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1、第7章炉烟分析,检测技术及仪表,主 要 内 容,7.1概述7.2锅炉烟气成分分析7.3磁性氧量分析仪 7.4氧化锆氧量分析仪,1,2,3,4,7.1 概 述,过程分析仪器：安装在生产现场，用于对物质成分以及各种物理化学特性进行在线自动分析测量的仪表（亦称工业分析仪器）；,分析仪器,实验室分析仪器：用于实验室离线分析。,热力发电厂中的主要检测项目,排放的“三废”,排污水,烟气,灰渣,给水、蒸汽中的含盐、溶氧以及SiO2等,氢冷发电机中的氢气纯度（不足有爆炸的可能性）,在线测量灰渣中的可燃物含量,排烟中的可燃气（CO、H、CH）等含量,烟气中的含O、CO,燃煤锅炉,煤质分析等等,7.1.1 分析仪
2、表的组成,取样净化系统：,传感器：（发送器）核心部件，输入经预处理的样品，输出可观测的信号,变换器：对传感器提供的信号作进一步的处理、放大、线性化，补偿校正或 者变成统一的信号（420mA，010mA等）,显示部分：可以有专用的显示器完成,也可以由通用的显示仪按照成分分度标尺完成,取样净化系统,作用：从对象中取出具有代表性的被分析介质样品并作必要的预处理要求：样品经处理后能保持原试样的基本成分和特性组成：取样器、过滤器、冷却器、分离净化和抽取设备,取样设备,在线式分析仪表,实验室分析仪表,7.1.2 常用的过程分析仪表的分类,一、按照被测量的成分分类,氧量表（监测介质中的氧的含量）,氧化锆氧量
3、计,汽、水溶解的氧量：,水中溶氧表,烟气中的含氧量,磁性氧量计,SiO2分析仪：监测水和蒸汽中的SiO2的含量,热导式,红外,氢表：监测氢冷发电机中的氢的纯度,CO2表：混合气体中的（如烟气）CO2的含量,钠表,盐量表：监测汽、水中的含盐量,电导分析仪表,其他：磷酸盐、溶解铁、余氯、PH值等分析仪表,二、按照仪器的工作原理分类,电化学式：电导、电量、电位等热学式：热导、热化学、热谱等磁式：磁性氧分析仪、核磁共振波谱仪、电子顺磁共振波谱仪光学式：吸收式光分析仪、发射式光分析仪射线式：X射线分析仪、伽马射线分析仪、同位素分析仪等色谱仪：气相色谱仪、液相色谱仪等电子光学、离子光学：电子探针、质谱仪、
4、离子探针等物性测量仪：水分计、粘度计、湿度计、密度计、闪点计等,7.2锅炉烟气成分分析,目的：间接判断锅炉的燃烧情况，维持良好的燃烧状态，以保证锅炉能够经济的运行。方法：通过对烟气中的O2或CO2或者CO含量来测定和控制过剩空气系数 充分混合、一次风、二次风、空气量、理论空气量、实际空气量、过剩空气系数。,烟气中O2和CO与的关系图,过剩空气系数测量方法：1、测量点选择 过热器或者省煤器出口2、燃烧状态情况完全燃烧：是O2和CO2含量的函数不完全燃烧：是CO和O2含量的函数,大型锅炉，燃烧状态好，主要监测O2、CO2含量。,7.2.1 热导式CO2分析仪,1）测量原理,两种热导率相差很大的气体
5、混合物，可以按照混合物的导热能力与两个组分的含量有关的特点来分析某一组分的百分含量。,设热导率 的组分百分含量为，另一组分的热导率 其百分含量为1-，则混合物的热导率为：,可见，已知两组分的热导率，若测出混合物质的热导率，就可以求得各自的百分含量。上述结论可推而广之，用于混合物的组分超过两种。当然推广是有条件的：除一种成分外，其他组分的热导率近似相等时，混合气体可以看成是双组分气体，与 成单值对应关系,2）烟气组分与气体的情况,气体的热导率常压下可以认为与压力无关随温度的上升而上升，各种气体的变化率不同若在规定温度下可以看成是常数,锅炉烟气成分在零度时的气体导热系数表,3）烟气热导率的测量热导
6、池,检测原理：介质的热导率电阻变化（热导式传感器）,通过待测气体向外壁导热与池壁直接辐射换热沿铂丝向两边导热,热导池检测器的四种结构形式,7.3磁性氧量分析仪,理论基础,真空中，如有一磁场强度为H 的外磁场，则磁感应强度为：,B u0H,在介质中，由于被磁化，磁感应强度为,B=uH=u0（1+k）H,u=u0（1+k）,K0;顺磁性物质,K0;逆磁性物质,1）气体的磁化特性,2）烟气中各种气体的磁化率分析（相对磁化率的数值）,结论：除O2外，其他气体的|k|很小，只有O2和CH4为顺磁性，而CH4的k值又很小，所以：O2是唯一k大的顺磁性气体关键在于K值测量,3）顺磁性气体的磁化率与温度的关系
7、,居里定律,对于一定的气体，C、R、M为常数，如果能保证压力的恒定，则k 随T变化，T上升，则k下降。顺磁性物质在磁场中的要受到磁场的吸引力，此力的数值随介质的温度的升高而减小，这就是热磁式氧量计的物理基础。,7.3.2 热磁式氧量计的发送器,作用：氧含量 电气量,热磁对流式氧量发送器,形式：,磁力机械式氧量分析器,1）热磁对流式氧量发送器中的磁风的形成与检测,构造原理,建立不均匀的磁场,建立了不均匀的温度场,顺磁性介质,形成磁风（热磁对流）的三个条件,磁风的检测原理,磁风流量电阻值的信号转换,磁风流过水平的管道，对加热线圈起冷却的作用，显然增大，则线圈t下降，R减小，反之，减小，则线圈t上升
8、，R增大。,总之：发送器信号转换过程为：含氧气信号磁风流量电阻值,（1）环形水平通道发送器,气体在加热线圈内流过，故称之为内对流式。,结构：有一个中间通道的圆环，中间通道必须水平放置,2）热磁对流式氧量发送器的结构,特点：,测量范围有限制水平管道安装倾斜环境温度对测量有影响,目前，由于这种结构的发送器存在的问题较多，所以生产和使用较少,引入自然对流误差,（2）外对流式发送器,气体包围热电阻，故称之为外对流式。,热磁式氧量计，需要较复杂的烟气采样、预处理系统。,可以减小安装倾斜及环境温度变化对指示值的影响。,7.3.3 磁力机械式氧量计的发送器,磁极,磁极,氧气磁风对真空泡的推力推动磁氧天平旋转
9、角度。,7.4氧化锆氧量分析仪器,特点：结构简单，灵敏度和分辨度高；测量的范围宽，响应速度快，寿命较短；对于工作的温度有较高的要求；可以取代热磁式氧量计与其它过程气体分析仪器可以直接插入烟道中进行测量,7.4.1 氧化锆的性质（ZrO2）它是一种陶瓷状晶体固体电解质，纯净的ZrO2在常温下为单斜晶体；当温度上升到1150时，单斜晶体变成立方晶体，同时发生不到1/10的体积变化，所以容易被破坏，故不直接使用。参入CaO或者（氧化钇）的氧化锆经过高温培烧后，则形成晶型不随温度变化的稳定的萤石型立方体，同时在600850的高温下成为良好的氧离子导体，成为实际采用的形式。,7.4.2 浓差电池氧化锆氧
10、量传感器,1）结构与原理 高致密的氧化锆陶瓷体内外两侧的烧结附着有海绵状的多孔铂电极，当ZrO2两侧气体中的O2浓度不等（），且温度600时，发生化学变化。,设 则：,浓度大的右侧：铂电极上吸附的O2分子在铂的催化下，离解O2-，铂提供4个电子后变“+”，后进入固体电解质。浓度小的左侧：O2-把电子交给铂电极，氧化成氧气并进入左侧介质，铂电极接受电子后变成“-”，后进入低浓度一侧。,两极之间产生电势，此电势阻碍这一迁移的进一步进行，直到过程达到动态的平衡时，就形成了浓差电池。,结论 若ZrO2两侧浓度不等，且温度600以上，则O2通过ZrO2从浓度大的一侧向浓度小的一侧“渗透”（通过氧化，还原
11、反应）由于O2在浓度大的一侧铂上夺取电子，在浓度小的一侧交出电子，所以，两侧电极上产生电势。（浓度大的为正，浓度小的为负，最终出现平衡，电势稳定。）电动势的大小和氧气浓度的关系，如何测量？,n电子转移数；T绝对温度；R理想气体常数；F法拉第常数；P2高浓度侧氧分压；P1低浓度侧氧分压。由公式可见，若T一定，P2一定，则EP1；为了使P2维持不变，通常选用空气作为高浓度端气体，也称为参比端气体，P1侧气体称为待测气体。,2）浓差电势的公式（能斯特公式）,气体中的含氧气浓度表示方法,设容积V中的各种气体的总压力为P，则第i种成分的浓度i 可用其分压力Pi表示（或用其分容积）公式推广：若两侧压力相等
12、或者是近似的相等，其值为P，则有:,保证氧量计正确工作的三个条件,工作温度应恒定，否则应采取措施：恒温或补偿 为了提高灵敏度，工作温度最好800，但是不允许超过烧结温度1200。850度时，灵敏度最好；参比气体氧气含量应当稳定（空气）参比气体中的O2的浓度比被测气体的大（浓差大，电势大）两侧介质的压力应尽量相同（浓度和压力呈线性关系）两侧介质都应保持流动（以防止渗透，使得两侧的O2浓度趋于一致）,带恒温装置的ZrO2传感器,锆管为封头式后接长管烟气有抽气装置，空气有正压装置恒温装置自动调节，恒温温度一般为800问题：附属设备多、电热丝长期通电易断。,带温度补偿的ZrO2传感器,加热器,热电偶,
13、电极引线,电极触点,氧化锆,过滤器,待测气体入口,加热器件,接线座,7.4.5 氧化锆氧量分析器的测量,分析：氧化锆传感器实质上是一种内阻很大的电池，浓差电池数值在测量烟气时约几十mV结论：测量浓差电池的仪表必须具有足够高的输入内阻（普通的动圈表达不到）实现显示方法：硬件实现（反对数放大器）软件法 智能仪表（线性化、补偿显示、数字显示）,氧浓度浓差电势对照表,以空气作为参比气体,7.4.6 仪器的结构和安装,直插式：氧化锆管直接置入烟道高温部分进行测量 反应时间快，1秒左右。灰尘颗粒污染堵塞氧化锆，加装多孔性陶瓷过滤器，延长寿命。（温度：烟气加热、热电偶测温补偿）抽吸式（采样式）：利用泵抽吸烟气和空气，带有抽气、净化系统，恒温装置。不受检测气体温度的影响，不同的导流管可以检测各种温度气氛的氧含量。反应时间慢；结构复杂，容易影响检测精度；加热器一般用电炉丝加热，寿命不长。,传感器和显示表,一体化氧量计,便携式氧量计,Question?,
