氧化锆氧分析仪及其应用

    1　引　言

    在工业生产过程中,很多地方需要测量氧含量,特别是燃烧过程、氧化反应和生化处理等生产过程,测量和控制混合气体中的氧含量具有十分重要的作用。例如,通过对烟道气中氧含量的测定来控制锅炉燃烧过程,可以提高锅炉燃烧的热效率;又如在污水处理场的生化过程中,控制一定含氧量的混合气体,使某种微生物大量繁殖,以促进生化过程。

    氧分析仪有很多种^[1],譬如磁导式氧分析仪、氧化锆氧分析仪和微量氧分析仪等,这里主要介绍氧化锆氧分析仪。由于氧化锆测量探头可以直接插入烟道内、不需要取氧系统,故能迅速反映锅炉或窑炉内的燃烧状况,它与调节器等自控装置配合使用后,可构成闭环氧量控制系统,实现低氧燃烧控制,从而达到节约能源,减少环境污染等效果。

    2　工作原理及结构

    氧化锆氧量分析仪由氧化锆探头和氧量变送器两部分组成[2]。氧化锆氧量分析仪的核心部件是氧化锆固体电解质氧浓差电池。氧浓差电池由参比半电池和测量半电池组成,两个半电池间用氧化锆固体电解质连接,实际上,就是1根氧化锆管。涂于氧化锆管内外壁上的多孔性铂膜作为两个半电池的电极,供引出氧浓差电势用。

    氧化锆固体电介质是在氧化锆中掺入一定量的化学纯CaO(含量15%,使氧化锆阻抗性能稳定,热振性好,也可以掺入MgO或Y2O3等),经高温焙烧后形成的置换式固溶体。它是一种金属氧化物陶瓷,其晶型为稳定的营石型立方晶系,温度变化时,其晶型保持不变。氧化钙固溶在氧化锆中,取代了部分氧化锆进入晶胞,由于氧化钙所含氧离子数仅为氧化锆的50%,因此,在固溶体中形成大量的氧离子空穴。在数百摄氏度的高温下(470~500℃),氧化锆固体电解质成为良好的氧离子导体。此时,如果氧化锆管内外两侧两个半电池中氧体积分数(或氧分压)不同,由于高氧侧气体中氧分子的自由能大于低氧侧气体中氧分子的自由能,高氧侧气体中氧分子就要向低氧侧气体中运动。在运动过程中,当氧通过高氧侧半电池的铂电极时,从该铂电极上吸收电子,变成氧离子(还原反应),该铂电极因此而带正电。生成的氧离子通过固体电介质中的氧离子空穴迁移到低氧侧固体电介质的表面。在低氧侧半电池的铂电极上,氧离子给出电子变成氧原子(氧化反应),氧原子合成氧分子进入低氧侧气体中去。低氧侧半电池的铂电极因得到电子而带负电。原理如图1所示。

    当电解质的氧离子迁移率t1=1时,对于理想气体,上述反应所产生的电动势E可用能斯特公式(1)表示:

    由式(1)可知,若T被控制在某一定值(一般为700~800℃),并选定一种已知氧体积分数的气体(如空气)作为电介质阴极侧的气体,即φO为已知的参比气体时,则测得氧浓差电势E,即可得知待测气体的氧体积分数φX。