《熱工信號(hào)處理技術(shù)》課件第11章 爐煙分析1

1、第11章 爐煙分析1 爐煙分析的重要性通過(guò)分析爐煙中氧含量，測(cè)量過(guò)量空氣系數(shù)，維持煤在鍋爐中的經(jīng)濟(jì)燃燒。 21/（21O2) 隨著環(huán)保要求的提高，需要對(duì)煙氣進(jìn)行全成分分析。 2 測(cè)量系統(tǒng)的組成取樣系統(tǒng) 一般由過(guò)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(guò)發(fā)送器將被測(cè)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(kāi)的。顯示部分可利用通用的顯示儀表，如電位計(jì)、電橋等。11.1 氧量計(jì)1 氧化鋯氧量計(jì)1）測(cè)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(shì)與兩側(cè)氧濃度有關(guān)。當(dāng)

2、一側(cè)氧濃度固定時(shí)，則可通過(guò)測(cè)量電勢(shì)來(lái)測(cè)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。氧化鋯示意圖 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)+4e2O-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-2O2(p1)+4e 在電池兩端的電勢(shì)E由Nernst公式計(jì)算： 式中 R氣體常數(shù)，R=8.314J/(molK)； F法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96500

3、C/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。 當(dāng)兩側(cè)氣體的總壓相等時(shí)，上式可寫為： i=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，2=20.8%。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(guò)低時(shí)，氧化鋯內(nèi)阻很高，正確測(cè)量其電勢(shì)比較困難，故要求工作溫度在600 以上。 當(dāng)溫度過(guò)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 。應(yīng)保持被測(cè)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(cè)

4、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。3 測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)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)。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。 氧化鋯分析系統(tǒng)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?shì)降低。由于被測(cè)氣體和參比氣體的流量、溫度不同（恒溫爐與內(nèi)、外電極距

5、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(shì)等，使輸出出現(xiàn)誤差。兩側(cè)氧濃度相等時(shí)有電勢(shì)輸出本底電勢(shì)。 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(cè)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 =ii 以待測(cè)組分i=1為例， 假設(shè)：23 n (1) 1+2+n=1, 11+2(2+n) =11+2(1-1) =2+(1-2)1 若想1變化會(huì)導(dǎo)致變化，必須滿足 d/d10，即 d/d1=1-20 (2)通過(guò)測(cè)量變化求

6、出1變化的必要條件是（1）、（2）。 該兩式的含義是：除待測(cè)組分外，其余各組分的導(dǎo)熱系數(shù)必須相同或接近。待測(cè)組分的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)比其余的，要有顯著差別。差別越大，測(cè)量越靈敏。 對(duì)于煙氣（0下的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)）： N2 O2 CO2 SO2 H2 CO CH4 H2O 0.998 1.015 0.615 0.344 7.005 0.964 1.318 0.973 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(guò)測(cè)量混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)變化來(lái)測(cè)量CO2的含量。2 儀表結(jié)構(gòu)

7、 由于直接測(cè)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(cè)量。 橋臂室內(nèi)安裝一根鉑絲，用電加熱。注意：煙氣通過(guò)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(zhǎng)度與直徑之比很大（20003000），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(guò)氣體層以導(dǎo)熱方式散熱。對(duì)于直線形的鉑絲，單位時(shí)間內(nèi)散熱量為： Q1=2L(tn-tc)/ln(rc/rn)式中 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

8、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(zhǎng)度。鉑絲在單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量為： Q2=0.24I2R Rtn下鉑絲的電阻值。 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+tn) 令儀表常數(shù)為K 上式可寫成 由上式可見(jiàn)，當(dāng)R0、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(guò)測(cè)量R可以測(cè)出混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。 3 測(cè)量過(guò)程 將鉑絲接入電橋，作為一個(gè)橋臂。 當(dāng)被測(cè)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

9、量分度的毫伏表或電位差計(jì)來(lái)測(cè)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（23min），再加上取樣系統(tǒng)的滯后，可達(dá)45min。 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(cè)量基本原理貝爾定律 I=I0exp(-KcL)式中 I、I0透射和入射的紅外輻射強(qiáng)度； K氣體對(duì)波長(zhǎng)為的紅外輻射的吸收系數(shù)； c氣體濃度； L紅外輻射穿過(guò)氣體的路程長(zhǎng)度（氣體厚度）。 由上式可見(jiàn)，當(dāng)入射紅外輻射強(qiáng)度I0和透過(guò)的氣體厚度L一定時(shí)，通過(guò)測(cè)量透射紅外輻射強(qiáng)度I就可確定氣體濃度。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

10、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(guò)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。 2 紅外分析儀結(jié)構(gòu) 由紅外光源、切光片、干擾濾波室、測(cè)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(cè)量室相同的路程。 一路紅外輻射經(jīng)干擾濾波室、測(cè)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(cè)量組分A氣體時(shí)，兩個(gè)檢出室都充以A氣體。檢出室結(jié)構(gòu) 3 測(cè)量原理被測(cè)氣體中不含有待測(cè)組分A 兩側(cè)的檢出室中A氣體吸收相同的紅外輻

11、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。被測(cè)氣體中含有待測(cè)組分A 測(cè)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(cè)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(cè)量室中A組分濃度的升高，電容量變化增大。被測(cè)氣體含有待測(cè)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(cè)量出現(xiàn)誤差。故組分B稱為組分A的干擾成分。反之亦然。加入濾波室后 濾波室中組分B將與組分A特征吸收

12、帶有重疊部分的紅外輻射全部吸收，使進(jìn)入測(cè)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(cè)氣體中的濃度變化不再影響組分A濃度的指示值。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(cè)定，能對(duì)被測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)出各組分的含量。根據(jù)流

13、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。1）分離過(guò)程以氣樣中含有組分A、B，通過(guò)固體固定相為例說(shuō)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(guò)程中，各組分不斷被吸附劑吸附、脫離、再吸附、再脫離。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(zhǎng)，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。以氣樣中含有組分A、B，通過(guò)液體固定相為例說(shuō)明。 設(shè)

14、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(guò)程中，各組分不斷被固定相溶解、析出、再溶解、再析出。2） 分配系數(shù)為了定量說(shuō)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s與流動(dòng)相中的濃度m之比，稱為分配系數(shù)Ki， Ki=s/m。 Ki=s/m。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(zhǎng)。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，進(jìn)入檢測(cè)器檢出，并用記錄儀記錄下各組分的峰形。 各組分的峰形在時(shí)間上的分布圖稱為色譜圖。3 色譜圖及常用術(shù)語(yǔ)色譜峰 檢測(cè)器對(duì)組分的響應(yīng)曲線保留時(shí)間tRi 從進(jìn)樣時(shí)刻到某成分在檢出器上出現(xiàn)峰值的這段時(shí)間稱為該成分的保留時(shí)間。峰寬W 色譜峰兩側(cè)拐點(diǎn)作兩條切線，與基線相交的兩點(diǎn)間的距離，即峰寬。如AB，CD。分辨率R 相鄰兩峰保留時(shí)間之差與兩峰的平均寬度之比。 R保留時(shí)間差/峰寬平均值之和 4 定性分析與定量分析 得到色譜圖后，要確定組分濃度還需進(jìn)行定性分析與定量分析。1） 定性分析 定性分析，即確定每一色譜峰代表何種成分。保留時(shí)間對(duì)