電勢(shì)在溫度一定時(shí)只與兩側(cè)氣體中氧氣含量的差(氧濃差)有關(guān)。若一側(cè)氧氣含量已知(如空氣中氧氣含量為常數(shù))，則另一側(cè)氧氣含量(如煙氣中氧氣含量)就可用氧濃差電勢(shì)表示，測(cè)出氧濃差電勢(shì)，便可知道煙氣中氧氣含量。

      氧化鋯氧分析儀具有結(jié)構(gòu)和采樣預(yù)處理系統(tǒng)較簡(jiǎn)單、靈敏度和分辨率高、測(cè)量范圍寬、響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。

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

    檢測(cè)器內(nèi)的氧化鋯管是核心元件 ，屬陶瓷易碎品，運(yùn)輸和安裝使用過程中應(yīng)避免劇烈震動(dòng)，以免損壞。檢測(cè)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(zhǎng)加熱爐的壽命，在工藝上作了特殊的處理。因檢測(cè)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(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)安裝條件

      避開震動(dòng)場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)氣體溫度應(yīng)高于300℃，其范圍為300—600℃  至佳。

      取樣點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應(yīng)變化太大。

      取樣探頭的長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到煙道直徑的1/3。

      切忌在管道、煙道底部開口取樣。

      取樣點(diǎn)的附近爐堂、煙道應(yīng)無泄漏，否則將造成測(cè)量誤差。

      要選擇在易于維護(hù)、檢修的地方。

5.3 氧量檢測(cè)器的安裝

      預(yù)先加工好帶法蘭的設(shè)備短接管，孔徑為Φ76，長(zhǎng)度約為400mm。按要求選好取樣位置(爐壁或管道)，開一個(gè)Φ76 的孔，將短接水平焊接到爐壁上，焊接時(shí)要保證焊接處不漏氣。把檢測(cè)器插入短接管中，接管法蘭與檢測(cè)器法蘭之間墊上2—4mm 厚的石棉墊，旋緊4 個(gè)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(duì)流提供的,探頭必須水平安裝, 參比氣和標(biāo)準(zhǔn)氣接口相應(yīng)朝下.探頭端部防護(hù)套管的缺口位置(可調(diào)整方向)也應(yīng)垂直向下,以防積灰.

六，主要特點(diǎn)

   1、傳感器氧化鋯鋯頭采用高溫陶瓷焊接技術(shù)，避免了熱應(yīng)力破壞。

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

   3、直插式:無需取樣系統(tǒng)，響應(yīng)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(kuò)散參比:無需專門的參比空氣泵，使用維護(hù)簡(jiǎn)單。

   5、雙參數(shù)設(shè)計(jì):克服國產(chǎn)氧化鋯性能離散性，測(cè)量準(zhǔn)確，延長(zhǎng)使用壽命。

   6、工況在線校準(zhǔn):準(zhǔn)確可靠，單標(biāo)氣在線校準(zhǔn)方便，工況點(diǎn)可直接標(biāo)定，測(cè)量精準(zhǔn)。

   7、熱惰性保護(hù):安裝方便，可熱安裝，對(duì)停啟爐適應(yīng)性強(qiáng)。

   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(cè)器部分為一體化設(shè)計(jì)，不可隨意拆卸)。

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

   10、雙量程:同時(shí)具有0-10% 和0-20.6%雙量程，測(cè)量范圍廣，量程可在出廠時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

   11、雙輸出:同時(shí)具有開關(guān)量節(jié)點(diǎn)輸出和4-20mA兩檔輸出。

   12、負(fù)載大:750歐/4-20mA,便于遠(yuǎn)程安裝。

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

   14、全浮式設(shè)計(jì):共模輸入，抗電場(chǎng)干擾性強(qiáng)，無需專用地線，安裝方便。

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