热工参数测量之成分测量

四、物质成分分析仪表
基于多种测量原理工作。在进行物质成分分析测量时，需要根 据被测物质的物理或化学性质，来选择适当的分析手段和仪表。
按照测量原理， 1.电化学式分析仪表：如pH计，电导仪，盐量计，电磁浓度计，原 电池式、极谱式和氧化锆氧量分析仪表。 2.热学式分析仪表：如热导式和热化学式气体分析仪表。 3.磁学式分析仪表：如热磁式和磁力机械式氧分析仪表。
测量线路中必须具有对输出信号进行线性化处理的线性 化电路，显示仪表具有较高输入阻抗。

三、氧化锆氧量分析仪表的基本结构
ห้องสมุดไป่ตู้
（一）氧化锆探头：将被测气体的含氧量转换成氧浓差电 势。
一端封闭型 结构形式
两端开口型
（二）氧量变送器：将浓差电势转换成0~10mA.DC或 4~20mA.DC输出给显示仪表或调节器或直接进行数字显 示。

2.预处理系统 预处理是针对物质成分分析仪表而言的。预处理的任务是将取 样装置从生产过程中提取的样品加工处理，以满足测量仪表对样品 状态的要求。如除尘、除湿、过滤有害物质、稳压稳流调节、流路 及管线的合理布局等。
3.分离装置
在物质成分分析仪表中，分离是进行定性或定量分析的基本手 段之一。 例如在气相色谱仪中，待分析的气样在载气（输送样品的气 体）带动下进入充有吸附剂的色谱柱时，各组分经过连续地分配、
（三）测量系统 1.直插式
（1）温度补偿式：要求被测气体温度在650~850℃范围内，用热 电偶温度计测量气体温度，通过补偿装置消除气体温度对指示值影 响。
（2）定温对流式：氧化锆管外部加装定温加热炉，使氧化锆管在 定温条件下工作，定温加热炉外的温差使炉内外经过过滤的烟气在 氧化锆管的外部形成自然热对流，参比气体利用烟道负压不断在氧 化锆管内通过。
参比侧铂电极由于大量给出电子而带正电，成为氧浓差电池的 正极或阳极。这些氧离子进入电解质后，通过晶体中的空穴向前运 动到达右侧的铂电极，在烟气侧发生氧化反应，氧离子在铂电极上 释放电子并结合成氧分子析出，即：2O2- - 4e O2 烟气侧铂电极由于大量得到电子而带负电，成为氧浓差电池的 负极或阴极。这样在两个电极上，由于正负电荷的堆积而形成一个 电势，即氧浓差电动势。
有足够的机械强度。 不与试样起化学反应和催化作用。 不造成过大的取样滞后。 易于安装、清洗。


探头清洗
有些分析仪表的探头或检测元件经常被介质中污染物污 染，导致探头或检测元件反应迟钝，需要定期清洗。 清洗时，先用阀门将探头或检测元件与工艺流程隔离， 自动清洗装置采用增压的流体喷射，或加热、化学法及 超声波清洗。
2.工作原理分析
在高温（650~850℃）下，氧气从分 压大的参比侧向分压小的烟气侧扩散。这 种扩散，不是氧分子透过氧化锆从参比侧 到烟气侧，而是氧分子离解成氧离子后， 通过氧化锆的过程。在750℃左右的高温中， 在铂电极的催化作用下，在参比侧发生还 原反应：O2 + 4e 2O2-
烟气侧
参比侧
吸附及吸收作用，便可被分离成单一的组分，此后各组分依次通过
测量仪表即可实现多组分气体的含量分析。
4.检测器或检测系统 检测器是物质成分分析仪表的核心部分，它能够把待分析的含 量信息转变成相应的输出信号，输出信号大多数是电参数。 5.信号处理系统 由于检测器输出的信号多数是电信号，所以信号处理系统也是 以电信号处理为主。检测器输出的信号一般是很微弱的，所以信号 处理系统一般都包括放大环节和一些运算环节等。 6.显示环节 主要是显示物质成分分析的最终结果。显示装置有模拟显示装
置、数字显示装置、图像显示装置等。
物质成分分析仪表的分类

按照使用场合的不同


实验室分析仪表
过程分析仪表

两者的重要区别

过程分析仪表具有连续、可靠、精确地向操作人员或自控 装置及时提供工艺过程质量信息的功能，因此在结构上具 有能够自动地连续采样、对试样进行预处理（抽吸、过滤、 干燥等）、自动地进行分析、信号的处理和远传以及抗干 扰等装置或部件，其结构比实验室分析仪表复杂，精度通 常比实验室分析仪器略低。
五、烟气成分及其烟气成分的分析
（一）烟气成分
1.当=1并且完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、N2和H2O 组成。 2.当>1并且完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、O2、N2和 H2O组成。 3.当≥1且不完全燃烧时，烟气由CO2、SO2、CO、O2、 N2和H2O组成。
在锅炉燃烧系统中，为了确定锅炉燃烧状况，计算燃 烧效率，必须知道烟道气中O2、CO、CO2等气体的含量。
设计取样装置时，应注意取样点选取、取样探头及探 头清洗几个方面。

取样点选择
取样点选择应该满足要求
① 能正确地反应被测组分变化的地点。
② 不存在泄漏。
③ 试样含尘雾容量少，不致发生堵塞现象。
④ 试样不处于化学反应过程中。


取样探头
功能：直接与被测物质接触取得试样，并初步净化试样。

要求

物质成分分析仪表的组成
1.取样装置
（1）任务：将待分析的样品引入到物质成分分析仪表。
根据被分析的对象不同，样品可分为气体、液体、熔融金 属、固体散状物料等几种情况。物质成分分析仪表大多为气体 分析仪表，如果样品为液体也往往使它气化。
（2）基本要求
• 能够承受生产过程的恶劣条件。 • 对于所取的样品，应该有代表性，没有被测量组分的损失。 • 不应该与待分析样品中任何组分起化学反应，防止失真。
二、使用注意事项

氧化锆管应该在恒定温度下工作或采取温度补偿措施。
氧化锆管应该在一定高温下工作，并且使得参比侧氧分 压恒定不变，比烟气侧氧分压大得多。


保证材料均匀致密性，不能有裂纹或微小的孔洞。
保证材料的纯度，电极应该使用纯铂丝。


使用中保持被测气体与参比气体的压力相等且恒定。
保证氧化锆管两侧气体有一定的流速，不断流动更新。
第六章
第一节 第二节
烟气含氧量测量
物质成分分析的基本知识 氧化锆氧量分析仪表
第一节
物质成分分析的基本知识
一、物质成分 指一种化合物或混合物是由哪些种类的分子、原子 或原子团所组成，以及这些分子、原子或原子团的含量是 多少。 二、物质成分分析的内容 1.确定物质的化学组成 2.确定某一或全部组分在混合气体或液体中所占百分含量 三、物质成分分析的方法 1.定期取样，通过实验室测定的实验室分析方法。 2.利用可以连续测定被测物质的含量或性质的自动分析仪 表，即物质成分分析仪表。
“浓差电池” ？
1.氧化锆(ZrO2）的结构形式
单斜晶体 立方晶体 单斜晶体
纯氧化锆的晶型是不稳定的。当在ZrO2中掺入一定 量的稳定剂Y2O3时，由于Y3+置换了Zr4+的位置，一方面 在晶体中留下了氧离子空穴，另一方面由于晶体内部应力 变化的原因，该晶体冷却后仍保留立方晶体，因此又称它 为稳定氧化锆。稳定氧化锆在高温下(650℃以上)是氧离 子的良好导体。
RT P2 ln 氧浓差电势： E nF P1
若参比气体侧和待分析气体烟气侧气体的总压力相等， 均为P，则
RT P2 / P RT 2 E ln ln nF P1 / P nF 1
温度一定，当固体电介质参比侧氧分压已知时，由浓 差电池输出氧浓差电势E，就可以计算出固体电介质另一 侧，即烟气侧氧分压的大小。
特点：结构简单，反应速度快，测量误差较大，要求被测气体温度 较高。
2.抽出式：带有抽气和净化装置，抽出气样后再送入氧化锆管，
能除去气样中的杂质和二氧化硫等气体，利于保护氧化锆管。 特点：测量准确度高，测量系统比较复杂，反应慢，测量管路容易 堵塞，因此目前火力发电厂中采用不多。
2.动作反应快，迟延小。
第二节
氧化锆氧量分析仪表
特点：
结构简单，价格便宜，测量精度高，对氧含量变化反 应迅速，灵敏度高，测量范围宽，运行可靠，安装方便， 维护量小。
一、氧化锆氧量分析仪表的工作原理
以附上多孔的金属铂电极的氧化锆做固体电解质，使 其处于高温状态，当电解质两侧气体中氧气的浓度不同时， 两铂电极间形成浓差电池。浓差电池产生的电势与两侧氧 气的浓度有关，如果一侧铂电极氧气浓度固定，则可以通 过测量输出浓差电势测量另一侧铂电极氧气的含量。
4.光学式分析仪表：如红外线气体分析仪、紫外线分析仪和流程光
电比色计。 5.射线式分析仪表：如X射线分析仪、同位素分析仪。 6.色谱分析仪表：如流程气相色谱仪和流程液相色谱仪。 7.电子光学和离子光学式分析仪表：如电子探针、质谱仪、离子探 针。 8.物性测量仪表：如水分计、粘度计、湿度计、密度计、电导率测 量仪。
（二）烟气成分分析的目的
1.监视炉膛内燃料燃烧状况，及时控制燃料和空气的比例， 确保机组安全经济运行,提高锅炉燃烧经济性。 2.环境保护要求不断提高，必须监视烟气中的有害成分。 （三）烟气中氧的含量与炉膛内过剩空气系数的关系 1.氧含量与过量空气系数之间具有单值函数关系，且受 燃料品种、燃烧方式和设备结构影响小。