氧化鋯分析儀的檢測原理及故障分析

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

關鍵詞：環保和節能 燃燒效率 能源消耗 最佳燃燒點

1概述

氧化鋯分析儀一般指氧化鋯氧量分析儀（Zirconia Oxygen Analyzer），主要用于測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度，同樣也適用于非可燃性氣體氧濃度測量。氧化鋯氧量分析儀廣泛應用于多種行業的燃燒監視與控制過程，并且幫助各行業領域取得了相當可觀的節能效果。應用領域包括能耗行業，如鋼鐵業、電子電力業、石油化工業、制陶業、造紙業、食品業、紡織品業，還包括各種燃燒設備，如焚燒爐、中小型鍋爐等。

2檢測原理及分類

2.1構成及檢測原理

氧傳感器的關鍵部件是氧化鋯，在氧化鋯元件的內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。用氧分析儀內的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯氧量分析儀的構成是由氧傳感器、氧分析儀（變送器）以及它們之間的連接電纜等組成。

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高溫燒結后形成的穩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。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外電極。在實際的氧探頭中，空氣流經外電極，煙氣流經內電極，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，發生如下電極反應：

氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊，在內電極上發生相反的電極反應：

由于氧濃差導致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊，因而產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：

式中R、F分別是氣體常數和法拉第常數，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，在理想狀態下，其電勢值在高溫區域內對應氧含量。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。

2.2主要分類

常用的氧化鋯分析儀主要有熱磁式和氧化鋯式兩種。

1）熱磁式

其原理是利用煙氣組分中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測定煙氣中含氧量。氧氣為順磁性氣體，在不均勻磁場中受到吸引而流向磁場較強處。在該處設有加熱絲，使此處氧的溫度升高而磁化率下降，因而磁場吸引力減小，受后面磁化率較高的未被加熱的氧氣分子推擠而排出磁場，由此造成"熱磁對流"或"磁風"現象。在一定的氣樣壓力、溫度和流量下，通過測量磁風大小就可測得氣樣中氧氣含量。

熱磁式氧分析儀雖然具有結構簡單、便于制造和調整等優點，但由于其反應速度慢、測量誤差大、容易發生測量環室堵塞和熱敏元件腐蝕嚴重等缺點，已逐漸被氧化鋯氧分析儀所取代。

2）傳感器式

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）作穩定劑，再經過高溫焙燒，則變為穩定的氧化鋯材料，這時，四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換，同時產生氧離子空穴，所以ZrO2屬于陰離子固體電解質。ZrO2主要通過空穴的運動而導電，當溫度達到600℃以上時，ZrO2就變為良好的氧離子導體。 在氧化鋯電解質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），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。

3常見故障現象和處理方法

1）故障現象：儀表示值偏低。

原因1：樣氣中可能存在可燃氣體。氧化鋯固體電解質工作在600～850度高溫下，如果樣氣中存在碳氫化合物等可燃組分，將發生燃燒反應而耗氧，故導致儀表示值偏低。

處理方法：抽樣檢查樣氣，如果樣氣中的確有可燃氣體存在，則應調整工況除去可燃氣體，或者在樣氣中加裝凈化器除去可燃氣體組分。

原因2：探頭過濾器堵塞、氣阻增大，影響被測氣體中氧分子的擴散速度。

處理方法：反向吹掃、清洗過濾器，如果不能疏通，則更換過濾器。

原因3：爐溫過高。

處理方法：檢查校正爐溫。

原因4：量程電勢偏高。

處理方法：利用給定電勢差校正量程電勢。

2）故障現象：儀表示值偏高

原因1：鋯管破裂漏氣。

處理方法：檢查更換鋯管。

原因2：鋯管產生小裂紋，導致電極部分短路滲透。

處理方法：檢查更換。

原因3：鋯管老化。

處理方法：測量鋯管內阻，方法是在儀表規定的工作溫度下，用數字萬用表檢測兩電極引線間的阻值，一支新的鋯管內阻應小于50歐姆，如果鋯管內阻大于100歐姆時，可適當提高爐溫繼續使用。若儀表誤差過大，超出允許誤差范圍時，應更換鋯管。

原因4：爐溫過低，造成鋯管內阻過高。

處理方法：檢查校正爐溫。

3）故障現象：儀表無論置于任何一檔，示值均指示滿量程。

原因1：電極信號接反。

處理方法：正確連接。

原因2：鋯管電極脫落，或經長期使用后鉑電極蒸發。

處理方法：檢查鋯管兩極間電阻，如果超過100歐姆，則應更換鋯管。

4）故障現象：輸出信號波動大

原因1：取樣點位置不合適。

處理方法：和工藝配合檢查、更改取樣點位置。

原因2：燃燒系統不穩定，超負荷運行或有明火沖擊鋯管，氣樣流量變化大。

處理方法：和工藝配合檢查，調整工藝參數，檢查、更換氣路閥件。

原因3：樣氣帶水并在鋯管中汽化。

處理方法：檢查樣氣有無冷凝水或水霧，鋯管出口稍向下傾斜改進樣氣預處理系統。

4結束語

煙氣氧含量式鍋爐運行重要監控參數之一，是反應燃燒設備與鍋爐運行完善程度的重要依據。因此控制煙氣氧含量，對控制燃燒過程，實現安全、高效和低污染排放有非常重要意義。

參考文獻

[1]黃步余，范宗海，馬睿.石油化工自動控制設計手冊.第四版.北京：化學工業出版社，2020：184-188.

作者簡介：呂長達（1985-），男，遼寧葫蘆島漢族大學本科工程師，中油遼河工程有限公司從事自控儀表設計工作。