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1   测量原理    
      氧化锆氧量分析仪(又称氧化锆氧分析仪、氧化锆分析仪、氧化锆氧量计、氧化锆氧量表),主要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度,同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。在传感器内温度恒定的电化学电池(氧浓差电池,也简称锆头)产生一个毫伏电势,这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。    
      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。   
      在额定的温度下,电池输出电势用下面的公式计算(Nernst方程):
       RT    P1
 mV=---- Ln---- +C 
       4F    P2
式中 
P1──在电池内侧参比气体(如空气)的氧分压;      
P2──在电池外侧被测气体(如烟气)的氧分压;      
R-----气体常数;      
F-----法拉第常数;      
T-----绝对温度=( 273 + t ℃);      
C-----电池常数。    
      参比气体应为干燥清洁无油的空气( 含氧20.60% )。在参比气侧与被测气体侧氧浓度不同时,氧离子从高的一侧迁移到低的一侧。电池输出就以对数的规律反应出被测气体中的氧浓度值。
 
2    系统组成
      氧化锆氧量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。
2.1     氧传感器             
      传感器装置由金属外壳、测量电池、加热器、热电偶、过滤元件以及电缆接线端子等组成。测量电池本体分为3层:铂(电极)─氧化锆(电解质)─铂(电极)。铂电极是多孔性的。烟道气体通过过滤器或校验气体通过传导管进入测量电池被测气体一侧,而另一侧为参比空气(含氧20.60%)。 两种含氧浓度不同的气体作用在测量电池,便产生一个以对数为规律的电势(两侧的氧浓度差愈大, 电势信号愈大)。毫伏信号经氧分析仪转换成0—10mA或4-20mA标准电流。此电流由氧分析仪接线端子输出。
测量电池的工作温度设置为高于650℃的恒定温度, 为了保持工作温度恒定,用一支K型热电偶测量电池的工作温度,经氧分析仪内的温度控制器调节加热器的加热电压。 当测量烟气温度高于700℃时,传感器组成中省去加热器和测温热电偶。
2.2     氧分析仪    
      为了使测量电池的工作温度达到700℃,氧分析仪接受传感器中的K型热电偶输出的温度mV信号,与微处理器预置温度(毫伏)相比较,从而控制电池温度。氧分析仪采用环境温度作为热电偶冷端比较点。     氧分析仪对氧传感器输入的氧mV信号进行放大,然后将放大的电压信号经过 A/D转换器转换为数字信号。根据氧分析仪预先校准或者预置的氧传感器测量电池的特性曲线,微处理器将数字信号转变为相应的氧浓度值并显示在氧分析仪显示屏上,同时,将数字信号转变为线性标准模拟电流信号0—10mA或4-20 mA输出。
      氧分析仪在运行中连续不断地进行系统自检,而通过电缆对传感器进行温度控制、过热保护和故障监督。若有故障出现,在分析仪仪显示屏上显示出故障。
 
氧化锆氧分析仪的经济效益和投资回报
      能源的节省从燃烧的过程中获得,仪器的输出控制燃料和空气的比例,使燃料在充分燃烧的同时又避免了因过氧带走大量的热量以及产生的COX、SOX、NOX排放,减少对空气的污染。由于这些有害气体与水混合后所产生的碳酸、硫酸和硝酸对锅炉管道设备的损害也得以控制。据澳洲电力研究机构计算,每降低2%多余的氧气,可节省1%—1.5%的能源。例如,先进的50万千瓦机组,一般用煤量200吨/小时,如按每年运行7500小时(85%),用煤量是1,500,000吨,按1.5%计算,每年可节省用煤量是22500吨/年,用户可计算,投资仪器的资金会很快得到回报。烟气氧量每理想化1%,节约燃料大约1%!
      众所周知空气中的氧含量百分比是20.9%,燃烧时需要氧气,当氧气不足时,燃烧时的碳元素不能充分与氧结合燃烧,从而产生大量的一氧化碳,不但浪费了能源,同时该气体非常危险,可致人死地,同样大量的一氧化碳可能引起爆炸。为了保证安全,一般情况下都是过氧燃烧,但是燃烧时过多的氧也会浪费大量的能源,燃烧时产生的热能会从烟道中白白地浪费掉,并且会污染空气和损坏设备。其原因是,燃烧时的氧从空气中获取,但空气中只有21%左右氧和78%氮和其它气体,燃烧时进风口(如无加热装置)一般就是环境温度(比如夏天40℃左右)。但炉内燃烧时的温度很高(比如电厂锅炉燃烧时可达1000℃左右)。空气参加燃烧时只有1/5的氧参与燃烧,而4/5其他气体被加热从40℃到1000℃后就从烟道中排出。当过氧燃烧时,空气中多余的氧根本没参与燃烧,只是被加热后白白的浪费了。据有关专业部门测定,烟道的气体中剩余含氧量的百分比,每1.5%百分比氧含量相当于1%热能被浪费了。尽管电厂的锅炉会利用烟道中的热能来予热进风口的空气,但只能回收很小一部分热能,大多数普通锅炉无此装置。这就是为什么监测烟道中或炉内的氧含量可有效的减少过氧燃烧。从而有效地节约大量的能源。比如讲国内电厂一般情况是在5%左右的过氧燃烧(指满负载时燃烧),但在澳大利亚大约是在 1.5-2%左右。一台30万千瓦的机组如果烟道中3%氧含量的减 少 ,每年至少有几百万美元的效益。
      煤中含有碳,硫以及空气中有78%左右氮。在高温燃烧时,由于过氧燃烧,会产生过量的二氧化碳,二氧化硫,三氧化硫,二氧化氮,三氧化氮(都与氧有关)。这些酸性气体排到大气中与空气中的水分子结合后,就会产生酸雨。其中特别是二氧化氮和三氧化氮与水结合后就成硝酸,其破坏力比硫酸更厉害。在澳大利亚,环保部门专门测定燃烧时的进气量,给予罚款来监控燃烧时排放的污染气体(酸性气体),其实空气中的酸性气体大部分是燃烧时产生的。在国外,比如澳大利亚,一辆保养好的汽车,十年左右油漆看上去依然光亮,但是国内的新车2-3年看上去相当旧了。其中酸雨是造成各种东西氧化,变旧和损坏的主要原因,另人体也会因 污染气体造成危害,其价值有时无法估算。
      由于锅炉中大部分的构造部件都是金属,当过氧燃烧时,同样过氧燃烧产生的酸性气体与炉内的水(20%左右水蒸汽)结合对金属部件造成很大的破坏和损坏。一般情况下国内的炉子使用寿命比国外短,另外维修更换部件的费用比国外高,其维修的费用是巨大的。
      由此可见,燃烧时氧含量的的监控相当重要。这也就是为什么国外公司非常重视氧的监测。在澳大利亚,通常情况下30万千瓦的机组,一般用8个氧探头来监测,而在国内很多电厂只用2个氧探头来监测左右两个烟道。但目前也意识到测氧的重要性,开始用4个氧探头,其实投资和回报的效益相比,微不足道。过去国内经常采用国内制造的产品(称氧量表)。由于技术上的原因,不能快速正确的测定氧含量。这也是很多电厂不太相信氧量的测定。随着改革开放,以及国内大量进口国外的机组用配套的氧气分析仪和氧化锆探头,明显感到了由于技术先进带来的回报和效益。
 
 
4   为什么N系列氧化锆探头品质超群?

     1、N系列氧化锆探头设计独特,其氧化锆探芯有独特的性能,非常坚固和耐用。
     2、一般的氧化锆探头采用把很短的氧化锆锆头从探头的前部装入,然后通过机械密封的方法装配。
由于氧化锆是陶瓷材料,在锆头局部有加热器,在高温条件时由于金属密封材料与陶瓷材料的热膨涨系数不同,此时热应力就很容易引起锆头破裂漏气。这是国内外探头普遍存在问题。
     3、N系列氧化锆探头结构完全不同,采用陶瓷焊接法(专利技术),把氧化锆片焊接在钢玉瓷管上成为一体,氧化锆探芯长度接近探头长度。由于钢玉的热震性和机械强度是陶瓷材料中最好的,因此氧化锆探芯质量大大提高。
     4、N系列氧化锆探头采用从后面装入探芯的方式。由于不是在前端高温部位密封,而是从靠近接线盒的后面密封,后部温度相对较低,可以有效的密封,这样彻底解决了热应力引起锆头破裂漏气的问题,使得探头质量大大提高,测氧范围扩展10-30—100%。
     5、N系列带加热器的氧化锆探头211使用温度高达900℃,大大高于一般的氧化锆探头的600℃限制。213陶瓷外壳探头可工作在1400℃,而其他高温氧化锆探头只能采用将锆头安装在探头尾部低温处,通过引流方式测量,不是真正的直插式探头。事实上,N系列探头的探芯本身能承受的温度高达1700℃。因此N系列也特别适合诸如冶金钢铁陶瓷金属热处理等高温炉子的使用情况 。
      6、一般的氧化锆探头的电极引线通常采用白金丝焊接的方式,但烟气中的硫对白金有腐蚀作用,含硫偏高时白金丝会腐蚀后断掉,另外硫也会腐蚀锆头的白金涂层(称氧化锆头中毒)。
      7、N系列氧化锆探头用特殊的涂层材料(电极抗硫性强),同时采用不同的电极接触方式,探头中的探芯采用自动伸缩的弹簧弹顶接触方式。该电极不会由于热胀冷缩以及硫腐蚀而出现问题,可靠性大大增强。
      8、由于一般的氧化锆探头采用前部安装方式。因此密封的氧化锆锆头须做成U字型,这样被测的烟气只有一个进出口,从而降低了测量的速度。
      9、N系列探头的氧化锆探芯采用前后透气的方式,形成气体流动通道,从而大大提高测量反应速度,通常提高6-8倍左右。探头不易被粉尘堵塞。
      10、其他厂家的氧化锆探头由于传感器漂移,需要定期校准维护,如果锆头没有破裂漏气,在每次校准后的一段时间内测量能保证精度,但漂移会使偏差随时间越来越大,导致测量误差越来越大,只能通过新的一次校准来校正。
     11、传感器漂移的根本原因是:在使用过程中,组成传感器的各个零件都会老化,材质发生变化,从而使互相接触的不同材料零件间的接触电势(热电势—热电偶效应)发生变化。如果温度场不均匀,随着零件的老化,热电势的变化就表现为漂移。
     12、无论多么好的产品,零件的老化是一定在发生的,N系列氧化锆探头也不能例外,只是老化速度慢一些而已,减慢老化速度不能从根本上解决传感器漂移问题。
     13、解决漂移问题的根本出路在于使探头内加热器加热的温度场保证锆头的烟气侧和参比气侧温度相同,这样就产生不了热电势(温差电势),漂移自然无从产生,N系列型氧化锆探头在结构上做到了温度场均匀,而其他所有氧化锆探头由于结构的原因很难做到这一点。
     14、由于传感器不漂移,N系列探头就免除了经常需要对探头进行校准的麻烦,而所有其他产品都需要定期校准维护。
 
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