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(chǎn)使用過程中的常見故障和解決方法。
某公司年產(chǎn)28萬噸尿素工程,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。造氣爐對入爐氧含量的要求很嚴格(55%),氧濃度低,產(chǎn)生的氣體成份不足,產(chǎn)氣量低;氧含量過高,反應(yīng)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(zhì)為氧傳感器組成的氧濃差電池,是以空氣為參比氣對應(yīng)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(zhì)被做成管狀,即氧化鋯管。通過在鋯管底部的內(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(yīng)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(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,氧分壓的氣體Pa就要通過氧化鋯向Pc一側(cè)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(yīng)的過程。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(cè)。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(cè)的鉑電極上由于大量給出電子而帶正電荷,成為濃差電池的陽極;在Pc側(cè)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(cè)的氧分壓不同時(氧濃差),高濃度側(cè)的氧分子奪取鉑電極上的自由電子,以離子形式通過氧空穴,到達低濃度側(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。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(jù)幾年來對儀器的維護經(jīng)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(xiàn)象。在日常的維護中,儀器有時會出現(xiàn)指示值偏高或者偏低的現(xiàn)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(diào)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(diào)節(jié)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(xiàn)了問題,現(xiàn)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(fā)現(xiàn)鋯管電極的熱電阻大于80~100歐,說明鋯管已經(jīng)老化,需要更換鋯管。造成此故障的原因是儀器沒有安裝預(yù)處理系統(tǒng),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(xiàn)鋯管內(nèi)阻,電勢變大,造成測量滯后,誤差變大,反應(yīng)遲鈍。或者經(jīng)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(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)。再裝上熱電偶時應(yīng)注意熱電偶與鋯管底部留有1～2mm的間隙。
4結(jié)語
氧化鋯氧量分析儀在生產(chǎn)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(shù)據(jù),以便操作人員及時地調(diào)整工藝指標及各項參數(shù),使整個系統(tǒng)長期穩(wěn)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(yè)的自動化程度有了很大的提高。
