1、第八章 气体成分分析,概述,燃烧过程中，测量烟气中O2或CO2含量，了解燃烧情况。 环境保护方面，分析排烟中NOx含量，了解环境状况。,8.1 氧化锆氧量计,氧化锆氧量计,为达到锅炉燃烧的经济性，需要确保最佳的风煤比。由于直接测量过剩空气系数较困难，可根据烟气中O2的含量来间接计算过剩空气系数。,氧化锆氧量计,氧化锆氧量计是一种烟气氧含量分析测量仪表。 特点：结构简单、灵敏度高、测量范围大、响应快。,一、氧化锆测氧原理,氧化锆：是一种固体电解质，具有离子导电特性。ZrO2是单斜晶体。当温度升高到11500C时，晶体发生相变，由单斜晶体变为立方晶体；当温度下降时，相变反过来进行。 纯ZrO2含有
2、的氧空穴浓度很小，必须掺入少量其他低价氧化物。 当温度上升到8000C以上时，掺有CaO的ZrO2是一种良好的氧离子导体。氧化镐氧量计便是掺有CaO的ZrO2材料制成。,氧浓差电势产生,实际上自然界不存在独立的氧离子，只可能存在氧分子。如何将气体中的氧分子转换成氧离子，从而产生氧电动势? 含有氧空穴杂质的氧化锆，两侧各附一个多孔铂电极。设空气中有一个氧分子，当氧分子扩散到铂电极2后，发生还原反应：,反应结果是，空气中氧分子成为氧离子，铂电极2被借走4个电子，是正极。 上述2O2离子传到另一侧铂电极1发生氧化反应，还原成氧原子脱离电极1。电极1得到4个电子带负电。形成氧浓差电势。,氧化镐测量含氧
3、量基本原理,利用所谓的“氧浓差电势”，即在一块氧化镐两侧分别附上一个多孔的铂电极，并使其处于高温下。如果两侧气体中的含氧量不同，那么在两电极间就会出现电动势。此电动势是由于固体电介质两侧气体的含氧浓度不同而产生的，故叫氧浓差电势。,实际在测烟气时，因空气含氧量20.8%，烟气侧总是低于此值，空气侧铂电极是正极，烟气侧是负极。,能斯特方程,氧浓差电势的大小由能斯特方程给出：式中 E氧浓差电势（V)；F法拉第常数；R理想气体常数；T热力学温度（K)；n一个氧分子从正电极带到负电极的电子数，n=4 。,实际应用时，取空气做气体2，其含氧量2和氧分压p2固定不变。气体1即被分析的气体。如果被分析的气体
4、和参比气体（空气）的总压均为p，则式（81）可写成：,在混合气体中，某气体组分的分压力与总压力之比等于该组分的体积浓度，即：则代入上式可得：,将 代入式（83），将自然对数变成常用对数，可得：,所得结论如下：,（1）在温度T一定时，氧浓差电势E与被测气体含氧量 成单值关系。 （2）氧浓差电势与温度有关，在测量系统中必须采用恒温措施或对温度变化带来的误差进行补偿。为了保证一定的灵敏度，使工作温度在6000C以上。 由于ZrO2烧结温度为12000C，工作温度不能超过11500C。温度过高会产生燃料电池效应，使输出增大。,（3）上式是在参比气体和被测气体总压相等的条件下得到的，在使用中应保持二者相
5、等且不变。,二、氧化锆氧量计的测量系统,氧化锆氧量计,氧化锆氧量计由传感器（氧化锆探头），变送器以及显示器组成。显示器可以数字式读数，也可用模拟式。 氧化锆氧量计安装方式分为抽取式和直插式。抽取式是通过取样装置，将烟气抽出经过预处理后再用氧化锆测氧。直插式是将氧化锆探头直接插入高温烟道或旁路烟道。,1、氧化锆管,测氧计的发送器，有封头式和无封头式两种。,两个铂电极分别附在内外壁上，用铂丝作为电极引出线。 要求：性能稳定，复制性好，孔隙小，纯度高等。铂电极具有多孔性。,2、补偿式测量系统,为得到氧浓差电势与被测含氧量的单一关系，方法之一就是在测量系统中加入温度补偿回路对温度变化进行补偿。 工作时
6、，氧化锆管直接装在温度约为6507600C处，插入深度1.5m左右，以满足其工作温度要求。,氧浓差电势和K型热电偶的热电势随温度的变化基本相等，二者之差基本与温度无关。,最简单的补偿系统,在氧化锆管内装一只K型热电偶，使氧化锆输出的氧浓差电势和K型热电势反向串联，然后送至二次仪表。,此方法，不能得到完全补偿，但系统简单，工业应用广泛。 如更精确进行补偿，可采用更复杂的电路结构或恒温装置。,8.2 红外气体分析仪,一、红外气体分析原理,根据红外理论，许多化合物分子在红外波段具有一定的吸收带。由分子本身结构决定。 当物质分子固有的振动和转动频率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子吸收红外辐射能
7、量，转变为分子振动动能和转动动能。 特征吸收带：分子有选择地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射。气体分子的特征吸收带分布125m波长范围内。,通过对特征吸收带及其吸收光谱进行分析，可以鉴定识别分子的类型；也可以通过测量此吸收带的一个窄波段的红外辐射吸收情况，得到待测组分含量。 贝尔定律：描述红外辐射强度与待测组分浓度之间的关系。E透射红外辐射的强度； E0入射红外辐射的强度；待测组分对波长为 的红外辐射的吸收系数； C待测组分的物质的量浓度； l红外辐射穿过的待测组分的长度。,当红外辐射穿过待测组分的长度和入射强度一定， 对于特定待测组分是常数，透过红外辐射强度仅是待测组分物质的量浓度的单值函
8、数。通过测定透射的红外辐射强度，可确定待测组分的浓度。,二、红外气体分析仪系统工作原理,单组分红外气体分析仪,红外光一束通过样品气室6，另一束通过参考气室5，经干涉滤光片7，经过聚光器8投射到红外探测器9，经信号放大器，最后到显示器。,切光片3：安放在红外光源和气室之间，由同步电机4带动。使红外辐射轮流通过样品气室和参考气室。红外探测器交替接收通过样品气室和参考气室的红外辐射。 干涉滤光片7：只允许某一窄波段的红外辐射通过，中心波长选取待测组分特征吸收带的中心波长。,分析过程,参考气室内封有不含待测组分的气体，当被分析混合气体未进入样品室时，红外辐射不会在选定的窄波段上被吸收，红外探测器上交替
9、接收到的红外辐射通量相等，探测器只有直流响应，交流放大器输出为零。 样品室含有待测混合气体，在特征吸收带对红外辐射吸收，通过样品室和参考气室的红外辐射通量不再相等，探测器接收到变化的红外辐射，交流放大器输出不为零。 经过适当标定，根据输出信号的大小推测待测组分浓度。,多组分红外气体分析仪,关键是对信号的分离技术以及信号间相互干扰的处理。,分析过程,红外辐射光束通过切光器，样品室被红外探测器接收。 切光器上布置6个气室，3个气室为参考气室，充以浓度100的待测组分。 另3个气室为分析室，Sa（B,C），Sb（A,C），Sc（A,B）。 红外探测器出现6个波峰（3个参考峰，3个分析峰）。 分离器按
10、程序将3组信号分开并各自相减，在3个放大器上得到待测组分各自浓度信号。,实际上，红外气体分析仪测定的红外辐射吸收与待测组分浓度之间的关系很复杂，必须通过实际标定来确定。 红外气体分析仪不能分析的气体：单原子气体（如He，Ne，Ar等），双原子气体同核分子（O2,N2,H2等）。 可分析的气体：具有偶极矩的气体分子。（CO2，CO，NO2等） 红外气体分析仪特点：精度高、灵敏度高、反应迅速等优点。,8.3 气相色谱分析仪,一、概述,色谱分析仪：多组分分析仪器。 特点：灵敏度高，分析速度快，应用范围广，结构简单，价格便宜。,色谱分析方法：是一种混合物分离技术，若与检测技术配合，可以对混合物各组分进行定性或定量分析。 色谱分析的基本原理：使被分析样品在“流动相”的推动下流过”色谱柱”(内装填充物，称固定相）。由于样品中各组分在流动相和固定相中的分配情况不同，它们从色谱柱中流出的时间不同，从而达到分离不同组分的目的。,
