氧化锆分析仪的检测原理及故障分析

摘要：随着人们环保和节能意识的逐渐提高，众多大中型企业如钢铁冶金、石油化工、火力发电厂等，已将提高燃烧效率、降低能源消耗、降低污染物排放、保护环境等作为提高产品质量和增强产品竞争能力的重要途径。钢铁行业的轧钢加热炉、电力行业的锅炉等燃烧装置和热工设备，是各行业的能源消耗大户。因此，如何测量和提高燃烧装置的燃烧效率、确定最佳燃烧点，是十分令人关心的。

关键词：环保和节能 燃烧效率 能源消耗 最佳燃烧点

1概述

氧化锆分析仪一般指氧化锆氧量分析仪（Zirconia Oxygen Analyzer），主要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度，同样也适用于非可燃性气体氧浓度测量。氧化锆氧量分析仪广泛应用于多种行业的燃烧监视与控制过程，并且帮助各行业领域取得了相当可观的节能效果。应用领域包括能耗行业，如钢铁业、电子电力业、石油化工业、制陶业、造纸业、食品业、纺织品业，还包括各种燃烧设备，如焚烧炉、中小型锅炉等。

2检测原理及分类

2.1构成及检测原理

氧传感器的关键部件是氧化锆，在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。为了使电池保持额定的工作温度，在传感器中设置了加热器。用氧分析仪内的温度控制器控制氧化锆温度恒定。氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器、氧分析仪（变送器）以及它们之间的连接电缆等组成。

氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量P小于空气氧含量P0（20.6%O2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电极反应：

氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应：

由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E，该电势信号符合"能斯特"方程：

式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管绝对温度（K）， P0是空气氧含量（20.6%O2）， P 是烟气含量。由（1） 式可见，在一定的高温条件下（一般）600℃），一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下，其电势值在高温区域内对应氧含量。实际上，一定氧含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和，我们称为无浓差条件下锆管输出的电势值为本底电势或称为零位电势。

2.2主要分类

常用的氧化锆分析仪主要有热磁式和氧化锆式两种。

1）热磁式

其原理是利用烟气组分中氧气的磁化率特别高这一物理特性来测定烟气中含氧量。氧气为顺磁性气体，在不均匀磁场中受到吸引而流向磁场较强处。在该处设有加热丝，使此处氧的温度升高而磁化率下降，因而磁场吸引力减小，受后面磁化率较高的未被加热的氧气分子推挤而排出磁场，由此造成"热磁对流"或"磁风"现象。在一定的气样压力、温度和流量下，通过测量磁风大小就可测得气样中氧气含量。

热磁式氧分析仪虽然具有结构简单、便于制造和调整等优点，但由于其反应速度慢、测量误差大、容易发生测量环室堵塞和热敏元件腐蚀严重等缺点，已逐渐被氧化锆氧分析仪所取代。

2）传感器式

纯净的ZrO2不能用作测量元件。如果在ZrO2中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）作稳定剂，再经过高温焙烧，则变为稳定的氧化锆材料，这时，四价的锆被二价的钙或三价的钇置换，同时产生氧离子空穴，所以ZrO2属于阴离子固体电解质。ZrO2主要通过空穴的运动而导电，当温度达到600℃以上时，ZrO2就变为良好的氧离子导体。 在氧化锆电解质的两面各烧结一个铂电极，当氧化锆两侧的氧分压不同时，氧分压高的一侧的氧以离子形式向氧分压低的一侧迁移，结果使氧分压高的一侧铂电极失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电极得到电子显负电，因而在两铂电极之间产生氧浓差电势。此电势在温度一定时只与两侧气体中氧气含量的差（氧浓差）有关。若一侧氧气含量已知（如空气中氧气含量为常数），则另一侧氧气含量（如烟气中氧气含量）就可用氧浓差电势表示，测出氧浓差电势，便可知道烟气中氧气含量。

3常见故障现象和处理方法

1）故障现象：仪表示值偏低。

原因1：样气中可能存在可燃气体。氧化锆固体电解质工作在600～850度高温下，如果样气中存在碳氢化合物等可燃组分，将发生燃烧反应而耗氧，故导致仪表示值偏低。

处理方法：抽样检查样气，如果样气中的确有可燃气体存在，则应调整工况除去可燃气体，或者在样气中加装净化器除去可燃气体组分。

原因2：探头过滤器堵塞、气阻增大，影响被测气体中氧分子的扩散速度。

处理方法：反向吹扫、清洗过滤器，如果不能疏通，则更换过滤器。

原因3：炉温过高。

处理方法：检查校正炉温。

原因4：量程电势偏高。

处理方法：利用给定电势差校正量程电势。

2）故障现象：仪表示值偏高

原因1：锆管破裂漏气。

处理方法：检查更换锆管。

原因2：锆管产生小裂纹，导致电极部分短路渗透。

处理方法：检查更换。

原因3：锆管老化。

处理方法：测量锆管内阻，方法是在仪表规定的工作温度下，用数字万用表检测两电极引线间的阻值，一支新的锆管内阻应小于50欧姆，如果锆管内阻大于100欧姆时，可适当提高炉温继续使用。若仪表误差过大，超出允许误差范围时，应更换锆管。

原因4：炉温过低，造成锆管内阻过高。

处理方法：检查校正炉温。

3）故障现象：仪表无论置于任何一档，示值均指示满量程。

原因1：电极信号接反。

处理方法：正确连接。

原因2：锆管电极脱落，或经长期使用后铂电极蒸发。

处理方法：检查锆管两极间电阻，如果超过100欧姆，则应更换锆管。

4）故障现象：输出信号波动大

原因1：取样点位置不合适。

处理方法：和工艺配合检查、更改取样点位置。

原因2：燃烧系统不稳定，超负荷运行或有明火冲击锆管，气样流量变化大。

处理方法：和工艺配合检查，调整工艺参数，检查、更换气路阀件。

原因3：样气带水并在锆管中汽化。

處理方法：检查样气有无冷凝水或水雾，锆管出口稍向下倾斜改进样气预处理系统。

4结束语

烟气氧含量式锅炉运行重要监控参数之一，是反应燃烧设备与锅炉运行完善程度的重要依据。因此控制烟气氧含量，对控制燃烧过程，实现安全、高效和低污染排放有非常重要意义。

参考文献

[1]黄步余，范宗海，马睿.石油化工自动控制设计手册.第四版.北京：化学工业出版社，2020：184-188.

作者简介：吕长达（1985-），男，辽宁葫芦岛汉族大学本科工程师，中油辽河工程有限公司从事自控仪表设计工作。