孟宪琦

摘要：本文主要介绍了氧化锆分析仪的使用意义、工作原理、选型以及正确选择探头安装地点和安装方式。并对工艺操作人员常提出的问题进行了总结和原因分析。

关键词：氧化锆;能斯特方程;电动势

前言

由于氧化锆分析仪与其它测氧分析仪表（如磁氧分析器、电化学式氧量计）相比，具有结构简单，响应时间短，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，因此在化工、电力、环保等工业部门都得到广泛的应用。在我公司，氧化锆分析仪也应用较多，如常压、电站、重整的加热炉和催化的余热锅炉都使用其监测炉内氧含量。

1  使用氧化锆分析仪的意义

氧化锆分析仪是控制炉窑经济燃烧不可缺少的重要在线分析仪，它有三个作用：节能、减少环境污染和延长炉龄。

锅炉的热效率与四项热损失有关：⑴排烟损失，极热烟气带走的热量;⑵气体不完成燃烧损失，即烟气中的CO和C等物质带走的热量;⑶炭未完成燃烧损失，即炉灰中C带走的热量;⑷散热损失。当鼓风量过大，烟气中过剩空气量大，烟气氧含量偏高，虽然燃烧充分，但过剩的空气带走的热量多。同时过剩的氧与燃料中的S和烟气中的N2燃烧生成硫化物和氮化物等有害物质污染环境。当鼓风量低时，烟气氧量低，燃料不能充分燃烧，热效率降低。同时烟囱冒黑烟，对环境也会造成较大污染。因此要使锅炉热效率高而污染小，必须控制空气过剩系数，这需要利用氧化锆氧分析仪将烟气氧含量控制在合理的范围内。另一方面，锅炉处于经济燃烧状态，烟气中的SO2、SO3量低，减少了锅炉尾部腐蚀，从而延长了炉龄。

2  氧化锆分析仪工作原理

在一片高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米厚的多孔铂层作为电极，再在电极上焊上铂丝作为引线，就构成了氧浓差电池。如果电池左侧通入参比气体（空气），电池右侧通入被测气体，在高温下（650～850℃），氧就会从电池左侧向右侧扩散，这种扩散，不是氧分子通过氧化锆从左侧到右侧，而是氧分子离解成氧离子后通过氧化锆的过程。在750℃左右的高温中，在铂电极的催化作用下，在电池的左侧发生还原反应，一个氧分子从铂电极取得4个电变成两个氧离子（O2-）进入电解质，即左侧的铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的正极或阳极。这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空穴向前运动到达右侧的铂电极，在电池的右侧发成氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出，即右侧的铂电极由于大量得到电子而带负电，成为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上由于正负电荷的堆积而形成一个电势，称之为氧浓差電动势。当用导线将两个电极连成电路时，负极上的电子就会通过外电路流到正极，再供给氧分子形成氧离子，电路中就有电流通过。氧浓差电动势的大小，与氧化锆固体电解质两侧气体中的氧浓度有关。通过理论分析和实验证实，它们的关系可用能斯特方程式表示。

R——气体常数，8.314J/（mol·K）;

T——氧化锆探头的工作温度，K（273+t℃）;

n——参加反应的电子数（对氧而言，n=4）;

F——法拉第常数，96500C;

p0——参比气体的氧分压;

p1——被测气体的氧分压。如被测气体的总压力与参比气体的总压力相同，则上式可改写为

式中c0——参比气体中氧的体积分数

c1——被测气体中氧的体积分数。

从上式可以看出，当参比气体中的氧含量c0一定时，氧浓度差电动势仅是被测气体中氧含量c1和温度T的函数。若氧浓度差电池的工作温度为750℃，c0为20.6%，则电池的氧浓度差电动势E为

上式说明，浓差电动势与被测气体中氧含量有对数关系，当氧浓差电池的工作温度T和参比气体中氧含量c0一定时，被测气体中的氧含量越小，氧浓差电动势越大。

3 氧化锆分析仪的几种形式

3.1直插式氧化锆分析仪

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。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封问题和电极问题。直插型氧化锆按工作温度又分为中低温、高温型和导流直插式三种。

（1）中低温直插式氧化锆分析仪，其探头直接插入炉窑烟气中，适应烟气温度为0～650℃（最佳烟气温度350～550℃），探头中自带加热炉。

（2）高温直插式氧化锆氧分析器，其探头直接插入烟气中，探头本身不带加热炉，靠高温烟气加热探头，仅适应与700～900℃的烟气测量。

（3）导流直插式氧化锆氧分析仪，这类探头利用一根长导流管将烟气导流到炉壁近处，再利用一只短探头进行测量，重要用于低尘烟气测量。

由于直插式氧探头的工作环境恶劣，且对其检测精度、工作稳定性和工作寿命都要求较高，需采用新的技术，克服传统氧化锆氧探头的不足。由于需要将氧化锆直接插入检测气氛中，对氧探头的长度有较高要求，一般直插式氧探头的有效长度在500-1000mm左右，特殊的环境长度可达1500mm。与采样式检测方式比，直插式检测有显而易见的优点：氧化锆直接接触气氛，检测精度高，反应速度快，维护量较小。

3.2抽气式氧化锆分析仪

（1）墙挂式氧化锆分析仪，它将烟气抽出到炉壁近处，并将氧化锆传感器安装在炉壁上就近分析，他较抽出式具有响应快的优点。主要用于钢铁厂均热炉及其他高温烟气分析（900～1400℃）。

（2）抽出式氧化锆氧分析仪。为了除去SO、SO和烟尘对测量的影响，将烟气抽至工作点，经过预处理（预处理的作用是保证分析仪在最短的滞后时间内得到有代表性的工艺样品，样品的状态（温度、压力、流量和清洁程度）适合分析仪所需要的操作条件）系统除去SO、SO和烟尘后再进行分析。重要适用于多硫多尘恶劣条件的烟气，如制造硫酸的沸腾炉。国内适用较少。

抽气检测的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。由于采样式检测方式的灵活性，因此运用在许多工业在线检测上。采样检测的缺点是反应时间慢;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;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。

结论

氧化锆氧分析仪现在是一种技术成熟，应用广泛的测量氧含量的一种仪器，其具有结构简单，响应时间短，运行平稳，维护量小等优点，我们公司各装置加热炉安装使用了6种共30多台氧化锆，运行平稳，测量准确，为工艺操作和热效率换算提供了准确的数据，所以加热炉使用氧化锆测量氧含量是不错的选择。

参考文献：

[1] 王森.仪表工试题集（在线分析仪表分册）.第二版.化学工业出版社

[2] SERVOMEX 2700氧化锆操作说明书

（作者单位：中国石油哈尔滨石化公司）