摘要:
詳細闡述氧化鋯氧分析儀的工作原理,測量原理及在在生產使用過程中的常見故障和解決方法。

某公司年產28萬噸尿素工程,采用了富氧造氣的方法生產半水煤氣,使用的設備是造氣爐。造氣爐對入爐氧含量的要求很嚴格(55%),氧濃度低,產生的氣體成份不足,產氣量低;氧含量過高,反應劇烈,爐體溫度過高,會造成爐體損壞,縮短使用壽命。在入爐之前要把空氣和氧氣混合,有效地控制好氧含量。在氧含量的測量方面,該廠采用的是氧化鋯氧分析儀實時在線分析。

1儀器的工作原理
氧化鋯氣體分析儀是以氧化鋯固體電解質為氧傳感器組成的氧濃差電池,是以空氣為參比氣對應分析檢測氣體中的氧濃差電勢,通過能斯特方程式,直接換算成氧含量顯示。

在高溫運用中,氧化鋯固體電解質被做成管狀,即氧化鋯管。通過在鋯管底部的內外面上用鉑金上多孔電極,就制成了氧濃差電池的氧傳感器。在恒定高溫的電爐里,外電極以空氣為參比氣體,內電極通入檢測氣體,就組成了氧化鋯氧濃差電池。

由于空氣氧濃度(20.95%)是已知的,所以當溫度固定時,即可以得到與待測氣體Px氧含量相對應的氧濃差電勢E(mV),對此電勢進行電路處理后,顯示即時的氧含量和輸出標準信號,完成一個測量過程。

2氧濃差電池原理
氧濃差電池的原理(如圖1)所示。Pa、Pc分別為電池兩側氣體的氧分壓,氧分壓大的氣體氧濃度差也大,設Pa>Pc,這時,氧分壓的氣體Pa就要通過氧化鋯向Pc一側擴散,它不是氧分子透過氧化鋯的過程,而是氧分子離解成氧離子后通過氧化鋯的過程。

在一定溫度下,多孔的鉑電有催化氧分子和氧離子之間正逆變反應的過程。Pa側的氧分子滲入多孔鉑電極,在Pa鉑電極催化作用下,一個氧分子奪取鉑電極上的四個自由電子變成兩個氧離子(O)以離子形式通過“氧空穴”達到低濃度的PC一側。在Pc鉑電極的催化作用下,一個氧離子放出兩個電子而變成氧分子,從多孔鉑電極中放出來。這樣在Pa側的鉑電極上由于大量給出電子而帶正電荷,成為濃差電池的陽極;在Pc側鉑電極上,由于得到大量電子而帶負電荷,成為氧濃電池的陰極。

當氧化鋯兩側的氧分壓不同時(氧濃差),高濃度側的氧分子奪取鉑電極上的自由電子,以離子形式通過氧空穴,到達低濃度側,經鉑電極(陰極)釋放出自由電子,從而形成了氧離子流,在電解質(ZrO2)兩側產生氧濃差電勢。也就是說,在兩個電極上由于正。負電荷的堆積形成一個電勢,叫氧濃差電勢。當用導線把兩極連成電路時,在電路中會有電流通過。

3常見故障及解決方法
根據幾年來對儀器的維護經驗,對一些常見的故障掌握了一些行之有效的方法。下面介紹儀器在運行過程中的一些現象。在日常的維護中,儀器有時會出現指示值偏高或者偏低的現象,和真實值不符。如果測量值比真實值偏高,原因可能是管線漏氣;爐溫偏低或流量偏小等;我們可以逐一地去檢查,更換密封墊或旋緊壓帽;提高爐溫;調整電勢等方法加以解決。如果測量指示值比真實值偏低,原因正好和上面的相反,我們可以采取降低爐溫;調節流量;校正量程電勢等方法排出故障。

該廠的氧化鋯氧分析儀在投入幾個月時就出現了問題,現象是測量值和真實值偏差很大,采取了日常維護中的辦法,但問題還是沒有解決,*后對鋯管進行測試,發現鋯管電極的熱電阻大于80~100歐,說明鋯管已經老化,需要更換鋯管。造成此故障的原因是儀器沒有安裝預處理系統,由于電極長期在高溫和有毒有害氣體的腐蝕下,使得鋯管電極性能被破壞,出現鋯管內阻,電勢變大,造成測量滯后,誤差變大,反應遲鈍。或者經過標氧儀校準診斷,管老化、電爐溫度超過800℃,管特性不符合能斯特方程式線性,無法進行準確測量時都要更換鋯管。更換鋯管方法如下:取下舊鋯管后,原樣裝入新鋯管,對角上緊螺絲,不能單邊旋緊,以免造成鋯管破裂。帶上勁后,試一下漏不漏才能裝入電爐。裝入時,不能碰到對面的熱電偶,裝好后應把熱電偶端的法蘭卸下,觀察鋯管在不在中間,如偏斜則應在支柱上加薄墊片調節。再裝上熱電偶時應注意熱電偶與鋯管底部留有1～2mm的間隙。

4結語
氧化鋯氧量分析儀在生產過程中起到很重要的作用,它可以時實地為工藝操作人提供可靠準確的數據,以便操作人員及時地調整工藝指標及各項參數,使整個系統長期穩定的運行;同時,又減少勞動力,提高了工作效率,降低成本,使企業的自動化程度有了很大的提高。