GFZrO2-T 氧化锆分析仪探头

氧化锆分析仪探头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。

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       南京吉帆自动化科技有限公司专注于氧化锆分析仪、变送器、压力表、流量计、水位计、双金属温度计、热电阻热电偶、炉膛工业电视系统、汽包水位监视系统生产加工；实验室成套的设计、研发；传感设备、测量系统、气体检测及分析设备、输配电控制设备及系统销售；电气成套设备、环保设备及材料、建筑材料、电缆光缆、实验设备、安防产品、会议音响工程、多媒体展厅工程的设计、施工。公司本着以质量求生存，以质量求发展，向质量要效益的原则服务于广大用户朋友。

前言

       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、确定至佳燃烧点，是十分令人关心的。

      供给加热炉、锅炉等加热设备的燃料燃烧热并不是全部被利用了。以轧钢加热炉或锅炉为例，有效热是为了使物料加热或熔化(以及工艺过程的进行)所必须传入的热量，炉子烟气带走的物理热是热损失中主要部分。当鼓风量过大时(即空燃比α偏大)，虽然能使燃料充分燃烧，但烟气中过剩空气量偏大，表现为烟气中O2含量高，过剩空气带走的热损失Q1值增大，导致热效率η偏低。与此同时，过量的氧气会与燃料中的S、烟气中的N2反应生成SO2、NOX等有害物质。而对于轧钢加热炉，烟气中氧含量过高还会导致钢坯氧化铁皮增厚，增加氧化烧损。

      当鼓风量偏低时(即空燃比α减小)，表现为烟气中O2含量低，CO含量高，虽说排烟热损失小，但燃料没有完全燃烧，热损失Q2增大，热效率η也将降低。另外，烟囱也会冒黑烟而污染环境。

      所谓提高燃烧效率，就是要适量的燃料与适量的空气组成至佳比例进行燃烧。热效率与烟气中的CO、O2、CO2含量以及排烟温度、供热负荷、雾化条件等因素有关。因此，可通过测量并控制烟道气体中CO、O2、CO2的含量来调节空气消耗系数λ，来达到至高燃烧效率。

      燃烧效率控制由来已久，上世纪60年代，曾广泛采用CO2分析仪监测烟道气体中CO2含量来控制空气消耗系数λ以达到至佳，但CO2含量受燃料品种影响较大。70年代后，逐渐采用烟气中O2含量或O2含量和CO含量相结合的方法来控制燃烧效率。

      提高燃烧效率直接的方法就是使用烟气分析仪器(如烟气分析仪、燃烧效率测定仪、氧化锆氧含量检测仪)连续监测烟道气体成分，分析烟气中O2含量和CO含量，调节助燃空气和燃料的流量，确定至佳的空气消耗系数。

一，概述

      氧化锆烟气氧量分析仪是近几十年发展起来的测氧器，因其具有结构简单、维护方便、反应速度快、测量范围广等特点，而广泛应用于电力、冶金、供暖、建材、电子等部门，分析各种工业锅炉及窑炉中烟气的氧含量，提高燃烧效率，节约能源，减少环境污染。

      氧化锆氧量分析仪由转换器和检测器（俗称氧探头）组成，在检测器的核心元件氧化锆浓差电池上，采用了纳米材料和的生产工艺，在电涂层上添加抑制电老化的添加剂。大大提高了氧化锆测量探头的精度和使用寿命。检测器采用直插式探头结构，不需取样系统，能及时反映锅炉内燃烧状况，如与自控装置配合使用，可有效地控制燃烧状况。转换器采用单片机智能化设计，汉字液晶显示，使数据显示、功能控制更具有人性化；可与各类型DCS数据接入设备连接。使仪表的操作变的简单，容易掌握。

      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。

二，工作原理

      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。氧化锆分析仪的构成是由氧传感器(又称氧探头、氧检测器)、氧分析仪(又称变送器、变送单元、转换器、分析仪)以及它们之间的连接电缆等组成。

三，主要原理

      氧化锆分析仪探头是利用氧化锆浓差电势来测定氧含量的传感器，其核心的氧化锆管安置在一微型电炉内，位于整个探头的顶端。

      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。因其这一特性，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。在实际的氧探头中，空气流经外电，烟气流经内电，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上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电反应:

                                       O(P0)+4e-→2O-2

      氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电上发生相反的电反应:

                                       2O-2 →O(P0)+4e-

      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:

                                       E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)

式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管温度(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。 在理想状态下，当被测烟气与参比气浓度一样时， 其输出电势E值为 0 mV, 但在实际应用中，锆管实际条件和现场情况均不是理想状态。 故事实上的锆管是偏离此值的。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， 此值的大小又在不同温度下呈不同的值， 并且随锆管使用期延长而变化。 因此， 如不对此情况处理，会严重影响整套测氧仪的准确和探头寿命。

四，氧化锆分析仪探头的构造

      氧化锆(ZrO2)是一种陶瓷，一种具有离子导电性质的固体。在常温下为单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶型转变为立方晶体，同时约有7%的体积收缩;当温度降低时，又变为单斜晶体。若反复加热与冷却，ZrO2就会破裂。因此，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，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失去电子显正电，而氧分压低的一侧铂电得到电子显负电，因而在两铂电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。

      氧化锆氧分析仪具有结构和采样预处理系统较简单、灵敏度和分辨率高、测量范围宽、响应速度较快等优点。

     检测器由防尘装置、氧化锆管、加热炉、热电偶、气体导管、接线盒以及壳体等主要部件组成。整个装置采用全封闭型结构，以增加整个装置的密封性能，提高使用寿命。对高粉尘的检测环境，为达到更好的过滤效果，加装了多孔陶瓷过滤器。

    检测器内的氧化锆管是核心元件 ，属陶瓷易碎品，运输和安装使用过程中应避免剧烈震动，以免损坏。检测器内加热炉的作用是提供氧化锆元件正常工作所需的温度，为延长加热炉的寿命，在工艺上作了特殊的处理。因检测器本身带有加热装置，从而在低于700℃的环境中能正常工作。

五，氧化锆分析仪探头的安装条件

  5.1氧量检测器的现场安装条件

      避开震动场合；

      环境温度要在仪器规定范围内；

      接线盒要避开高辐射热源；

      尽可能避开腐蚀性气体；

      要有足够的工作空间；

5.2  取样点的位置选择

      取出的气样能快速反映工艺状态的变化情况，即气体要具有代表性。

      为避免SO2 的冷凝，取样点气体温度应高于300℃，其范围为300—600℃  至佳。

      取样点的温度、压力、流量等参数不应变化太大。

      取样探头的长度应达到烟道直径的1/3。

      切忌在管道、烟道底部开口取样。

      取样点的附近炉堂、烟道应无泄漏，否则将造成测量误差。

      要选择在易于维护、检修的地方。

5.3 氧量检测器的安装

      预先加工好带法兰的设备短接管，孔径为Φ76，长度约为400mm。按要求选好取样位置(炉壁或管道)，开一个Φ76 的孔，将短接水平焊接到炉壁上，焊接时要保证焊接处不漏气。把检测器插入短接管中，接管法兰与检测器法兰之间垫上2—4mm 厚的石棉垫，旋紧4 个螺栓，使其不漏气即可。

  ※注意: 新建炉膛或烟道要等几次烘炉干燥后再安装氧探头，否则，过于潮湿的烟气可能降低新探头使用寿命。

   由于探头的参比气是靠空气自然对流提供的,探头必须水平安装, 参比气和标准气接口相应朝下.探头端部防护套管的缺口位置(可调整方向)也应垂直向下,以防积灰.

六，主要特点

   1、传感器氧化锆锆头采用高温陶瓷焊接技术，避免了热应力破坏。

   2、氧化锆探头采用全321不锈钢(1Cr18Ni9Ti)护套，具有至佳的耐磨及耐蚀性，探头可以根据现场使用情况进行订做。

   3、直插式:无需取样系统，响应快，有效的降低烟气中灰份堵塞，并且能承受更高的温度。

   4、热扩散参比:无需专门的参比空气泵，使用维护简单。

   5、双参数设计:克服国产氧化锆性能离散性，测量准确，延长使用寿命。

   6、工况在线校准:准确可靠，单标气在线校准方便，工况点可直接标定，测量。

   7、热惰性保护:安装方便，可热安装，对停启炉适应性强。

   8、元件可拆:元件更换方便，便于维修，降低使用成本(防爆的氧化锆分析仪检测器部分为一体化设计，不可随意拆卸)。

   9、多功能显示:氧含量(%); 氧电势;温度，本底电势参数数显直观方便

   10、双量程:同时具有0-10% 和0-20.6%双量程，测量范围广，量程可在出厂时进行调整。

   11、双输出:同时具有开关量节点输出和4-20mA两档输出。

   12、负载大:750欧/4-20mA,便于远程安装。

   13、本底电势可调，调节范围宽，可随时检查元件老化等参数。

   14、全浮式设计:共模输入，抗电场干扰性强，无需专用地线，安装方便。

   15、产品系列化适应性强:可适用于燃气、燃油、燃煤各种炉型。测量温度从室温至1300度均可选择到合适的型号。

      

 

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