摘要:
詳細(xì)闡述氧化鋯氧分析儀的工作原理,測(cè)量原理及在在生產(chǎn)使用過(guò)程中的常見(jiàn)故障和解決方法。

某公司年產(chǎn)28萬(wàn)噸尿素工程,采用了富氧造氣的方法生產(chǎn)半水煤氣,使用的設(shè)備是造氣爐。造氣爐對(duì)入爐氧含量的要求很嚴(yán)格(55%),氧濃度低,產(chǎn)生的氣體成份不足,產(chǎn)氣量低;氧含量過(guò)高,反應(yīng)劇烈,爐體溫度過(guò)高,會(huì)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(cè)量方面,該廠采用的是氧化鋯氧分析儀實(shí)時(shí)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(zhì)為氧傳感器組成的氧濃差電池,是以空氣為參比氣對(duì)應(yīng)分析檢測(cè)氣體中的氧濃差電勢(shì),通過(guò)能斯特方程式,直接換算成氧含量顯示。

在高溫運(yùn)用中,氧化鋯固體電解質(zhì)被做成管狀,即氧化鋯管。通過(guò)在鋯管底部的內(nèi)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(nèi)電極通入檢測(cè)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(dāng)溫度固定時(shí),即可以得到與待測(cè)氣體Px氧含量相對(duì)應(yīng)的氧濃差電勢(shì)E(mV),對(duì)此電勢(shì)進(jìn)行電路處理后,顯示即時(shí)的氧含量和輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),完成一個(gè)測(cè)量過(guò)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(cè)氣體的氧分壓,氧分壓大的氣體氧濃度差也大,設(shè)Pa>Pc,這時(shí),氧分壓的氣體Pa就要通過(guò)氧化鋯向Pc一側(cè)擴(kuò)散,它不是氧分子透過(guò)氧化鋯的過(guò)程,而是氧分子離解成氧離子后通過(guò)氧化鋯的過(guò)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(yīng)的過(guò)程。Pa側(cè)的氧分子滲入多孔鉑電極,在Pa鉑電極催化作用下,一個(gè)氧分子奪取鉑電極上的四個(gè)自由電子變成兩個(gè)氧離子(O)以離子形式通過(guò)“氧空穴”達(dá)到低濃度的PC一側(cè)。在Pc鉑電極的催化作用下,一個(gè)氧離子放出兩個(gè)電子而變成氧分子,從多孔鉑電極中放出來(lái)。這樣在Pa側(cè)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(yáng)極;在Pc側(cè)鉑電極上,由于得到大量電子而帶負(fù)電荷,成為氧濃電池的陰極。

當(dāng)氧化鋯兩側(cè)的氧分壓不同時(shí)(氧濃差),高濃度側(cè)的氧分子奪取鉑電極上的自由電子,以離子形式通過(guò)氧空穴,到達(dá)低濃度側(cè),經(jīng)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(zhì)(ZrO2)兩側(cè)產(chǎn)生氧濃差電勢(shì)。也就是說(shuō),在兩個(gè)電極上由于正。負(fù)電荷的堆積形成一個(gè)電勢(shì),叫氧濃差電勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線把兩極連成電路時(shí),在電路中會(huì)有電流通過(guò)。

3常見(jiàn)故障及解決方法
根據(jù)幾年來(lái)對(duì)儀器的維護(hù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)一些常見(jiàn)的故障掌握了一些行之有效的方法。下面介紹儀器在運(yùn)行過(guò)程中的一些現(xiàn)象。在日常的維護(hù)中,儀器有時(shí)會(huì)出現(xiàn)指示值偏高或者偏低的現(xiàn)象,和真實(shí)值不符。如果測(cè)量值比真實(shí)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(diào)整電勢(shì)等方法加以解決。如果測(cè)量指示值比真實(shí)值偏低,原因正好和上面的相反,我們可以采取降低爐溫;調(diào)節(jié)流量;校正量程電勢(shì)等方法排出故障。

該廠的氧化鋯氧分析儀在投入幾個(gè)月時(shí)就出現(xiàn)了問(wèn)題,現(xiàn)象是測(cè)量值和真實(shí)值偏差很大,采取了日常維護(hù)中的辦法,但問(wèn)題還是沒(méi)有解決,*后對(duì)鋯管進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)鋯管電極的熱電阻大于80~100歐,說(shuō)明鋯管已經(jīng)老化,需要更換鋯管。造成此故障的原因是儀器沒(méi)有安裝預(yù)處理系統(tǒng),由于電極長(zhǎng)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(xiàn)鋯管內(nèi)阻,電勢(shì)變大,造成測(cè)量滯后,誤差變大,反應(yīng)遲鈍?；蛘呓?jīng)過(guò)標(biāo)氧儀校準(zhǔn)診斷,管老化、電爐溫度超過(guò)800℃,管特性不符合能斯特方程式線性,無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)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(duì)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(shí),不能碰到對(duì)面的熱電偶,裝好后應(yīng)把熱電偶端的法蘭卸下,觀察鋯管在不在中間,如偏斜則應(yīng)在支柱上加薄墊片調(diào)節(jié)。再裝上熱電偶時(shí)應(yīng)注意熱電偶與鋯管底部留有1～2mm的間隙。

4結(jié)語(yǔ)
氧化鋯氧量分析儀在生產(chǎn)過(guò)程中起到很重要的作用,它可以時(shí)實(shí)地為工藝操作人提供可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),以便操作人員及時(shí)地調(diào)整工藝指標(biāo)及各項(xiàng)參數(shù),使整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行;同時(shí),又減少勞動(dòng)力,提高了工作效率,降低成本,使企業(yè)的自動(dòng)化程度有了很大的提高。