电化学式氧分析仪 氧化锆

当燃烧不正常烟气中可燃性气体含量较高时，与高温氧化锆探头 接触甚至可能发生起火、爆炸等危险。
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以前，这种场合一般采用抽吸取样＋顺磁式氧分析器的方式进行测 量，例如早期的乙烯裂解炉、以天然气为原料的合成氨一段转化炉等 就是如此。
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0.049(267.315t)lg20.6
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(7-3)
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实际工作中，可按式(7-3)计算氧化锆探头理论电势输 出值。例如，氧化锆探头的工作温度为750℃，c0为20.6%， 则电池的氧浓差电动势E为
E50.74lg20.6
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(7-4)
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表7-1 氧化锆探头理论电势输出值
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7.2 氧化锆氧分析器的 类型和适用场合
O2(p0)+ 4e → 2O2p0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。
来自百度文库
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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p1侧发生氧化反应，氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分 子析出，即
2O2- → O2(p1)+ 4e p1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，称之为氧浓差电动 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。
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从上式可以看出，当参比气体中的氧含量c0=20.6%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。被测气体中的氧含量越 小，氧浓差电动势越大。这对于测量氧含量低的烟气是有利的。把上式 中的自然对数换为常用对数，得
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E230.52 lg 0.049T6lg
4F c1
纯氧化锆(ZrO2)不导电，掺杂一定比例的低价金属 物作为稳定剂，如氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化 钇(Y2O3)，就具有高温导电性，成为氧化锆固体电解 质。
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图7-1 氧离子空穴形成示意图
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7.1.2 氧化锆氧分析器的测量原理
在一片高致密的氧化锆固体电解质的两侧，用烧结 的方法制成几微米到几十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， 如图7-2所示。
如果电池左侧通入参比气体(空气)，其氧分压为p0； 电池右侧通入被测气体，其氧分压为p1(未知)。
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图7-2 氧浓差电池原理图
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设p0＞p1，在高温下(650～850℃)，氧就会从分压大的p0侧向分压 小的p1侧扩散，这种扩散，不是氧分子透过氧化锆从p0侧到p1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p0侧发生还原反应，一个氧分子从 铂电极取得4个电子，变成两个氧离子(O2-)进入电解质，即
抽吸式氧化锆氧分析器仅适用于燃油炉和烟尘含量较小的燃煤 炉。
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(2) 用于燃气炉
直插式氧化锆氧分析器可用于燃煤炉、燃油炉，但不适用于燃气 炉。
这是由于采用天然气等气体燃料的炉子，烟道气中往往含有少量 的可燃性气体，如H2、CO、CH4等。氧化锆探头的工作温度约在 750℃左右，在高温条件下，由于铂电极的催化作用，烟气中的氧会 和这些气体成分发生氧化反应而耗氧，使测得的氧含量偏低。
(1) 用于烟气温度700～1400℃的场合 例如，钢铁厂的有些加热炉烟气温度高达900～1400℃，这种场合就 不能采用直插式探头进行测量，而将高温烟气从炉内引出，散热后温 度降低，再流过恒温的氧化锆探头就可以获得满意的结果。
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但需注意的是，我国电厂的蒸汽锅炉及工业锅炉大部分都是燃 煤炉， 烟尘量大。采用抽吸式氧化锆氧分析器时，易造成取样管 堵塞，维护量较大。这种场合，如烟气温度在700～900℃范围， 仍应采用高温直插式氧化锆探头。
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7.1.3 氧化锆探头的理论电势输出值
E100R0 Tlnp0 nF p1
(7-1)
E——氧浓差电动势，mV； R——气体常数，8.3145 J/mol·K； T——氧化锆探头的工作温度，K（K = 273.15+ 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。
根据氧化锆探头结构形式和安装方式的不同， 可把氧化锆氧分析器分为直插式和抽吸式两类，就 使用数量而言，目前大量使用的是直插式氧化锆氧 分析器。
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7.2.1 直插式氧化锆氧分析器
将探头直接插入烟道中进行分析。直插式探头又有以下 几种类型。
(1) 中、低温直插式氧化锆探头 这种探头适用于烟气温度＜700℃(最佳烟气温度350～ 550℃)的场合，探头中自带加热炉(自热式)。主要用于火 电厂锅炉、6～20t/h工业炉等，是目前国内用量最大的一 种探头。
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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
E1000RTlnc0
(7-2)
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c0——参比气体中氧的体积百分含量，一般用空气作参比气，取 c0=20.6%（干空气氧含量为20.9%，25℃、相对湿度50%时，氧含量 约为20.6%）；
c1——被测气体中氧的体积百分含量，O2%。
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(2) 高温直插式氧化锆探头
这种探头本身不带加热炉(旁热式) ，靠高温烟气加热， 适用于700～900℃的烟气测量，主要用于电厂、石化厂燃 煤炉、燃油炉等高温烟气场合。
当燃烧系统不稳定时，这种探头易受烟气温度波动的影 响，应用受到一定限制。
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7.2.2 抽吸式氧化锆氧分析器
这类分析器的氧化锆探头安装在烟道壁或炉壁之外，将烟气抽出后 再进行分析。它主要用于以下两种场合。
第7章 电化学式氧分析器(上)
讲师： 王 森
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7.1 氧化锆氧分析器的测量原理 7.2 氧化锆氧分析器的类型和适用场合 7.3 直插式氧化锆氧分析器 7.4 抽吸式氧化锆氧分析器
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7.1 氧化锆氧分析器的测量原理
7.1.1 氧化锆的导电机理
电解质溶液靠离子导电，具有离子导电性质的固体 物质称为固体电解质。固体电解质是离子晶体结构， 靠空穴使离子运动而导电，与P型半导体靠空穴导电的 机理相似。