第七章 成分分析仪表

第七章成分分析仪表生产过程中，除了监控温度、压力、流量等参数外，还要分析和控制燃料、工质和排放物等的成分，这对保证运行安全、产品质量和生产经济性也是非常重要的。例如：（1）锅炉排放物有烟气、排污水和排灰渣等，如果处理不好，对大气和水源、农田等都会造成污染，因此应监督排放物中的有害成分，不得超过环保规定的值。一般规定火电厂中烟囱高度为150m时，的排放量为2400以下；烟囱高l00m时，的排放量不得超过1200。氮氧化物（折算为,）不得超过230（烟囱高度为100m时)。2SO2SO2NOkg/hkg/hkg/h（2）锅炉的给水和蒸汽中含有盐分、溶氧及二氧化硅等，会形成水垢和腐蚀设备。轻则降低机组效率，影响经济性，增加维修工作，重则可能造成受热面过热、降低强度而引起不安全问题（如爆管等）。氢冷发电机的氢气纯度不足，可能有爆炸的危险。这些都应进行监控。（3）热效率是锅炉运行经济性的指标，因此在线测定热效率是指导锅炉经济运行的最好依据。在反平衡计算法中与过程成分分析有关的项目是化学未完全燃烧热损失、机械未完全燃烧热损失。为此，对燃煤锅炉要求在线测量灰渣中的可燃物含量，以及排烟中的残余可燃气体（、、等）的含量。由于技术原因，锅炉效率仪尚待研究和定型。因此，实时分析烟气成分目前仍然是判断燃烧状况、监视锅炉经济运行的主要手段。CO2H4CH第一节成分分析仪表概述用于检测物质的组成和含量以及物质的各种物理特性的装置称为成分分析仪表。一、成分分析方法有两种类型◆定期取样，在实验室中对样品进行化学分析测定的实验室分析方法；◆利用可以连续测定被测物质含量或性质的分析仪表进行在线连续分析方法。相应的分析仪表有实验室用分析仪表和工业用自动分析仪表两种。二、自动分析仪表的组成自动分析仪表一般由自动取样装置、预处理系统、传感器、信息处理系统、显示仪表、整机自动控制系统六部分组成。自动取样装置预处理系统传感器（检测器）信息处理系统显示仪表整机自动控制系统各部分的作用三、常用成分分析仪表的分类1．按被测成分分类（1）氧量表。用来监测混合气体（如燃烧产物）中氧的含量，如氧化锆氧量计；用来测量汽、水中溶解氧的水中溶氧表。（2）氢表。监测氢冷发电机中氢气的纯度。（3）二氧化碳分析仪。对混合气体（如烟气）中含量二氧化碳进行监测。如热导式二氧化碳分析仪、红外线二氧化碳分析仪等。（4）盐量表。用来监测汽、水中的含盐量，如纳表、电导仪等。（5）二氧化硅分析仪。监测水和蒸汽中二氧化硅含量。此外还有磷酸根、溶解铁、余氯、PH值等分析仪表。2．按仪器的工作原理分类（1）电化学式分析仪表，如电导仪、酸度计、氧化锆氧分析仪。（2）热学式分析仪表，如热导式氢分析仪。（3）磁学式分析仪表，如热磁式氧量计。（4）光学式分析仪表，如红外线气体分析仪。（5）色谱式分析仪表，如气相色谱仪、液相色谱仪。此外还有射线式分析仪表、电子光学式和离子光学式分析仪表等。第二节氧化锆氧分析仪氧含量分析仪是目前工业生产中应用较多的在线分析仪表，广泛地应用在火力发电、采暖、炼油、化工、轻纺、环保等工业领域内。例如：在火力发电厂中，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。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，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。一般对燃煤炉约在1.20～1.30，对燃油炉约在1.10～1.20。而过剩空气系数的大小可通过分析炉烟中O2的含量来判断。使用氧化锆氧分析仪可以测量烟气中的含氧量，及时控制燃料和空气的比例，使燃烧维持在良好的状态下。特点：氧化锆氧分析仪又称氧化锆氧量计，具有结构简单、反应速度快（测高、中氧含量时，时间常数T＜3s）、灵敏度高、适于分析高温气体等特点。分类：根据安装方式的不同，分为抽出式和直插式两类。一、工作原理1.氧化锆固体电解质的导电机理在ZrO2材料中加入一定量的氧化钙（CaO）或氧化钇（Y2O3），经高温烧结，+2价的钙离子Ca2+会进入ZrO2晶体而置换出+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萤石性立方晶体。这种材料被称为空穴型氧化锆晶体，它一种高致密的工业陶瓷材料。空穴型氧化锆晶体中有氧离子空穴，其数量与混合的CaO数量有关。当有外界氧离子存在时，氧离子会自动地填入晶体中的空穴，亦可以自由地移动。由于空穴型氧化锆材料在650℃以上的高温下是一种氧离子的良导体，故它是一种固体电解质。2、工作原理氧化锆氧分析仪是基于电化学中浓差电池的原理工作的。高浓度侧的氧分子渗入多孔铂电极后，在铂电极上发生还原反应O2＋4e→2O2—氧离子通过氧化锆材料到达低浓度侧的铂电极，释放出电子，形成氧分子，在铂电极上发生氧化反应2O2—→O2＋4e浓差电势由能斯特公式确定当参比气体的总压力与待测气体的总压力相等均为P时，上式可化成如下形式：空气中氧量一般为20.8％,在总压力为一个大气压下，可以得出E与的关系式为：12lnppnFRTE1212lnlnnFRTppppnFRTE1128.20lg109615.4TE结论：当氧浓差电池温度恒定，以及参比气体浓度一定时，电池产生的氧浓差电势将与待测气样氧浓度成单值函数关系。通过测量氧浓差电势的数值，就可得出被测气体的氧含量。需要说明：氧分析仪在工作时，将氧化锆内外侧都通上相同气体（空气或烟气），按上式计算应得0毫伏的电势。事实上每只氧化锆氧分析仪都达不到零值毫伏，这是因为氧化锆管制造过程中总是存在有结构上的不对称及晶格缺陷。解决零位电势（本底电势）的方法有：调节显示仪表机械零位，或通过给定器补偿掉。213.保证氧量计正确测量的条件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。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，以保证两种气体的氧分压之比能代表氧含量比。4、保持参比气样和待测气样有一定的流速，以保证测量的准确性。二、测量系统氧化锆氧分析仪由氧化锆探头（又称传感器、检测器）、变送器两部分组成。氧化锆管是氧化锆探头的核心部分，它由氧化锆固体电解质管、铂电极和引线构成，包括有封头式和无封头式两种形式。氧化锆管的结构(a)无封头式；（b）有封头式1、2—电极；3、4—引线1.直插定温式氧化锆测量系统2.直插补偿式氧化锆测量系统毫伏变换器显示与记录温度控制器管2OZrK烟气电炉丝氧化锆探头(a)探头示意图(b)温度补偿原理框图直插补偿式氧化锆氧分析仪1-氧化锆管；2、5-毫伏变送器；3-热电偶；4-函数发生器；6-除法器智能型氧化锆氧分析仪结构示意图主机控制单元以单片机为核心，对数字信号进行采集、处理和控制，转换为相应的氧浓度值显示在显示屏上，同时将数字信号转换为0～10mA或4～20mADC标准电流信号输出。此外，可在运行中进行自检，并通过电缆实现对传感器的温度控制、过热保护和故障监督。三、氧化锆氧分析仪的应用举例在一端封闭的氧化锆管内外侧，分别通过空气和被测烟气，在管外装有铂铑-铂热电偶，测定氧化锆管的工作温度，并通过毫伏变换器和温控装置去控制电炉电流，从而达到定温控制。为了防止炉烟尘粒污染氧化锆，加装了多孔性陶瓷过滤器。用泵抽吸烟气和空气，使它们的流速在一定范围内，同时使空气和烟气侧的总压力大致相等。第三节红外线气体分析仪原理：红外线气体分析仪是应用气体对红外线光吸收原理制成的一种仪表。特点：具有灵敏度高、反应快、分析范围宽、选择性好、抗干扰能力强等特点。应用：它可用于CO、CO2、CH4、C2H2、C2H5OH、H2O（水汽）等非对称分子结构气体含量的分析测量，是应用比较多的一种光学式分析仪表，被广泛地应用于工业流程中气体的连续自动监测，分析混合气体中某组分的含量测量。如冶炼工业中的CO、CO2含量测量，电站锅炉燃烧炉烟中CO、CO2含量测量，以及化工、石油工业流程中气体的分析等，也可用于大气污染气体的监测和医学上某些气体的监测。一、红外线的基本知识1.红外线的特征红外线是一种电磁波，它的波长范围大致在0.76μm到1000μm的频谱范围之内，与可见光一样具有反射、折射、散射等性质。红外线的最大特点就是具有光热效应，它是光谱中最大的光热效应区。另外，红外线在介质中传播时，会由于介质的吸收和散射作用而衰减。每一种化合物的分子并不是对红外光谱内所有波长的辐射或任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是有选择性地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射。这个所谓的波段就是分子的特征吸收带。气体分子的特征吸收带主要分布在1～25μm波长范围内的红外区。例如，CO气体能吸收的红外波长为2.37μm和4.65μm，CO2的特征吸收波长为2.78μm和4.26μm。2朗伯-贝尔定律气体对红外线的吸收服从于朗伯-贝尔定律，其关系式为KCLeII0当红外辐射穿过待测组分的长度和入射红外辐射的强度一定时，由于对某一种特定的待测组分是常数，故透过的红外辐射强度仅仅是待测组分摩尔百分浓度的单值函数，其关系如图所示。通过测定透射的红外辐射强度，可以确定待测组分的浓度。以这一原理为基础发展起来的光谱仪器，称为红外气体分析仪。L0IKI二、红外气体分析仪的工作原理及结构组成1.红外气体分析仪类型按不同分类方法可分为工业型和实验室型；色散型（分光式）和非色散型（非分光式）等。●分光式是根据待测组分的特征吸收波长，采用一套光学分光系统，使通过被测介质层的红外线波长与待测组分特征吸收波长相吻合，进而测定待测组分的浓度。●非分光式是光源的连续波谱全部投射到待测样品上，而待测组分仅吸收其特征波长的红外线，进而测定待测组分的浓度。工业过程主要应用这类仪表。2.工作原理红外线气体分析仪是根据待测气体在特征吸收波长上吸收红外线能量的原理工作的。气体吸收红外辐射后，气体的温度上升或压力上升，这种温度和压力的变化与待测组分浓度有关，通过测量变化的温度或压力就可测出待测组分的浓度。3.红外线气体分析仪的结构组成红外线气体分析仪一般由光源、气室、接收元件、切光片和窗口等组成，典型的结构如图所示。红外气体分析仪原理图1-光源；2-同步电机；3-切光片；4-滤波室；5-参比室；6-测量室；7-检测室；8-薄膜；9-定片；10-电气单元；11-微机系统（1）光源光源的作用是产生两束能量相等而又稳定的红外光束，多由通电加热镍铬丝所得。辐射区的光源分两种，一种是单光源，一种是双光源,各有优点。（2）滤光元件其作用是吸收或滤去可被干扰气体吸收的红外线，去除干扰气体对测量的影响。滤光元件通常有两种，一种是充以干扰气体的滤光室，另一种是滤光片。滤光片是在晶片表面上喷涂若干涂层，使它只能让待测组分所对应的特征吸收波长的红外线透过，而不让其他波长的红外线透过或使其大大衰减。（3）测量室和参比室测量室和参比室的两端用透光性能良好的CaF2晶片密封。参比室内封入不吸收红外辐射的惰性气体，测量室则连续通入被测气体。测量室的长短与被测组分浓度有关，一般测量室的长度为0.3～200mm。（4）检测器检测器的作用是接收从红外光源辐射出的红外线，并转化成电信号。有光电导式和薄膜电容式两种检测器。光电导检测器只对某一波长范围内的红外线能量能吸收，它必须和滤波效果较好的滤光片配合使用。目前用的较多的材料是锑化铟。大多数红外线分析仪都采用薄膜电容式检测器，其原理结构如图所示。薄膜电容式接收器1—窗口玻璃；2—吸收室；3—固定电极（定片）；4—可动电极（动片）（5）切光片切光片在电机带动下对光源发出的光辐射信号做周期性切割，将连续信号调制成一定频率（一般为2～25Hz，常用6.25Hz）的交变信号（一般为脉冲信号）。（6）微机系统微机系统的任务是将红外探测器的输出信号进行放大变成统一的直流电流信号，并对信号进行分析处理，将分析结果显示出来，同时根据需要输出浓度极值和故障状态报警信号。对信号处