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从“工况调整”到“氧化锆氧量测量”,如何正视锅炉氧量的多维价值?
发布时间:2019-07-09 阅读:293
    1989年能斯特(Nernst)发现稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。从此氧化锆成为研究和开发应用最普遍的一种固体电解质,它已在高温技术,特别是高温测试技术上得到广泛应用。由于氧探头与现有测氧仪表(如磁氧分析器、电化学式氧量计、气象色谱仪等)相比,具有结构简单,响应时间短(0.1s~0.2s),测量范围宽(从ppm到百分含量),使用温度高(600℃~1200℃),运行可靠,安装方便,维护量小等优点,因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等工业部门得到广泛的应用。
    在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂(Pt)电极,在一定温度下,当电解质两侧氧浓度不同时,高浓度侧(空气)的氧分子被吸附在铂电极上与电子(4e)结合形成氧离子O2-,使该电极带正电,O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子,转化成氧分子,使该电极带负电。两个电极的反应式分别为:
   参比侧:O2+4e——2O2-
   测量侧:2O2--4e——O2 
    这样在两个电极间便产生了一定的电动势,氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。两级之间的电动势E由能斯特公式求得:可
    E= (1)
    式中,EmV―浓差电池输出,
    n 4―电子转移数,在此为
    R理想气体常数,8.314W·S/mol —T (K) F96500 C;PP1——待测气体氧浓度百分数0——参比气体氧浓度百分数 —法拉第常数,—绝对温度  
    该分式是氧探头测氧的基础,当氧化锆管处的温度被加热到600℃~1400℃时,高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气,如用空气,则P,将此值及公式中的常数项合并,又实际氧化锆电池存在温差电势、接触电势、参比电势、极化电势,从而产生本地电势CmV)实际计算公式为:(0 =20.6% 
    EmV)=0.0496Tln(0.2095/P1)±CmV)((C本地电势(新镐头通常为±1mV) =
    可见,如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T,即可算出被测气体的氧分压(浓度)P1 ,这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。
    氧化锆氧探头的结构类型及工作原理
    按检测方式的不同,氧化锆氧探头分为两大类:采样检测式氧探头及直插式氧探头。
    1、采样检测式氧探头
    采样检测方式是通过导引管,将被测气体导入氧化锆检测室,再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度(750℃以上)。氧化锆一般采用管状,电极采用多孔铂电极。其优点是不受检测气体温度的影响,通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量,这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢;结构复杂,容易影响检测精度;在被检测气体杂质较多时,采样管容易堵塞;多孔铂电极容易受到气体中的硫,砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效;加热器一般用电炉丝加热,寿命不长。
    在被检测气体温度较低(0℃~650℃),或被测气体较清洁时,适宜采样式检测方式,如制氮机测氧,实验室测氧等。
    2、直插检测式氧探头
    直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体,直接检测气体中的氧含量,这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃~1150℃时(特殊结构还可以用于1400℃的高温),它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度,不需另外用加热器(如图3)。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。
以下列举了两种直插式氧探头的结构形式:
    (1)整体氧化锆管
    该形式是从采样检测方式中采用的氧化锆管的形式上发展起来的,就是将原来的氧化锆管加长,使氧化锆可以直接伸到高温被测气体中。这种结构无需考虑高温密封问题。
    (2)直插式氧化锆氧探头
由于需要将氧化锆直接插入检测气体中,对氧探头的长度有较高要求,其有效长度在500mm~1000mm左右,特殊的环境长度可达1500mm。且检测精度,工作稳定性和使用寿命都有很高的要求,因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构,而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。密封性能是这种氧化锆氧探头的最关键技术之一。目前国际上最先进的连接方式,是将氧化锆与氧化铝管永久的焊接在一起,其密封性能极佳,与采样式检测方式比,直插式检测有显而易见的优点:氧化锆直接接触气体,检测精度高,反应速度快,维护量较小。
    氧探头的工业应用
    1、在工业锅炉、加热炉上的应用
    氧探头使用时,引入被测气体的方式有直插式和采样检测式两种。直插式响应时间短,不需要加热器,结构简单,小型轻便,但要求同时检测被测气体的温度。采样检测式由于氧探头的温度由加热器控制,因此测量精度高,工作可靠,但响应时间取决于气体的流量。
    直插式氧分析器已广泛应用在锅炉和加热炉的烟气含氧量的测定,作此用途的氧探头多采用管状结构,此管可以两端开口,也可以单端开口,目前市场出现最多的是后一种。ZrO2管内外壁上涂有多孔Pt电极,由内外电极分别向管端引伸并在端部接出Ni Cr丝作信号输出用,从而控制燃烧系统实现低氧燃烧,达到降低热能损失,节约能源的目的。
    1、氧化锆氧量计的工作原理是什么?
    答:氧化锆氧量计是利用氧化锆固体电解质作为传感器,在氧化锆固体电解质两侧附上多孔的金属铂电极,使其处在高温下,当两侧气体中的氧浓度不同时,在电极之间产生电势,称为氧浓差电势。此电势在温度一定时,只与两侧气体中的氧气含量有关。通过测量此电势,即可测得氧气含量。
    2、氧化锆氧量计有什么优缺点?
    答:氧化锆氧量计具有响应速度快、结构简单、测量准确、输出稳定和维护工作量小等优点,可作为锅炉燃烧调节的校正信号。氧化锆材料存在的问题是,在高温下膨胀而易出现裂纹或使铂电极脱落;另外,在氧化锆管表面有尘粒等污染时往往会造成较大的测量误差,甚至使铂电极中毒。所以在使用过程中要经常清理。
    3、保证氧化锆氧量计正常工作的条件有哪些?
答:应满足以下条件:
    (1)因氧化锆的电势与其温度成正比关系,故在测量系统中应有恒温装置,保证工作温度稳定,或者采用温度补偿装置。
    (2)工作温度要选在800℃以上。
    (3)必须有参比气体。参比气体中的氧分压要恒定不变。同时,要求它比被测气体中的氧分压大得多,这样输出灵敏度大。
    (4)必须保证烟气和空气都有一定流速,以保证参比气体中氧分压的恒定和被测气样有代表性。
    (5)被测气体的总压应保持不变,以使氧分压能代表其容积成分。
    4、氧化锆氧量计的测量系统有哪几种?
答:氧化锆氧量计由氧化锆测氧元件和二次仪表组成。
    氧化锆氧量计的二次仪表由氧量运算及显示部分和测氧元件温度控制部分组成。
    将氧化锆头直接插入旁路烟道时,有抽气定温测量系统和对流定温测量系统。将氧化锆头直接插入烟道时,有直插补偿式测量系统和直插定温式测量系统。
    5、氧化锆氧量计安装前应进行哪些检查和试验工作?
    答:氧化锆氧量计安装前,应对其进行检查和动态试验:
    (1)外观应完好无损,配件齐全。
    (2)用万用表测热电偶两端的电阻值,应为5-10;信号两端的电阻值,应为10M以上;加热炉两端的电阻值,应为50-150。
    (3)接通电源,按下数显及自检按钮,应能显示某一氧量值并相应地输出电流,说明运算器与转换电路正常。
    (4)作联机试验,将二次仪表与氧探头一一对应地接好线,检查无误后开启电源,按下加热键。一般在30分钟内恒温在780±10℃,此时,可以显示加热炉温度,说明温控系统正常。
(5)通入标准气体。标准气体流量控制在300mL/min-500mL/min,如果超过允许误差范围时,则应根据产品说明书要求进行调整,使其指示出标准气体的含氧量。校验完毕后将标准气体口堵好。
    6、氧化锆氧量计探头安装时应注意哪些问题?
    答:(1)氧量检测器上参比气和标准气嘴的一面应向下,陶瓷过滤器不能正对烟气流向。
   (2)氧量检测器的固定法兰与设备上的法兰之间必须使用垫圈,以防止空气漏人烟道内,影响测量精确度。
   (3)必须拧紧标准气嘴上的螺帽,以免空气流到氧化锆管内,使氧量读数偏高。
   (4)氧量检测器插入热的烟道时,不能太快,一般以每分钟插入10cm为宜。
   (5)氧量检测器头部切忌敲击、碰撞,以免陶瓷部件损坏。
    7、氧化锆氧量计探头有哪些检查项目?
    答:(1)外观;过滤器应清洁、畅通。整个探头无机械松动。
   (2)锆管内阻;在探头温度为700℃时,其内阻一般不应大于100。
   (3)锆管本底电动势;在探头温度为700℃时,置于自然空气中测得的电动势即为本底电动势,一般不应超过±5mV。
   (4)探头加热电炉;其电阻阻值在一般在50-150左右。
   (5)探头绝缘电阻;常温下用500V兆欧表测量探头的绝缘电阻,其中热电偶对外壳绝缘电阻应大于10M。加热丝对外壳绝缘电阻应大于50M。
    8、对于氧化锆氧量计,如果仪表正常,哪些情况会使指示数值摆动大?
    答:仪表本身正常而指示值摆动较大的可能原因有:
    (1)运行人员操作不当,用启停给煤机的办法来调整汽压,使扰动量过大。
    (2)改变磨煤机运行方式时,送风量未进行相应的调整,使燃烧情况不好。

    (3)风量不足,低氧燃烧时,可燃气体(CO)增加很大,使指示不正常。













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