摘要:
详细阐述氧化锆氧分析仪的工作原理,测量原理及在在生产使用过程中的常见故障和解决方法。

某公司年产28万吨尿素工程,采用了富氧造气的方法生产半水煤气,使用的设备是造气炉。造气炉对入炉氧含量的要求很严格(55%),氧浓度低,产生的气体成份不足,产气量低;氧含量过高,反应剧烈,炉体温度过高,会造成炉体损坏,缩短使用寿命。在入炉之前要把空气和氧气混合,有效地控制好氧含量。在氧含量的测量方面,该厂采用的是氧化锆氧分析仪实时在线分析。

1仪器的工作原理
氧化锆气体分析仪是以氧化锆固体电解质为氧传感器组成的氧浓差电池,是以空气为参比气对应分析检测气体中的氧浓差电势,通过能斯特方程式,直接换算成氧含量显示。

在高温运用中,氧化锆固体电解质被做成管状,即氧化锆管。通过在锆管底部的内外面上用铂金上多孔电极,就制成了氧浓差电池的氧传感器。在恒定高温的电炉里,外电极以空气为参比气体,内电极通入检测气体,就组成了氧化锆氧浓差电池。

由于空气氧浓度(20.95%)是已知的,所以当温度固定时,即可以得到与待测气体Px氧含量相对应的氧浓差电势E(mV),对此电势进行电路处理后,显示即时的氧含量和输出标准信号,完成一个测量过程。

2氧浓差电池原理
氧浓差电池的原理(如图1)所示。Pa、Pc分别为电池两侧气体的氧分压,氧分压大的气体氧浓度差也大,设Pa>Pc,这时,氧分压的气体Pa就要通过氧化锆向Pc一侧扩散,它不是氧分子透过氧化锆的过程,而是氧分子离解成氧离子后通过氧化锆的过程。

在一定温度下,多孔的铂电有催化氧分子和氧离子之间正逆变反应的过程。Pa侧的氧分子渗入多孔铂电极,在Pa铂电极催化作用下,一个氧分子夺取铂电极上的四个自由电子变成两个氧离子(O)以离子形式通过“氧空穴”达到低浓度的PC一侧。在Pc铂电极的催化作用下,一个氧离子放出两个电子而变成氧分子,从多孔铂电极中放出来。这样在Pa侧的铂电极上由于大量给出电子而带正电荷,成为浓差电池的阳极;在Pc侧铂电极上,由于得到大量电子而带负电荷,成为氧浓电池的阴极。

当氧化锆两侧的氧分压不同时(氧浓差),高浓度侧的氧分子夺取铂电极上的自由电子,以离子形式通过氧空穴,到达低浓度侧,经铂电极(阴极)释放出自由电子,从而形成了氧离子流,在电解质(ZrO2)两侧产生氧浓差电势。也就是说,在两个电极上由于正。负电荷的堆积形成一个电势,叫氧浓差电势。当用导线把两极连成电路时,在电路中会有电流通过。

3常见故障及解决方法
根据几年来对仪器的维护经验,对一些常见的故障掌握了一些行之有效的方法。下面介绍仪器在运行过程中的一些现象。在日常的维护中,仪器有时会出现指示值偏高或者偏低的现象,和真实值不符。如果测量值比真实值偏高,原因可能是管线漏气;炉温偏低或流量偏小等;我们可以逐一地去检查,更换密封垫或旋紧压帽;提高炉温;调整电势等方法加以解决。如果测量指示值比真实值偏低,原因正好和上面的相反,我们可以采取降低炉温;调节流量;校正量程电势等方法排出故障。

该厂的氧化锆氧分析仪在投入几个月时就出现了问题,现象是测量值和真实值偏差很大,采取了日常维护中的办法,但问题还是没有解决,*后对锆管进行测试,发现锆管电极的热电阻大于80~100欧,说明锆管已经老化,需要更换锆管。造成此故障的原因是仪器没有安装预处理系统,由于电极长期在高温和有毒有害气体的腐蚀下,使得锆管电极性能被破坏,出现锆管内阻,电势变大,造成测量滞后,误差变大,反应迟钝。或者经过标氧仪校准诊断,管老化、电炉温度超过800℃,管特性不符合能斯特方程式线性,无法进行准确测量时都要更换锆管。更换锆管方法如下:取下旧锆管后,原样装入新锆管,对角上紧螺丝,不能单边旋紧,以免造成锆管破裂。带上劲后,试一下漏不漏才能装入电炉。装入时,不能碰到对面的热电偶,装好后应把热电偶端的法兰卸下,观察锆管在不在中间,如偏斜则应在支柱上加薄垫片调节。再装上热电偶时应注意热电偶与锆管底部留有1～2mm的间隙。

4结语
氧化锆氧量分析仪在生产过程中起到很重要的作用,它可以时实地为工艺操作人提供可靠准确的数据,以便操作人员及时地调整工艺指标及各项参数,使整个系统长期稳定的运行;同时,又减少劳动力,提高了工作效率,降低成本,使企业的自动化程度有了很大的提高。