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1、第六章 炉烟分析 第一节 概述 在火力发电厂，动力锅炉燃烧质量的好坏，直接关系到电厂燃料消耗率的高低。炉烟成分自动分析就是为了连续监督燃烧质量，以便及时控制燃料和空气的比例，使燃烧维持在良好的状态下。为了使燃料达到完全燃烧，同时又不过多地增加排烟量和降低燃烧温度，首先要控制燃料与空气的比例，使过剩空气系数保持在一定范围内。例如，对燃煤炉约在1.201.30，对燃油炉约在1.101.20。过剩空气系数的大小可通过分析炉烟中CO2和O2的含量来判断，它们之间的关系还与燃料品种、燃烧方式和设备结构有关。图6-1所示为烟煤燃烧产物中CO2及O2的百分含量与过剩空气系数的关系曲线。燃烧后CO2含量O2含
2、量与的关系曲线。,由于氧含量与之间有单值关系，而且此关系受燃料品种的影响较小；另外由于氧量计的反应比二氧化碳表快。所以目前电厂中大量采用氧量计。迟延小、反应快的内置式氧化锆氧量计正在推广使用。随着锅炉容量的增大和环境保护要求的提高，希望全面分析炉烟中各成分的含量。例如，CO的含量与燃油炉结焦和SO3含量有一定关系，而SO3含量直接影响锅炉尾部的腐蚀情况；另外SO3和NO的含量是环境保护所要控制的指标，因此发展快速响应的自动气相色谱仪用于炉烟的全分析是值得重视的。,炉烟成分正确分析的首要条件是分析的气样要有代表性，因此取样点应设置在燃烧过程已结束，烟气不存在分层、停滞，以及烟气温度为取样装置所能
3、耐受的地方。由于烟道处于负压下，特别要防止空气漏入而影响测量正确性。取样装置一般放在高温省煤器出口烟气侧，也可放在过热器出口烟气侧。实验证明，对于大截面烟道，截面上各处烟气成分是不相同的，有明显分层倾向，而且在各排不同喷燃器投入运行的情况下，分层情况也不同。因此最好设置多个取样点，然后取其平均值，但这样做会增加测量滞后，有时就用试验方法求取一个较好的取样点位置作为经常测量的取样点。快速响应是对成分分析仪的一个突出的要求。应尽可能缩短取样管路，以减少纯滞后，因此最好装设大口径旁路烟道，分析仪的取样装置则可安装在旁路烟道内。,第二节 氧化锆氧量计 一、概述 氧化锆氧量计是最近二十年发展起来的一种新
4、型烟气氧含量分析测量仪表。组成：它由传感器（锆头）和变送显示器组成。特点：这种氧量计的传感器精确度高，可达到士0.2。它不需要复杂的预处理，响应快（10s达到被测氧量90），适用的烟气温度可高达1000，其变送显示器的精确度优于 1.0级。复现性和稳定性高，输出信号为 010mA和 420mA，DC。显示可为模拟显示，亦可以为数字显示，且显示的功能多，能显示氧含量（）、氧量信号（mA）、本底电势（mV）、锆头温度（oC）。锆头寿命为12年。应用：氧化锆氧量计广泛地应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、水泥等工业领域内。,分类：氧化锆氧量计按其安装方式分为抽出式和直插式两类。抽出式是通过取样预
5、处理系统把烟气从烟道中抽出来，经过滤、净化后送到氧化锆传感器。这种类型的氧量计由于有取样预处理系统而失去了氧化锆氧量计自身响应快的优点。这种类型的氧化锆氧量计一般不用于指导锅炉燃烧的分析测量，而多用于环境保护方面的烟气分析。直插式是将氧化锆传感器直接插入高温烟道或旁路烟道，不需要烟气预处理装置。直插式氧化锆氧量计又有两种类型，即恒温式氧化锆氧量计和补偿式氧化锆氧量计。,二、氧化锆氧量计的工作原理 氧化锆氧量计的基本原理是基于电化学中浓差电池原理工作的。1、氧化锆（ZrO2）材料的化学性质 在ZrO2材料中加人一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3），经高温烧结，2价的钙离子Ca2+会进入Z
6、rO2晶体而置换出十4价的锆离子Zr4+。置换出的锆离子Zr4+与数量不足的氧离子结合而形成带有氧离子空穴的氧化锆材料，成为一种不再随温度变化的正立方晶型的材料。这种材料被称为空穴型氧化锆晶体，为固体电解质。,2、氧浓差电池原理 氧浓差电池的构成如图所示。,在两极板上表现出的电极反应为参比气样侧极板：O24e 2O2 待测气样侧极板：2O2 O24e 其浓差电势由能斯特公式确定：式中 R气体常数，8.314J（Kmol）；T浓差电池温度（池温），K；F法拉第常数，96.487Cmol；n电极反应时一个氧分子输送的自由电子数（n=4）；p2参比气样的氧分压力；p1待测气体的氧分压力。,由于在混合
7、气体中，某气体组分的压力与总压力之比与其容积浓度成正比因此当参比气样的总压与待测气样的总压相等时，上式可化成如下形式：式中 p 参比气样总压力；参比气样氧容积浓度；待测气样氧容积浓度。,三、保证正确测量的条件 氧化锆氧量计的传感器对待测气样中氧量的测量就是利用了氧浓差电池的工作原理。由以上分析可知，要正确测量出待测气样中的含氧量（浓度），必须保证以下的条件：1、氧化锆传感器需要恒温或在计算电路中采取补偿措施，以消除传感器温度（池温）对测量的影响。氧化锆氧量计又分为恒温式和补偿式两种。2、氧化锆传感器要在一定高温下工作，以保证有足够高的灵敏度。3、保持参比气样的压力与待测气样的压力相等。4、保持
8、参比气样和待测气样一定的流速，以保证测量的准确性。,四、氧化锆传感器的结构组成（ZO系列）氧化锆传感器（锆头）的结构组成如图所示。氧化锆传感器的结构示意图 1校准管；2-高温密封圈；3氧化锆元件；4加热炉；5热电偶；6探头外壳；7法兰；8空气进口；9标气进口；10热电偶连线；12信号连线；13接线盒；14电极引线,氧化锆管的结构 1、2电极；3、4引线,热导式气体分析仪,热导式气体分析仪是使用最早的一种物理式气体分析仪，它是利用不同气体导热特性不同的原理进行分析的。常用于分析混合气体中的、等组分的百分含量。,一、工作原理各种气体都具有一定的导热能力，但是导热程度有所不同，即各有不同的导热系数。
9、经实验测定，气体中氢和氦的导热能力最强，而二氧化碳和二氧化硫的导热能力最弱。气体的导热率还与气体的温度有关。表9-1列出了0时以空气热导率为基准的几种气体的相对热导率。,气体在0下的相对热导率,对于彼此之间无化学反应的多组分的混合气体，它的热导率与各组分的热导率及各组分的体积百分含量有关，即 式中，为混合气体的总热导率，为混合气体中各组分的热导率；为混合气体中第i组分的热导率；为混合气体中各组分的体积百分含量；为混合气体中第i组分的体积百分含量。,如果被测组分的热导率为，其余组分为背景组分，并假定它们的热导率近似等于。又由于，将它们带入上式后可得 在、已知的情况下，测定混合气体的总热导率，就可
10、以测定被测组分的体积百分含量。,二、热导式气体分析仪的检测器和测量电路,1、检测器由于气体的热导率很小，直接测量比较困难，所以热导式气体分析仪大多是把气体热导率的变化转换成金属材料电阻值的变化。通过对金属材料电阻值进行测量，来反映出被测组分的体积百分含量。通常把热导率转换成电阻值的部件称为热导式气体分析仪的检测器，又称热导池。,热导池的结构如图9-14所示。用导热良好的金属制成的长圆柱形小室内，装有一根细的铂或钨电阻丝，电阻丝与腔体有良好的绝缘。电阻丝通过两端引线通以一定强度的电流I，使其维持一定的温度tn，tn高于室壁温度tc。热导池一般放在恒温装置中，故室壁的温度恒定。被测气体由小室下部引
11、入，从小室上部排出，电阻丝的热量通过混合气体向室壁传递，其热平衡温度将随被测气体的热导率变化而变化。电阻丝温度的变化使其电阻值亦发生变化。在一定条件下，电阻丝在热平衡状态下的电阻值与混合气体的热导率之间存在单值函数关系。通过测量电阻的变化就可得知气体组分的变化。,通过检测器的转换作用，把被测组分含量的变化转换成了电阻值的变化。对电阻的测量常采用电桥。热导式气体分析仪的测量电路有单电桥测量电路和双电桥测量电路。双电桥测量电路如图9-16所示。为测量电桥，为参比电桥。测量电桥中R1、R3气室中通入被测气体，R2、R4气室中充以测量下限气体；参比电桥中R5、R7气室充以测量上限气体，R6、R8气室中充以测量下限气体。参比电桥输出一固定的不平衡电压UAB加在滑线电阻RP的两端，测量电桥输出电压UCD的变化随着被测组分含量的变化而变化。若D、E两点之间有电位差UDE，则经放大器放大后，推动可逆电机转动，带动滑线电阻RP的滑动点E移动，直到UDE=0，放大器无输入信号，此时UCD=UAE。滑线电阻滑动点E的位置对应于测量电桥的输出电压UCD，即反映出待测气体的含量。,
