Принцип работы и техническое обслуживание кислородного анализатора на основе диоксида циркония.

Тип структуры и принцип работы кислородного зонда на основе диоксида циркония

В зависимости от используемых методов обнаружения, кислородные зонды на основе диоксида циркония делятся на две категории: зонды для отбора проб кислорода и зонды для непосредственного введения в прибор.

1. Кислородный зонд пробоотборного типа

Принцип работы пробоотборного метода заключается в том, что измеряемый газ подается в камеру обнаружения на основе оксида циркония через направляющую трубу, а оксид циркония нагревается до рабочей температуры (выше 750 °C) с помощью нагревательного элемента. Оксид циркония обычно имеет трубчатую форму, а в качестве электрода используется пористый платиновый электрод. Преимуществами изобретения являются то, что оно не зависит от температуры измеряемого газа, а содержание кислорода в газах с различной температурой может определяться с помощью различных направляющих труб, что обеспечивает гибкость применения во многих промышленных системах онлайн-детектирования. Недостатками являются медленное время реакции, сложная конструкция, которая может легко повлиять на точность обнаружения, легкое засорение пробоотборной трубки при наличии большого количества примесей в измеряемом газе, а также подверженность пористому платиновому электроду коррозии, вызванной серой и мышьяком в газе, и засорению мелкодисперсной пылью. Нагреватель обычно нагревается электрическим проводом, и срок его службы невелик.

Когда температура детектируемого газа низкая (0-650 °C) или газ чистый, подходит метод отбора проб, например, измерение кислорода с помощью установки для получения азота или измерение кислорода в лаборатории и т. д.

2. Датчик кислорода с прямым введением

Метод обнаружения с прямым введением заключается в том, что диоксид циркония непосредственно вводится в измеряемый газ при высокой температуре для прямого определения содержания кислорода в газе. Метод обнаружения подходит для температуры измеряемого газа в диапазоне 700–1150 °C (специальная конструкция также может использоваться для высоких температур до 1400 °C). Высокая температура измеряемого газа используется для достижения диоксидом циркония рабочей температуры без использования нагревателя (рисунок 3). Ключевой технологией датчика кислорода с прямым введением является высокотемпературная герметизация и проблема электрода из керамического материала. Ниже представлена ​​структура двух типов датчиков кислорода с прямым введением.

(1) Цельная циркониевая трубка

Данная конструкция разработана на основе формы трубки из оксида циркония, используемой в методах отбора проб, то есть исходная трубка из оксида циркония удлинена, что позволяет напрямую подавать оксид циркония в измеряемый газ при высокой температуре. Такая конструкция исключает необходимость решения проблемы герметизации при высоких температурах.

(2) Кислородный зонд из диоксида циркония с прямым вставлением

Из-за необходимости непосредственного введения диоксида циркония в детектируемый газ, к длине кислородного зонда предъявляются более высокие требования: его эффективная длина составляет около 500–1000 мм, а в особых условиях может достигать 1500 мм. Точность измерения, стабильность работы и срок службы являются очень высокими требованиями, поэтому для кислородного зонда с прямым введением сложно использовать цельную трубчатую конструкцию из диоксида циркония, характерную для традиционных циркониевых кислородных зондов, и чаще применяется конструкция соединения между циркониевой и алюминиевой трубками с более высокими техническими требованиями. Герметичность является одной из важнейших технологий этого циркониевого кислородного зонда. В настоящее время наиболее передовым в мире способом соединения является постоянная сварка циркониевой и алюминиевой трубок, обеспечивающая превосходную герметизацию. По сравнению с методом отбора проб, метод прямого введения имеет очевидные преимущества: оксид циркония непосредственно контактирует с газом, что обеспечивает высокую точность измерения, быструю реакцию и небольшие затраты на техническое обслуживание.

Промышленное применение кислородного зонда

1. Применение промышленных котлов и отопительных печей.

При использовании кислородного зонда существует два способа ввода измеряемого газа: прямой ввод и отбор проб. При прямом вводе время отклика короткое, нагреватель не требуется, конструкция простая, размеры небольшие и портативные, но требуется одновременное измерение температуры измеряемого газа. Поскольку температура кислородного зонда контролируется нагревателем, точность измерения высока, а работа надежна, но время отклика зависит от скорости потока газа.

Анализатор кислорода прямого ввода широко используется для определения содержания кислорода в дымовых газах котлов и печей повторного нагрева (рис. 4). Используемый для этой цели кислородный зонд в основном имеет трубчатую конструкцию, и трубка может быть открыта с обоих концов или с одного конца; последний вариант является наиболее распространенным на рынке в настоящее время. На внутреннюю и внешнюю стенки трубки из ZrO2 нанесены пористые платиновые электроды, которые соответственно доходят до конца трубки, а к концу трубки подключены никель-хромовые провода в качестве выходного сигнала, что позволяет управлять системой сгорания для обеспечения сгорания с низким содержанием кислорода, тем самым снижая теплопотери и экономя энергию.

Установка кислородного датчика

Правильная установка — залог надежной работы кислородного датчика. Многие проблемы в эксплуатации вызваны неправильной установкой кислородного датчика.

1. Точка отбора проб для измерения

Первоочередной задачей является определение точки измерения, которое должно соответствовать следующим принципам:

(1) Выбранная точка измерения требует, чтобы обнаруженный газ в печи мог корректно отражаться, чтобы обеспечить достоверность выходного сигнала кислородного датчика и максимально избежать мертвого угла возвратного воздуха;

(2) Точка измерения не должна располагаться слишком близко к точке сгорания или форсунке, поскольку газ в этих местах находится в интенсивной реакции, что приведет к резким колебаниям и искажениям показаний датчика кислорода; не располагайте слишком близко к оборудованию, генерирующему воздух, например, вентиляторам, чтобы не повредить датчик вибрацией двигателя;

(3) Изобретение позволяет избежать размещения в положении, подверженном возможному столкновению, чтобы предотвратить повреждение зонда в результате столкновения и обеспечить безопасность датчика.

2. Установка и способ подключения кислородного датчика

(1) Установка кислородного датчика может осуществляться в горизонтальном или вертикальном режиме, при этом вертикальная установка является идеальной. Независимо от выбранного способа, направление направляющей пластины трубки отбора проб датчика должно быть как можно ближе к направлению измеряемого воздушного потока. При первоначальной установке основное направление определяется на основе знания процесса. После включения системы для нагрева датчика направление трубки отбора проб поворачивается, и колебания выходного кислородного потенциала наблюдаются с помощью цифрового мультиметра для окончательного определения оптимального направления направляющей.

(2) Для установки датчика кислорода используется специальный фланцевый соединитель, а асбестовая прокладка плотно прижимается для обеспечения герметичности. В противном случае, поскольку в обычной печи создается отрицательное давление, утечка в фланцевом соединении может повлиять на точность измерения или вызвать колебания сигнала.

(3) Для исключения помех предпочтительно использовать экранированную линию вывода сигнала датчика кислорода. Лучший способ — использовать два двухжильных кабеля: один двухжильный экранированный кабель для вывода потенциала кислорода и один двухжильный управляющий кабель KVV для управления нагревательным концом датчика. Если полевых условий нет, можно использовать четырехжильный кабель KVV для прямого соединения сигнала потенциала кислорода датчика и нагревательного конца.

(4) Стандартный газовый порт кислородного зонда обычно закрыт и используется только при калибровке газа; порт для подачи сжатого воздуха соединен с воздушным насосом или трубопроводом сжатого воздуха, вход воздуха в порт для подачи сжатого воздуха обычно регулируется клапаном, например, электромагнитным клапаном, клапан открывается один раз в определенный период времени, газ подается в трубку для отбора проб газа, клапан закрывается, когда зонд нормально обнаруживает газ, и никакой другой газ не может попасть в трубку для отбора проб. Производитель сканирующего зонда сжатого воздуха должен гарантировать, что сжатый воздух не содержит воды, то есть используемый сжатый воздух должен быть очищен от воды.

Использование и техническое обслуживание кислородных датчиков

1. Подключение управления нагревом

Датчик кислорода пробоотборного типа может нормально работать только после подключения датчика кислорода к нагревательному блоку. Выходной сигнал в холодном состоянии представляет собой случайный сигнал, не имеющий никакого смысла. После подключения датчика кислорода к нагревательному блоку можно начинать нормальное газоанализирование при комнатной температуре. Обычно нулевая точка датчика устанавливается при комнатной температуре. После нагрева датчика и измерения параметров воздуха с помощью цифрового мультиметра измеряется значение выходного напряжения в милливольтах. Это значение представляет собой отклонение нулевого положения датчика. Отклонение нулевого положения необходимо добавить в показания прибора для корректировки отображаемой концентрации кислорода.

2. Что следует учитывать при установке или замене кислородного датчика

При установке или замене датчика кислорода необходимо скорректировать отображаемое значение концентрации кислорода на анализаторе кислорода. Без этой работы концентрация кислорода, определяемая анализатором кислорода, может отличаться от фактической концентрации после замены датчика, что повлияет на точность измерений.

3. Принцип и метод коррекции концентрации кислорода.

Выходной сигнал датчика кислорода представляет собой разницу потенциалов между концентрацией измеряемого газа и стандартным значением потенциала воздуха, которую мы называем кислородным потенциалом. Это значение потенциала находится в нулевой точке (то есть, при измерении в воздухе). При различном начальном значении выходного потенциала датчика может наблюдаться отклонение, а также ошибка в определении выходной концентрации кислорода при преобразовании модели. Поэтому калибровка сигнала датчика в анализаторе кислорода является крайне необходимой работой, иначе концентрация кислорода и фактическая измеренная концентрация газа будут сильно отличаться, что не будет соответствовать требованиям производства в полевых условиях и может даже привести к неправильному контролю.

Коррекция обычно осуществляется с помощью стандартного газа. Метод заключается в том, что стандартный газ, подтвержденный измерительным прибором, вводится в зонд через порт для стандартного газа, при этом измеряются выходной кислородный потенциал и отображаемая прибором концентрация кислорода. Отображаемая прибором концентрация кислорода должна совпадать с концентрацией стандартного газа. При наличии отклонений производится коррекция линейных параметров прибора. Для стандартного измерения требуется как минимум три калибровочные системы со стандартным газом различной концентрации, чтобы обеспечить многократную коррекцию линейности системы путем трехкратной калибровки и гарантировать ее нормальную работу.

4. Влияние накопления пыли на кислородный датчик, а также методы продувки и очистки.

Поскольку кислородный датчик является устройством для длительного онлайн-обнаружения и измерения, пыль, образующаяся в котле и другом оборудовании (особенно в угольной или порошковой печи и т. д.), может забивать газопровод для отбора проб, что приводит к искажению результатов измерений и даже к невозможности проведения измерений. В этом случае необходимо регулярно проверять наличие пыли в пробоотборной трубе, определяя длительность и продолжительность сканирования для определения степени осаждения золы. Для такого метода проверки требуется, чтобы анализатор кислорода имел соответствующую функцию или устройство для обслуживания кислородного датчика. В противном случае можно установить только ручные клапаны для регулирования сжатого воздуха или воздушный насос для регулярного продувочного отверстия для датчика пыли. Однако в этом случае необходимо учитывать следующие моменты:

(1) Поскольку кислородный потенциал датчика кислорода снижается в процессе продувки, минимально возможное значение которого составляет 1,2 мВ, в это время измеренный кислородный потенциал не отражает атмосферу в печи, этот момент необходимо учитывать.

(2) Расход продувочного воздуха должен обеспечивать удаление сажи; значение кислородного потенциала кислородного датчика можно отслеживать в процессе продувки. Если значение кислородного потенциала не уменьшается, это означает, что расход воздуха слишком мал, пыль не удалена, и необходимо отрегулировать или проверить продувочный трубопровод.

(3) Канал продувочного отверстия напрямую соединен с печью, и после завершения продувки клапан следует закрыть, продувочное отверстие следует перекрыть, а также предотвратить попадание воздуха с отрицательным давлением в печь, что может повлиять на работу датчика кислорода.

При анализе качества датчика кислорода его следует рассматривать как отдельный компонент системы мониторинга. При измерении кислородного потенциала датчика необходимо отсоединить все провода, подключенные к нему, и измерить кислородный потенциал непосредственно на выходном конце датчика с помощью цифрового измерительного прибора с высоким внутренним сопротивлением. Полученные значения кислородного потенциала сравниваются с показателями при нормальном использовании.

Фактическая работа

С 2003 года в крекинговой печи нашего завода используется высокотемпературный анализатор диоксида циркония прямого введения ZGP2+ZDT, который в основном применяется для измерения содержания кислорода в дымовых газах, участвует в управлении процессом горения в крекинговой печи и работает стабильно и надежно. В мае 2005 года было обнаружено, что отклонение показаний относительно велико, все отклонения положительные. Было установлено, что в газовом тракте происходит утечка, газ нулевой точки поступает в стандартный газовый тракт, а также обнаружена утечка роторного расходомера. Из-за отрицательного давления в измерительной системе происходит попадание наружного воздуха, поскольку объемная доля кислорода в воздухе высока, измеренное значение завышено, но обработка данных проходит нормально. В заключение можно выделить несколько моментов, на которые следует обратить внимание на практике:

⑴Для нормальной работы циркониевой трубки при температуре 750 °C прибор должен поддерживать постоянную температуру.

⑵Отсутствие утечек в газопроводах

⑶Поддерживайте стабильное давление впрыска на уровне 0,15 МПа.

⑷ Источник эжекторного газа следует закрывать при проверке стандартного газа и открывать во время измерения.

⑸Присутствие H2, CO, CH4 и других горючих газов в измеряемом газе приведет к занижению результатов измерения.

Заключение

Прибор для измерения содержания кислорода в диоксиде циркония обладает такими преимуществами, как простая конструкция, короткое время отклика, широкий диапазон измерений, высокая рабочая температура, надежная работа, удобство установки, низкие затраты на техническое обслуживание и т.д.

Поэтому он широко используется в металлургии, химической промышленности, электроэнергетике, керамике, автомобилестроении, охране окружающей среды и других отраслях промышленности.