氧化锆氧量分析仪

项目六氧化锆氧量计任务二十氧化锆氧量计的测量原理任务二十氧化锆氧量计一、测量原理氧化锆使用周期长（一年到两年），几乎没有延时，测量时仅受温度影响，容易克服，而且仪表本身输出电信号，精度比较高。现在电厂几乎全部使用氧化锆。氧化锆也称二氧化锆，分子是由一个锆原子和两个氧原子结合而成。纯净的氧化锆是不能进行氧量测量的，真正用于测量氧量的是在氧化锆中加入氧化钙（一氧化钙），这样就可以进行氧量测量。氧化锆(ZrO2)是一种固体电解质，具有离子导电特性。在常温下ZrO2是单斜晶体，当温度升高到1150℃时，晶体发生相变，由单斜晶体变为立方晶体，同时有不到十分之一的体积收缩。当温度下降时，又会发生反方向的相变而成为单斜晶体，因此氧化锆晶体是不稳定的。但在加入一定数量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3）等其它三价稀土氧化物，并经过高温焙烧后，便形成稳定的莹石形立方晶体结构，其晶形不再随温度而变化。而+2价的钙离子（Ca2+）或+3价的钇离子（Y3+）在进入ZrO2晶体后会置换出+4价的锆离子（Zr4+），从而在晶体中生成氧离子空穴，此空穴带正二价电荷，空穴的多少与掺杂量有关。当温度上升到数百度以上时，掺有氧化钙或氧化钇的氧化锆晶体便成为一种良好的氧离子导体，处于晶格点阵上的氧离子就可以通过晶格中的氧离子空穴而迁移。氧化锆测量含氧量的基本原理是利用所谓的“氧浓差电势”，即在一块氧化锆两侧分别附以多孔的铂电极(又称“铂黑”)，并使其处于高温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势。此电动势是由于固体电解质两侧气体的含氧浓度不同而产生的，故叫氧浓差电势，这样的装置叫做氧浓差电池。2p＞1p1p图6—1氧浓差电池原理氧浓差电池两侧分别为含氧浓度不同的两种气体。氧分子首先扩散到铂电极表面吸附层内，高温下在多孔铂电极中变成原子氧，然后扩散到固体电解质和电极界面上。由于固体电解质内有氧离子空穴，扩散来的氧原子便从周围捕获两个电子变成氧离子进入氧离子空穴，同时产生两个电子空穴。铂电极中自由电子浓度高且逸出功小，所以产生的两个电子空穴立即从铂电极上夺取两个电子而达中和。当氧离子空穴被氧离子填充后，形成一个完整的晶格结构。由于在电极上和固体电解质界面上氧离子空穴中氧离子浓度较高，在扩散作用下，进入氧离子空穴的氧离子还会跑出来，去填补靠近的氧离子空穴，空出来的位置又由新进入的氧离子所填补。这样直到氧离子到达另一电极，释放出两个电子成为氧原子，并与其它氧原子结合成为氧分子。应当指出，氧离子的这种扩散迁移是双向的，但由于氧浓差电池的两侧气体的含氧浓度不同，氧分压不同，所以总的趋势是氧离子从含氧浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，即氧从电极1上得到电子，通过氧离子空穴迁移到电极2后释放出电子，变为氧气。这时在电极1上（阴极——进行还原反应的电极）产生下列反应：（还原反应）到达电极2后，在电极2上（阳极——进行氧化反应的电极）将产生下列反应：（氧化反应）这样在电极上产生了电荷的积累，从而在两极板间建立了电场，此电场将阻止这种迁移的进一步进行，直至达到动态平衡状态，此时在两极板间形成电势。2224OeOeOO4222氧浓差电势的大小可由能斯特（Nerenst）公式计算得出：nFRTEln12pp式中——氧浓差电势（V）；——理想气体常数，为8.314J／（mol·K）；——法拉弟常数，为96487C／mol；——热力学温度（K）；——一个氧分子输送的电子个数，=4；——被分析气体（如烟气）的氧分压；——参比气体（如空气）的氧分压。如果被分析气体和参比气体的总压力均为p，则式（6—1）可写成nFRTElnpppp//12如果被分析气体和参比气体的总压力均为，则可写成由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即pp/11，pp/22所以（6—2）式可写为nFRTEln12（6—3）由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度2一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）1成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即pp/11，pp/22所以（6—2）式可写为nFRTEln12（6—3）由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度2一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）1成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。由于在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即则由上式可知，当氧浓差电池工作温度T一定，以及参比气体的氧浓度一定时，电池产生的氧浓差电势与被测气体的含氧浓度（即含氧量）成单值函数关系。通过测量氧浓差电势E就可以得到被测气体的含氧量。由于空气的含氧量为20.8%，且成本低廉，所以在分析炉烟中的含氧量时，一般常用空气作为参比气体。下图是以空气作为参比气体的情况下，不同温度下，氧浓差电势与被测气体的含氧量之间的关系。二、氧化锆传感器结构氧化锆传感器也称氧化锆探头，带恒温装置的氧化锆传感器结构示意图。一般使用时，氧化锆管内部通入参比气体——空气，外部则流过被经陶瓷过滤器过滤过的被测气体——烟气。陶瓷过滤器主要用来滤除烟气中的杂质颗粒（如烟尘、炭粉等）并可对信号起阻尼作用，防止指针抖动。烟道炉墙烟道炉墙新鲜空气导管氧化锆管内烟气流动方向氧量计外壳烟气流动方向氧化锆测量管热电偶电炉丝加热装置参比气入口标准气入口空气流动隔离板新鲜空气流动方向1—氧化锆管；2—内外铂电极；3—电极引出线；4—热电偶；5—氧化铝管；6—加热炉丝；7—陶瓷过滤器