氧化鋯的介紹和操作人員常提出的問題及原因分析

孟憲琦

摘要：本文主要介紹了氧化鋯分析儀的使用意義、工作原理、選型以及正確選擇探頭安裝地點和安裝方式。并對工藝操作人員常提出的問題進行了總結和原因分析。

關鍵詞：氧化鋯;能斯特方程;電動勢

前言

由于氧化鋯分析儀與其它測氧分析儀表（如磁氧分析器、電化學式氧量計）相比，具有結構簡單，響應時間短，測量范圍寬（從ppm到百分含量），使用溫度高（600～1200℃），運行可靠，安裝方便，維護量小等優點，因此在化工、電力、環保等工業部門都得到廣泛的應用。在我公司，氧化鋯分析儀也應用較多，如常壓、電站、重整的加熱爐和催化的余熱鍋爐都使用其監測爐內氧含量。

1? 使用氧化鋯分析儀的意義

氧化鋯分析儀是控制爐窯經濟燃燒不可缺少的重要在線分析儀，它有三個作用：節能、減少環境污染和延長爐齡。

鍋爐的熱效率與四項熱損失有關：⑴排煙損失，極熱煙氣帶走的熱量;⑵氣體不完成燃燒損失，即煙氣中的CO和C等物質帶走的熱量;⑶炭未完成燃燒損失，即爐灰中C帶走的熱量;⑷散熱損失。當鼓風量過大，煙氣中過剩空氣量大，煙氣氧含量偏高，雖然燃燒充分，但過剩的空氣帶走的熱量多。同時過剩的氧與燃料中的S和煙氣中的N2燃燒生成硫化物和氮化物等有害物質污染環境。當鼓風量低時，煙氣氧量低，燃料不能充分燃燒，熱效率降低。同時煙囪冒黑煙，對環境也會造成較大污染。因此要使鍋爐熱效率高而污染小，必須控制空氣過剩系數，這需要利用氧化鋯氧分析儀將煙氣氧含量控制在合理的范圍內。另一方面，鍋爐處于經濟燃燒狀態，煙氣中的SO2、SO3量低，減少了鍋爐尾部腐蝕，從而延長了爐齡。

2? 氧化鋯分析儀工作原理

在一片高致密的氧化鋯固體電解質的兩側，用燒結的方法制成幾微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線，就構成了氧濃差電池。如果電池左側通入參比氣體（空氣），電池右側通入被測氣體，在高溫下（650～850℃），氧就會從電池左側向右側擴散，這種擴散，不是氧分子通過氧化鋯從左側到右側，而是氧分子離解成氧離子后通過氧化鋯的過程。在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的左側發生還原反應，一個氧分子從鉑電極取得4個電變成兩個氧離子（O2-）進入電解質，即左側的鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽極。這些氧離子進入電解質后，通過晶體中的空穴向前運動到達右側的鉑電極，在電池的右側發成氧化反應，氧離子在鉑電極上釋放電子并結合成氧分子析出，即右側的鉑電極由于大量得到電子而帶負電，成為氧濃差電池的負極或陰極。這樣在兩個電極上由于正負電荷的堆積而形成一個電勢，稱之為氧濃差電動勢。當用導線將兩個電極連成電路時，負極上的電子就會通過外電路流到正極，再供給氧分子形成氧離子，電路中就有電流通過。氧濃差電動勢的大小，與氧化鋯固體電解質兩側氣體中的氧濃度有關。通過理論分析和實驗證實，它們的關系可用能斯特方程式表示。

R——氣體常數，8.314J/（mol·K）;

T——氧化鋯探頭的工作溫度，K（273+t℃）;

n——參加反應的電子數（對氧而言，n=4）;

F——法拉第常數，96500C;

p0——參比氣體的氧分壓;

p1——被測氣體的氧分壓。如被測氣體的總壓力與參比氣體的總壓力相同，則上式可改寫為

式中c0——參比氣體中氧的體積分數

c1——被測氣體中氧的體積分數。

從上式可以看出，當參比氣體中的氧含量c0一定時，氧濃度差電動勢僅是被測氣體中氧含量c1和溫度T的函數。若氧濃度差電池的工作溫度為750℃，c0為20.6%，則電池的氧濃度差電動勢E為

上式說明，濃差電動勢與被測氣體中氧含量有對數關系，當氧濃差電池的工作溫度T和參比氣體中氧含量c0一定時，被測氣體中的氧含量越小，氧濃差電動勢越大。

3 氧化鋯分析儀的幾種形式

3.1直插式氧化鋯分析儀

直插式檢測是將氧化鋯直接插入高溫被測氣體，直接檢測氣體中的氧含量。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封問題和電極問題。直插型氧化鋯按工作溫度又分為中低溫、高溫型和導流直插式三種。

（1）中低溫直插式氧化鋯分析儀，其探頭直接插入爐窯煙氣中，適應煙氣溫度為0～650℃（最佳煙氣溫度350～550℃），探頭中自帶加熱爐。

（2）高溫直插式氧化鋯氧分析器，其探頭直接插入煙氣中，探頭本身不帶加熱爐，靠高溫煙氣加熱探頭，僅適應與700～900℃的煙氣測量。

（3）導流直插式氧化鋯氧分析儀，這類探頭利用一根長導流管將煙氣導流到爐壁近處，再利用一只短探頭進行測量，重要用于低塵煙氣測量。

由于直插式氧探頭的工作環境惡劣，且對其檢測精度、工作穩定性和工作壽命都要求較高，需采用新的技術，克服傳統氧化鋯氧探頭的不足。由于需要將氧化鋯直接插入檢測氣氛中，對氧探頭的長度有較高要求，一般直插式氧探頭的有效長度在500-1000mm左右，特殊的環境長度可達1500mm。與采樣式檢測方式比，直插式檢測有顯而易見的優點：氧化鋯直接接觸氣氛，檢測精度高，反應速度快，維護量較小。

3.2抽氣式氧化鋯分析儀

（1）墻掛式氧化鋯分析儀，它將煙氣抽出到爐壁近處，并將氧化鋯傳感器安裝在爐壁上就近分析，他較抽出式具有響應快的優點。主要用于鋼鐵廠均熱爐及其他高溫煙氣分析（900～1400℃）。

（2）抽出式氧化鋯氧分析儀。為了除去SO、SO和煙塵對測量的影響，將煙氣抽至工作點，經過預處理（預處理的作用是保證分析儀在最短的滯后時間內得到有代表性的工藝樣品，樣品的狀態（溫度、壓力、流量和清潔程度）適合分析儀所需要的操作條件）系統除去SO、SO和煙塵后再進行分析。重要適用于多硫多塵惡劣條件的煙氣，如制造硫酸的沸騰爐。國內適用較少。

抽氣檢測的優點是不受檢測氣體溫度的影響，通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量。由于采樣式檢測方式的靈活性，因此運用在許多工業在線檢測上。采樣檢測的缺點是反應時間慢;結構復雜，容易影響檢測精度;在被檢測氣體雜質較多時，采樣管容易堵塞;鉑電極容易受到氣體中的硫，砷等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，壽命不長。

結論

氧化鋯氧分析儀現在是一種技術成熟，應用廣泛的測量氧含量的一種儀器，其具有結構簡單，響應時間短，運行平穩，維護量小等優點，我們公司各裝置加熱爐安裝使用了6種共30多臺氧化鋯，運行平穩，測量準確，為工藝操作和熱效率換算提供了準確的數據，所以加熱爐使用氧化鋯測量氧含量是不錯的選擇。

參考文獻：

[1] 王森.儀表工試題集（在線分析儀表分冊）.第二版.化學工業出版社

[2] SERVOMEX 2700氧化鋯操作說明書

（作者單位：中國石油哈爾濱石化公司）