第11章爐煙分析

會(huì)計(jì)學(xué)1第11章爐煙分析2測量系統(tǒng)的組成取樣系統(tǒng)一般由過濾器、分離凈化設(shè)備、冷卻器和抽吸設(shè)備等組成。發(fā)送器被分析樣品通過發(fā)送器將被測組分的含量轉(zhuǎn)換為電量輸出信號(hào)。信號(hào)放大系統(tǒng)將發(fā)送器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。顯示部分一般顯示部分和發(fā)送器是分開的。顯示部分可利用通用的顯示儀表，如電位計(jì)、電橋等。第1頁/共49頁§11.1氧量計(jì)1氧化鋯氧量計(jì)1）測量原理基本原理是，以氧化鋯作固體電解質(zhì)，高溫下的電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)形成濃差電池，濃差電勢與兩側(cè)氧濃度有關(guān)。當(dāng)一側(cè)氧濃度固定時(shí)，則可通過測量電勢來測量另一側(cè)氧濃度。氧化鋯氧量計(jì)的發(fā)送器是一根氧化鋯管。氧化鋯管是由氧化鋯（ZrO2)中滲入一定數(shù)量的氧化鈣（CaO)或氧化釔(Y2O3)并經(jīng)高溫焙燒后制成。在氧化鋯兩側(cè)附上多孔性電極（鉑）和引線。第2頁/共49頁氧化鋯示意圖

第3頁/共49頁在氧化鋯兩側(cè)氧濃度不等的情況下：濃度高的一側(cè)（p2）氧在表面電極上產(chǎn)生還原反應(yīng)，結(jié)合兩個(gè)電子形成氧離子

O2(p2)+4e→2O-2濃度低的一側(cè)（p1）氧離子在表面電極上產(chǎn)生氧化反應(yīng)，釋放兩個(gè)電子

2O-2→O2(p1)+4e

第4頁/共49頁在電池兩端的電勢E由Nernst公式計(jì)算：

式中R－氣體常數(shù)，R=8.314J/(mol·K)；

F－法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96500C/mol；

T－熱力學(xué)溫度（K）；

n－反應(yīng)時(shí)所輸送的電子數(shù)，對(duì)氧n=4；

p1、p2－兩側(cè)氧分壓。

第5頁/共49頁當(dāng)兩側(cè)氣體的總壓相等時(shí)，上式可寫為：

φi=pi/p由于爐煙中含氧量比較低，因此，分析爐煙含煙量時(shí)常用空氣作參比氣體，φ2=20.8%。第6頁/共49頁2使用氧化鋯氧量計(jì)應(yīng)注意：E與T成正比，因此氧化鋯管應(yīng)處于恒定溫度下工作或采用溫度補(bǔ)償裝置。當(dāng)工作溫度過低時(shí)，氧化鋯內(nèi)阻很高，正確測量其電勢比較困難，故要求工作溫度在600℃以上。當(dāng)溫度過高時(shí)，煙氣中可燃物質(zhì)會(huì)與氧化合而形成燃料電池，使輸出增大，產(chǎn)生誤差。故，目前常用的工作溫度為800℃。第7頁/共49頁應(yīng)保持被測氣體總壓和參比氣體總壓相等，使氧分壓能代表容積濃度。須保證被測氣體和參比氣體都有一定的流速。由于濃差電池兩側(cè)氧濃度有趨向一致的傾向。第8頁/共49頁3測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)大致可分為抽出式與直插式。抽出式帶有抽氣和凈化系統(tǒng)，可以除去雜質(zhì)和SO2等有害氣體，對(duì)保護(hù)氧化鋯管有利。氧化鋯管處于800℃的定溫爐中工作，準(zhǔn)確度較高。系統(tǒng)復(fù)雜，失去反應(yīng)快的特點(diǎn)。第9頁/共49頁直插式將氧化鋯管直接插入煙道高溫部分。特點(diǎn)是反應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間約為1秒左右。第10頁/共49頁第11頁/共49頁

氧化鋯分析系統(tǒng)第12頁/共49頁4氧化鋯傳感器的誤差氧化鋯是由氧離子導(dǎo)電，若考慮在高溫條件下自由電子導(dǎo)電，則使?jié)獠铍姵貎?nèi)部有短路電流，氧離子從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的遷移比理論上要小，使?jié)獠铍妱萁档?。由于被測氣體和參比氣體的流量、溫度不同（恒溫爐與內(nèi)、外電極距離不同，散熱條件的差異等原因），內(nèi)、外電極之間可能有溫差，使電極及引線會(huì)有溫差電勢等，使輸出出現(xiàn)誤差。第13頁/共49頁兩側(cè)氧濃度相等時(shí)有電勢輸出－本底電勢。因此，應(yīng)對(duì)上式進(jìn)行修正。

生產(chǎn)廠家一般給出修正后的實(shí)際分度方程或表格第14頁/共49頁§11.2熱導(dǎo)式分析儀

根據(jù)混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨氣體各組分含量變化的原理制成。1測量原理對(duì)于多組分的混合氣體，導(dǎo)熱系數(shù)可近似認(rèn)為是各組分的導(dǎo)熱系數(shù)的算術(shù)平均值，即

λ=∑λiφi

第15頁/共49頁

以待測組分i=1為例，假設(shè)：λ2≈λ3≈┅≈λn(1)∵φ1+φ2+…+φn=1,∴λ≈λ1φ1+λ2(φ2+…+φn)=λ1φ1+λ2(1-φ1)=λ2+(λ1-λ2)φ1

若想φ1變化會(huì)導(dǎo)致λ變化，必須滿足dλ/dφ1≠0，即

dλ/dφ1=λ1-λ2≠0(2)第16頁/共49頁通過測量λ變化求出φ1變化的必要條件是（1）、（2）。該兩式的含義是：除待測組分外，其余各組分的導(dǎo)熱系數(shù)必須相同或接近。待測組分的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)比其余的λ，要有顯著差別。差別越大，測量越靈敏。第17頁/共49頁

對(duì)于煙氣（0℃下的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)）：

N2O2CO2SO2H2COCH4H2O0.9981.0150.6150.3447.0050.9641.3180.973

在爐煙中H2、CH4含量極少。為保護(hù)儀表不受腐蝕，在取樣系統(tǒng)中已將SO2除去。除CO2外，其余成分的導(dǎo)熱系數(shù)相近；CO2與其余成分的導(dǎo)熱系數(shù)有差別。滿足式（1）、（2），故可以通過測量混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)變化來測量CO2的含量。第18頁/共49頁2儀表結(jié)構(gòu)

由于直接測量導(dǎo)熱系數(shù)很困難，所以利用橋臂室轉(zhuǎn)化為電阻的測量。第19頁/共49頁

橋臂室內(nèi)安裝一根鉑絲，用電加熱。注意：煙氣通過擴(kuò)散方式進(jìn)入橋臂室，煙氣流速很小，可以認(rèn)為不存在對(duì)流換熱；鉑絲溫度與橋臂室壁的溫差小于200℃，鉑絲與室壁之間輻射散熱占總散熱量的比例不大，可認(rèn)為不存在輻射散熱。鉑絲長度與直徑之比很大（2000～3000），可認(rèn)為除接近管口處外，其余不存在軸向散熱，只是在徑向有散熱。在滿足上述三個(gè)條件時(shí)，可認(rèn)為鉑絲是通過氣體層以導(dǎo)熱方式散熱。第20頁/共49頁對(duì)于直線形的鉑絲，單位時(shí)間內(nèi)散熱量為：

Q1=2πLλ(tn-tc)/ln(rc/rn)式中λ－平均溫度下氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，平均溫度tav=(tc+tn)/2;tn－熱平衡時(shí)的鉑絲溫度；

tc－橋臂室的壁溫；

rc－橋臂室半徑；

rn－鉑絲半徑；

L－鉑絲長度。鉑絲在單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量為：

Q2=0.24I2RR－tn℃下鉑絲的電阻值。第21頁/共49頁

當(dāng)鉑絲達(dá)到熱平衡時(shí)，Q1=Q2，有

∵鉑絲電阻值與溫度的關(guān)系

R=R0(1+αtn)

∴

令儀表常數(shù)為K

第22頁/共49頁∴上式可寫成

由上式可見，當(dāng)R0、α、I和tc為常數(shù)時(shí)，鉑絲在熱平衡狀態(tài)下的電阻值R與混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)之間有單值關(guān)系。通過測量R可以測出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。

第23頁/共49頁3測量過程

將鉑絲接入電橋，作為一個(gè)橋臂。當(dāng)被測煙氣中CO2含量變化時(shí)，煙氣導(dǎo)熱系數(shù)變化，改變了橋臂室中鉑絲的散熱條件，鉑絲溫度變化，電阻值變化，引起電橋輸出電壓變化。用以CO2百分含量分度的毫伏表或電位差計(jì)來測量電橋輸出，指示CO2的含量。氣樣是靠擴(kuò)散進(jìn)入橋臂室，所以滯后很大（2～3min），再加上取樣系統(tǒng)的滯后，可達(dá)4～5min。

第24頁/共49頁第25頁/共49頁§11.3紅外氣體分析儀

目前常用的是吸收式紅外氣體分析儀。1測量基本原理貝爾定律

I=I0exp(-KλcL)式中I、I0－透射和入射的紅外輻射強(qiáng)度；

Kλ－氣體對(duì)波長為λ的紅外輻射的吸收系數(shù)；

c－氣體濃度；

L－紅外輻射穿過氣體的路程長度（氣體厚度）。由上式可見，當(dāng)入射紅外輻射強(qiáng)度I0和透過的氣體厚度L一定時(shí)，通過測量透射紅外輻射強(qiáng)度I就可確定氣體濃度。第26頁/共49頁特征吸收帶多原子氣體（CO、CO2、CH4、SO2等）對(duì)紅外輻射不是全波段吸收，而是選擇吸收某一個(gè)或某一組特定波段的紅外輻射。這個(gè)特定波段就是特征吸收帶。雙原子氣體（N2、H2等）及惰性氣體（He、Ne）對(duì)紅外不會(huì)吸收。

因此，通過分析特征吸收帶的紅外入射輻射強(qiáng)度和透射強(qiáng)度，可以得出組分的成分。

第27頁/共49頁2紅外分析儀結(jié)構(gòu)由紅外光源、切光片、干擾濾波室、測量氣室、參比氣室、電容微音紅外檢出室、放大器及指示記錄儀組成。參比室充以N2，目的是形成和測量室相同的路程。一路紅外輻射經(jīng)干擾濾波室、測量室到達(dá)檢出室。一路紅外輻射經(jīng)干擾濾波室、參比室到達(dá)檢出室。當(dāng)需測量組分A氣體時(shí)，兩個(gè)檢出室都充以A氣體。第28頁/共49頁檢出室結(jié)構(gòu)

第29頁/共49頁3測量原理被測氣體中不含有待測組分A

兩側(cè)的檢出室中A氣體吸收相同的紅外輻射強(qiáng)度，組分A氣體溫升相同，電容量不變，指示儀指示值不變，為零。第30頁/共49頁被測氣體中含有待測組分A

測量室中A組分吸收一部分特征吸收帶內(nèi)的紅外輻射，使測量室側(cè)檢出室中A所吸收的紅外輻射強(qiáng)度減少。兩側(cè)檢出室吸收的紅外輻射不同，溫升不同，電容量發(fā)生變化。隨著測量室中A組分濃度的升高，電容量變化增大。第31頁/共49頁被測氣體含有待測組分A以及與A有部分重疊的特征吸收帶的組分B

組分B由于與組分A有部分特征吸收帶重疊，組分B會(huì)吸收一部分組分A特征吸收帶內(nèi)紅外輻射，使檢出室組分A吸收紅外輻射減小，使電容量增大。指示儀指示值增大，測量出現(xiàn)誤差。故組分B稱為組分A的干擾成分。反之亦然。第32頁/共49頁加入濾波室后濾波室中組分B將與組分A特征吸收帶有重疊部分的紅外輻射全部吸收，使進(jìn)入測量室、檢出室的紅外輻射中只有只能被組分A吸收的輻射。使組分B在被測氣體中的濃度變化不再影響組分A濃度的指示值。第33頁/共49頁第34頁/共49頁§11.4氣相色譜分析儀

特點(diǎn)是，將氣樣中各成分進(jìn)行分離，分別加以測定，能對(duì)被測氣樣進(jìn)行全分析。1分析儀組成由載氣源、流量控制器、進(jìn)樣裝置、色譜柱、監(jiān)測器、氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)、恒溫箱、信號(hào)衰減器及記錄儀等部件組成。2工作原理被分析氣樣在“流動(dòng)相”（載氣）的攜帶下流過色譜柱，色譜柱中裝有填充物（固定相），氣樣中不同組分受到固定相吸附或溶解等作用不同，故不同組分流經(jīng)固定相所需的時(shí)間不同，從而達(dá)到將不同組分分離的目的，然后檢測出各組分的含量。第35頁/共49頁第36頁/共49頁第37頁/共49頁第38頁/共49頁根據(jù)流動(dòng)相的不同可分為：氣相色譜：氣體作為流動(dòng)相。液相色譜：液體作為流動(dòng)相。固定相有二類：固體固定相：固體吸附劑作為固定相。一般用分子篩、多孔微球、活性炭。液體固定相：是在一些細(xì)小的固體顆粒（擔(dān)體）上均勻涂上一層液體膜而成。第39頁/共49頁1）分離過程以氣樣中含有組分A、B，通過固體固定相為例說明。設(shè)色譜柱中吸附劑對(duì)A的吸附能力比對(duì)B的吸附能力強(qiáng)。氣樣在流通過程中，各組分不斷被吸附劑吸附、脫離、再吸附、再脫離。第40頁/共49頁由于吸附劑對(duì)A的吸附能力比對(duì)B的強(qiáng)，在載氣的攜帶下，B組分比A組分流動(dòng)快。隨時(shí)間的增長，A、B組分就逐漸被分離，使B組分先流出色譜柱，達(dá)到分離的目的。第41頁/共49頁以氣樣中含有組分A、B，通過液體固定相為例說明。設(shè)色譜柱中固定相對(duì)A的溶解能力比對(duì)B的溶解能力強(qiáng)。氣樣在流通過程中，各組分不斷被固定相溶解、析出、再溶解、再析出。第42頁/共49頁2）分配系數(shù)為了定量說明各組分在流動(dòng)相和固定相中的分配情況，引入分配系數(shù)。某組分在流動(dòng)相和固定相中的分配達(dá)到平衡時(shí)，該組分在固定相中的濃度φs與流動(dòng)相中的濃度φm之比，稱為分配系數(shù)Ki，

Ki=φs/φm。第43頁/共49頁Ki=φs/φm。Ki大的組分吸附于（溶解于）固定相的能力強(qiáng)，在色譜柱中流動(dòng)的速度小，在色譜柱中停留的時(shí)間長。Ki小的組分吸附于（溶解于）固定相的能力弱，在色譜柱中流動(dòng)的速度大，在色譜柱中停留的時(shí)間短。分離后的各組分按時(shí)間上的先后次序由流動(dòng)相帶出色譜柱，