Princípio de funcionamento e manutenção do analisador de oxigênio de zircônia

Tipo de estrutura e princípio de funcionamento da sonda de oxigênio de zircônia

De acordo com os diferentes métodos de detecção, as sondas de oxigênio de zircônia são divididas em duas categorias: sonda de oxigênio para detecção por amostragem e sonda de oxigênio para inserção direta.

1. Sonda de oxigênio do tipo detecção por amostragem

O modo de detecção por amostragem consiste em conduzir o gás a ser medido para a câmara de detecção de óxido de zircônio através de um tubo guia, onde o óxido de zircônio é aquecido até a temperatura de trabalho (acima de 750 °C) por um elemento de aquecimento. A zircônia geralmente apresenta formato tubular e o eletrodo é de platina porosa. A invenção apresenta como vantagens o fato de não ser afetada pela temperatura do gás detectado, permitindo a detecção do teor de oxigênio em gases com diferentes temperaturas através da utilização de tubos guia de fluxo distintos, o que confere flexibilidade para diversas aplicações industriais de detecção em linha. A desvantagem reside no tempo de resposta lento. A estrutura complexa pode afetar a precisão da detecção. O tubo de amostragem é propenso a obstruções quando há muitas impurezas no gás detectado. O eletrodo de platina porosa é suscetível à corrosão por enxofre e arsênio presentes no gás, bem como à obstrução por partículas finas de poeira. O aquecimento geralmente é feito por fio elétrico, o que limita sua vida útil.

Quando a temperatura do gás detectado é baixa (0-650°C) ou o gás detectado é limpo, o método de detecção por amostragem é adequado, como a medição de oxigênio por uma máquina de produção de nitrogênio e a medição de oxigênio em laboratório, etc.

2. Sonda de oxigênio para detecção por inserção direta

A detecção por inserção direta consiste na inserção direta de zircônia no gás a alta temperatura para detectar diretamente o teor de oxigênio presente no gás. Este método de detecção é adequado para gases com temperatura entre 700 °C e 1150 °C (uma estrutura especial também pode ser usada para temperaturas de até 1400 °C). A alta temperatura do gás é utilizada para elevar a zircônia à temperatura de operação sem a necessidade de um aquecedor (Figura 3). A principal tecnologia da sonda de oxigênio por inserção direta reside na vedação em alta temperatura e na adaptação do eletrodo ao material cerâmico. A estrutura de dois tipos de sondas de oxigênio por inserção direta é apresentada a seguir.

(1) Tubo de zircônia integral

O formato foi desenvolvido a partir do tubo de óxido de zircônio utilizado no método de detecção por amostragem, ou seja, o tubo original de óxido de zircônio foi alongado para que o óxido de zircônio pudesse ser diretamente inserido no gás a ser medido em alta temperatura. Essa estrutura elimina a necessidade de considerar o problema de vedação em altas temperaturas.

(2) Sonda de oxigênio de zircônia do tipo de inserção reta

Devido à necessidade de inserir a zircônia diretamente no gás de detecção, o comprimento da sonda de oxigênio apresenta requisitos mais rigorosos, sendo seu comprimento efetivo de aproximadamente 500 mm a 1000 mm, podendo chegar a 1500 mm em ambientes especiais. A precisão dos testes, a estabilidade operacional e a vida útil são exigências muito elevadas. Por isso, a sonda de oxigênio de inserção direta dificilmente adota a estrutura tubular de zircônia tradicional, sendo mais comum a utilização de uma estrutura com conexão entre a zircônia e um tubo de alumina, que exige maior rigor técnico. A vedação é uma das tecnologias mais importantes para essa sonda de oxigênio de zircônia. Atualmente, o método de conexão mais avançado consiste na soldagem permanente dos tubos de zircônia e alumina, o que proporciona excelente vedação. Comparada ao método de detecção por amostragem, a detecção por inserção direta apresenta vantagens significativas: o óxido de zircônio entra em contato direto com o gás, oferecendo alta precisão de detecção, resposta rápida e baixa necessidade de manutenção.

Aplicação industrial da sonda de oxigênio

1. Aplicação de Caldeiras Industriais e Fornos de Aquecimento

Ao utilizar uma sonda de oxigênio, existem duas maneiras de introduzir o gás a ser medido: por inserção direta e por amostragem. O método de inserção direta apresenta um tempo de resposta curto, dispensa o uso de aquecedor, possui estrutura simples, tamanho reduzido e é portátil, porém requer a detecção simultânea da temperatura do gás. Já o método de amostragem, por controlar a temperatura da sonda de oxigênio através de um aquecedor, oferece alta precisão de medição e operação confiável, mas o tempo de resposta depende da vazão do gás.

O analisador de oxigênio de inserção direta tem sido amplamente utilizado na determinação do teor de oxigênio nos gases de combustão de caldeiras e fornos de reaquecimento (Figura 4). A sonda de oxigênio utilizada para esse fim adota principalmente uma estrutura tubular, podendo o tubo ser aberto em ambas as extremidades ou em apenas uma, sendo esta última a mais comum no mercado atualmente. Eletrodos porosos de Pt são revestidos nas paredes interna e externa do tubo de ZrO2, e os eletrodos interno e externo se estendem até a extremidade do tubo. Fios de NiCr são conectados na extremidade do tubo como saída de sinal, controlando assim o sistema de combustão para realizar uma combustão com baixo teor de oxigênio, atingindo os objetivos de reduzir a perda de calor e economizar energia.

Instalação de um sensor de oxigênio

A instalação correta é fundamental para garantir o funcionamento confiável do sensor de oxigênio. Muitos problemas de uso são causados ​​pela instalação inadequada do sensor de oxigênio.

1. Ponto de medição da amostragem

A determinação do ponto de medição é a tarefa principal, que deve seguir os seguintes princípios:

(1) O ponto de medição selecionado requer que o gás detectado no forno possa ser refletido corretamente, de modo a garantir a autenticidade do sinal de saída do sensor de oxigênio e evitar o ângulo morto do ar de retorno o máximo possível;

(2) O ponto de medição não pode estar muito perto do ponto de combustão ou do bocal, e o gás nessas partes está em intensa reação, o que fará com que o valor de detecção do sensor de oxigênio flutue e distorça bruscamente; Não fique muito perto de equipamentos geradores de ar, como ventiladores, para não danificar o sensor pela vibração do motor;

(3) A invenção pode evitar ser colocada em uma posição de possível colisão, de modo a evitar danos à sonda por colisão e garantir a segurança do sensor.

2. Modo de instalação e conexão do sensor de oxigênio

(1) A instalação da sonda de oxigênio pode ser feita na horizontal ou na vertical, sendo a instalação vertical a ideal. Independentemente do modo escolhido, a direção da placa guia do tubo de amostragem da sonda deve estar o mais alinhada possível com a direção do fluxo de ar medido. Na instalação inicial, a direção básica é determinada com base no conhecimento do processo. Após o sistema ser ligado para aquecer a sonda, a direção do tubo de amostragem é girada e a flutuação do potencial de oxigênio de saída é observada com um multímetro digital para determinar a melhor direção de guia.

(2) A junta usada para a instalação do sensor de oxigênio é uma junta de flange especial, e a almofada de amianto é colocada para ser pressionada para garantir a vedação, caso contrário, como o forno comum é de pressão negativa, o vazamento na junta de flange pode afetar a precisão da medição ou causar flutuação do sinal.

(3) O cabo de saída do sensor de oxigênio deve ser preferencialmente blindado para eliminar interferências. A melhor maneira é usar dois cabos de dois condutores: um cabo blindado para a saída do sinal de oxigênio e um cabo de controle KVV para controlar o aquecimento da sonda. Caso não haja interferências em campo, um cabo KVV de 4 condutores pode ser usado diretamente para conectar o sinal de oxigênio da sonda ao terminal de aquecimento.

(4) A porta de gás padrão da sonda de oxigênio normalmente está fechada e só é usada quando o gás é calibrado; a porta de ar comprimido é conectada a uma bomba de ar ou a uma tubulação de ar comprimido. A entrada de ar da porta de ar comprimido é geralmente controlada por uma válvula, como uma válvula eletromagnética. A válvula é aberta uma vez a cada determinado período, introduzindo o gás em um tubo de amostragem de ar comprimido. A válvula é fechada quando a sonda realiza a detecção normal, impedindo a entrada de qualquer outro gás no tubo de amostragem. O fabricante da sonda de varredura de ar comprimido deve garantir que o ar comprimido utilizado não contenha água, ou seja, o ar comprimido deve ser separado da água.

Utilização e manutenção de sensores de oxigênio

1. Conexão do controle de aquecimento

A sonda de oxigênio do tipo amostragem só funciona normalmente após o sensor de oxigênio ser conectado ao controlador de aquecimento. No estado frio, a saída é um sinal aleatório, sem qualquer significado. Após a conexão do sensor de oxigênio ao controlador de aquecimento, a detecção normal de gás pode ser iniciada à temperatura ambiente. Geralmente, a sonda é zerada à temperatura ambiente. Após o aquecimento, a sonda mede o ar e utiliza um multímetro digital para medir o valor em milivolts da saída da sonda. Esse valor representa o desvio da posição zero da sonda e deve ser adicionado ao instrumento de medição para corrigir a concentração de oxigênio exibida.

2. Considerações ao instalar ou substituir um sensor de oxigênio

Ao instalar ou substituir um sensor de oxigênio, o valor exibido na tela do analisador de oxigênio deve ser corrigido. Sem essa correção, a concentração de oxigênio detectada pelo analisador pode divergir da concentração real após a instalação do novo sensor, afetando a medição.

3. O princípio e o método de correção da concentração de oxigênio.

A saída do sensor de oxigênio é a concentração do gás medido e o valor da diferença de potencial em relação ao ar padrão, que chamamos de potencial de oxigênio. Esse valor de potencial no ponto zero (ou seja, na medição do ar) pode apresentar desvios devido à diferença inicial de potencial de saída da sonda. Além disso, a conversão do potencial de saída para a concentração de oxigênio de saída, por meio do modelo, pode gerar erros. Portanto, a calibração do sinal da sonda em um analisador de oxigênio é essencial. Caso contrário, haverá uma grande discrepância entre a concentração de oxigênio e a concentração real do gás medida, o que pode não atender às necessidades da produção em campo e até mesmo influenciar negativamente o controle produtivo.

A correção específica geralmente é realizada com gás padrão. O método consiste em introduzir o gás padrão, confirmado pela medição, na sonda através da porta de gás padrão. Nesse momento, mede-se o potencial de oxigênio de saída e a concentração de oxigênio exibida no instrumento. A concentração de oxigênio exibida no instrumento deve ser igual à concentração do gás padrão. Caso haja alguma discrepância, o parâmetro de linearidade do instrumento é corrigido. A medição com gás padrão requer pelo menos três sistemas de calibração com gás padrão de concentrações diferentes, para que a linearidade do sistema seja corrigida repetidamente por meio de três calibrações, garantindo assim o funcionamento normal do sistema.

4. Efeito do acúmulo de poeira no sensor de oxigênio e método de purga e limpeza

Como o sensor de oxigênio é um dispositivo de detecção e medição online de longo prazo, a poeira produzida pela caldeira e outros equipamentos (especialmente fornos de combustão de carvão ou fornos de queima de pólvora, etc.) bloqueará o tubo de amostragem de gás, resultando em distorção numérica da medição, podendo até mesmo impossibilitar a medição. Nesse caso, é necessário escanear regularmente a poeira no tubo de amostragem, medindo o comprimento e o tempo de escaneamento para determinar o grau de deposição de cinzas. Esse método de varredura requer que o analisador de oxigênio possua a função correspondente ou um dispositivo de manutenção do sensor de oxigênio compatível. Caso contrário, pode-se instalar válvulas manuais para controlar o fluxo de ar comprimido ou uma bomba de ar para injetar regularmente ar na porta de sopro e remover a poeira da sonda. No entanto, nesse caso, é preciso atentar para as seguintes situações:

(1) Como o potencial de oxigênio do sensor de oxigênio diminuirá no processo de purga, o mínimo possível será reduzido para 1, 2 mV, neste momento o potencial de oxigênio detectado não representa a atmosfera no forno, este ponto deve ser observado.

(2) A vazão de ar de varredura deve garantir a remoção da fuligem, e o valor de saída do potencial de oxigênio do sensor de oxigênio pode ser observado durante a varredura. Se o valor do potencial de oxigênio não diminuir, isso indica que a vazão de ar está muito baixa, a poeira não foi removida e o tubo de varredura deve ser ajustado ou verificado.

(3) O canal da abertura de sopro comunica-se diretamente com o forno e, após o término do sopro, a válvula deve ser fechada, o orifício de sopro deve ser bloqueado e deve-se impedir a entrada de ar com pressão negativa no forno, o que afetará a detecção do sensor de oxigênio.

Ao analisar a qualidade do sensor, deve-se considerar o sensor de oxigênio como um componente de detecção independente. Para medir o potencial de oxigênio do sensor, todos os fios conectados a ele devem ser desconectados, e o potencial de oxigênio deve ser medido diretamente na saída do sensor por um multímetro digital com alta resistência interna. Os valores obtidos são comparados com os valores de uso normal.

Operação real

Desde 2003, o forno de craqueamento da nossa planta utiliza o analisador de zircônia de inserção direta de alta temperatura ZGP2+ZDT, usado principalmente para medir o teor de oxigênio nos gases de combustão. Este analisador participa do controle da combustão no forno de craqueamento, e sua operação tem se mostrado estável e confiável. Em maio de 2005, constatou-se um desvio relativamente grande nos valores indicados, todos positivos. A causa foi identificada como um vazamento na linha de gás, com o gás de ponto zero sendo admitido na linha de gás padrão. O vazamento foi detectado no medidor de vazão do rotor. Devido à pressão negativa no sistema de medição, o ar externo entrava, resultando em uma alta fração volumétrica de oxigênio no ar e, consequentemente, em um valor medido elevado, o que indicava que o processo estava normal. Algumas observações importantes para a prática são apresentadas a seguir:

⑴O tubo de zircônio precisa funcionar normalmente a 750 °C, portanto, o instrumento deve manter a temperatura constante.

⑵Sem vazamentos em gasodutos

⑶Mantenha a pressão do injetor estável em 0,15 MPa

⑷ A fonte de gás do ejetor deve estar fechada quando o gás padrão for verificado e aberta durante a medição.

⑸A presença de H2, CO, CH4 e outros gases combustíveis no gás de medição fará com que o resultado da medição seja menor.

Conclusão

O instrumento de medição de oxigênio de zircônia possui as vantagens de estrutura simples, tempo de resposta curto, ampla faixa de medição, alta temperatura de uso, operação confiável, instalação conveniente e baixa necessidade de manutenção, etc.

Portanto, tem sido amplamente utilizado em metalurgia, indústria química, energia elétrica, cerâmica, indústria automobilística, proteção ambiental e outros setores industriais.