工業(yè)儀表與工程測試：第7章 成分分析

1、第七章成分分析7.1 概述7.1.1 成分分析的意義監(jiān)測和控制工藝成分參數(shù)，保證工序質(zhì)量（按物料不同）成份分析：固體成份分析、氣體成份分析 氣體成份分析的作用：通過測定氣體成分，計(jì)算窯爐廢氣過?？諝庀禂?shù)和CO含量，判斷窯內(nèi)供風(fēng)情況及燃料燃燒程度，進(jìn)而判斷物料煅燒情況；比較窯爐系統(tǒng)不同部位廢氣成分，計(jì)算漏風(fēng)量；分析廢氣有害成分，確定廢氣對大氣污染程度。7.1.2 成分分析方法定期取樣法：實(shí)驗(yàn)室測定連續(xù)測定法：測定混合物中某種成分含量或性質(zhì)；測定混合物中幾種或全部組成的含量。7.1.3 成分分析儀組成 取樣系統(tǒng)：正確取出被測介質(zhì)的樣品 發(fā)送器：將被測組分含量轉(zhuǎn)換為電量輸出信號。 信號放大系統(tǒng)：將發(fā)

2、送器輸出的信號進(jìn)行放大。 顯示系統(tǒng)：顯示分析結(jié)果。7.1.4常用過程分析儀表分類按被測成分：氧量表、氫表、 鹽量表、 二氧化硅分析儀、磷酸鹽、溶解鐵、pH值分析儀表等。按工作原理電化學(xué)分析儀：電導(dǎo)式、電位式、電量式熱學(xué)分析儀：熱導(dǎo)式、熱化學(xué)式、熱譜式磁學(xué)分析儀：磁性氧分析儀、核磁共振波譜儀、電子順磁共振波譜儀。光學(xué)分析儀：吸收式 (光電比色)、發(fā)射式 (攝譜儀)。色譜儀：如氣相色譜儀、液相色譜儀。射線分析儀器、離子式光學(xué)分析儀器等。7.2 磁性氧量計(jì)用途：測量混合氣體中的氧氣含量7.2.1 氣體的磁化特性（1）氣體的磁化率磁化現(xiàn)象：任何物質(zhì)處于外磁場中會受到力或力矩的作用而顯示出磁性，即介質(zhì)在

3、磁場中被磁化介質(zhì)分子磁矩沿一個方向順序排列。磁化強(qiáng)度：磁場強(qiáng)度介質(zhì)磁化率磁感應(yīng)強(qiáng)度：真空中的磁導(dǎo)率介質(zhì)相對磁化率介質(zhì)磁化率順磁性物質(zhì)：在外磁場中被拉向磁場較強(qiáng)處00逆磁性物質(zhì)：在外磁場中被移向磁場較弱處氧氣的磁化率為正，且比其它氣體的磁化率高得多。7.2.2熱磁式氧分析器的組成 環(huán)形室中央旁通管：水平放置；管上繞有二個鉑絲加熱線圈R1和R2，它們與另二個錳銅合金絲做成的電阻器R3和R4組成測量電橋的四個臂，電橋線路對角線上連接毫伏計(jì)（刻度為氧的百分含量）磁極：靠近R1的邊緣磁極 中央旁通管環(huán)形管毫伏計(jì)7.2.3工作原理抽氣器將被測氣體連續(xù)吸入環(huán)形室氣體中無氧時，旁通管中無電流流過，測量電橋處于

4、平衡狀態(tài)，輸出電壓為零，儀表指針指零。氣體中含氧時，氧氣被不均勻磁場吸入旁通管，被發(fā)熱元件R1加熱，磁化率降低，所受磁場引力減小，被隨后低溫氧氣推出。氧氣排出在磁道中形成磁風(fēng)（稱熱磁對流）。氧氣在旁通管中流動時，在R1處起冷卻作用，流至R2處時，因其已被加熱，對R2影響較小，故TR1TR2，電橋失衡，輸出電壓信號，信號大小反映了氣體氧含量。若氣體中混有NO，將影響測量結(jié)果，引起誤差。7.3 奧氏氣體成分分析儀7.3.1系統(tǒng)組成：三個裝有吸收劑的吸收瓶，吸收瓶分別通過旋閥7、8、9與梳形管相連。圖7-2 奧氏氣體分析儀結(jié)構(gòu)示意圖1-過濾器；2-三通旋塞；3-梳形管；4-量管；5-水套管；6-平衡

5、瓶；7、8、9-旋閥；10、11、12-吸收瓶；13、14、15-緩沖瓶梳形管一端經(jīng)三通閥與取樣點(diǎn)或大氣相通，另一端與量管相連。量管下接平衡瓶，以吸入或排出氣體。過濾器：用于干燥氣體。1）儀器氣密性檢查 關(guān)閉7、8、9使三通閥與大氣相通，使平衡瓶6升至一定高度，然后關(guān)閉三通閥，觀察量管內(nèi)水面，若5min不降，說明無漏氣，可開始分析。CO2O2CO分析順序：7.3.2分析步驟2）液面高度調(diào)節(jié) 將三個吸收瓶中吸收液面調(diào)至同一高度，然后把量管4內(nèi)的空氣全部排出，用待測氣體試樣將容器清洗幾次，即可取氣體試樣100ml進(jìn)行分析。3）成分測定吸收劑CO2KOH或NaOH溶液O2焦性沒食子酸堿溶液CO氯化亞

6、銅氨溶液KOH:H2O1:2KOH:沒食子酸:H2O23.5:15:61.5CuCl : NH4Cl : H2O1 : 1.25 : 3.75a. 打開9，氣體通入吸收瓶12內(nèi)，CO2、 SO2 被吸收：2KOH + CO2K2CO3 + H2O2KOH + SO2K2SO3 + H2O 說明：廢氣中SO2含量較小，故一般計(jì)入CO2中或與CO2一并用RO2表示。1ml KOH40ml CO2吸收量 使用新鮮堿液時，吸收較快，往復(fù)通過45次可完全吸收。b、將氣體通入吸收瓶11，因焦性沒食子酸吸氧很慢，新溶液需往復(fù)通過56次，用過的溶液需更多次數(shù)。分析須按順序進(jìn)行，因Cu(NH3) 2Cl也能吸收

7、O2。吸收量：1ml 沒食子酸溶液4ml O2c、將剩余氣體試樣通入吸收瓶10，分析CO。反應(yīng)也很慢，需反復(fù)多次進(jìn)行Cu(NH3) 2Cl+ 2COCu(CO)2 + 2NH3吸收量：1ml Cu(NH3) 2Cl15ml CO上述三種吸收均需通過幾次，前后二次讀數(shù)相同時，方可依次進(jìn)入下一吸收瓶。三次吸收后剩余氣體為N2（%）：N2100CO2O2CO要求和注意事項(xiàng)： 1）應(yīng)根據(jù)煙氣溫度確定和選用不同材質(zhì)的取樣管，以防止取樣管與煙氣中二氧化碳或水汽發(fā)生反應(yīng)從而改變煙氣的原始成分。2）儀器中所有連接部分均要緊密，連接處要涂真空脂或凡士林沒油，防止漏氣。 3）分析過程中，要嚴(yán)格注意勿使試劑高出吸收

8、器上規(guī)定的液面高度標(biāo)記線。4）通過吸收空氣中的氧（20.9%）檢驗(yàn)吸收器的準(zhǔn)確性。7.4 CO2自動分析儀7.4.1基本知識熱傳導(dǎo)過程中，不同氣體導(dǎo)熱系數(shù)也不同，導(dǎo)熱系數(shù)大者，傳熱快；反之亦然。所以，氣體混合物中組分含量的變化會引起混合物導(dǎo)熱系數(shù)的變化。Name of Gas airWater VaporN2O2COSO2CO2CH4H2H2SRelativeThermalConductivityCoefficient10.6730.9951.0070.9580.3140.6051.266.990.538Relative Thermal Conductivity Coefficient of

9、GasesN2、O2、CO的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣相近；CO2的導(dǎo)熱系數(shù)與空氣相差較大。因此，若氣體中不含CH4、SO2、H2和水氣，則可根據(jù)混合物的導(dǎo)熱系數(shù)測定值間接測定CO2含量。煙氣中常含CO 、SO2、H2和水氣。在混合物進(jìn)入分析器前，用特殊的電爐（氫燃燒爐）將H2燒成水氣，將CO燒成CO2。水氣經(jīng)洗滌冷卻后達(dá)室溫下飽和狀態(tài)，近似定值；SO2通過過濾器吸收除去。經(jīng)處理的煙氣即可通入分析器進(jìn)行測定。煙氣室空氣室毫伏計(jì)微安計(jì)電橋各臂電阻值均相同。二相對橋臂R1、R3置于被測氣體通過的二煙室內(nèi)，另二橋臂置于空氣室內(nèi)。電橋的一個對角線上接專門裝置供給的直流電；另一對角線接測量儀表。電橋各臂用直流電加熱

10、至901007.4.2CO2自動分析器的工作原理儀器結(jié)構(gòu)組成橋臂各室內(nèi)全充滿清潔空氣時，每個鉑絲向周圍介質(zhì)的傳熱情況相同，各橋臂溫度相同，電阻值相同，電橋處于平衡狀態(tài)，對角線二點(diǎn)間電位差為零，毫伏表指零。含CO2的氣體流經(jīng)煙氣室時，因熱導(dǎo)率小于空氣，故鉑絲放熱量比在空氣中時小，因而橋臂TR1和TR3高于TR2和TR4，R1和R3的電阻值大于R2和R4，破壞電橋平衡，在A、C二點(diǎn)產(chǎn)生電位差，毫伏計(jì)指針偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。工作原理：指針偏轉(zhuǎn)角度與煙氣中CO2含量相對應(yīng)，故可從毫伏計(jì)刻度盤上直接讀出被測煙氣的CO2含量。橋臂R1、R2、R3、和R4應(yīng)盡量相等，但實(shí)際工作條件下往往難以實(shí)現(xiàn)。故電橋中接入滑線

11、變阻器R5，以在分析前調(diào)整電橋平衡。調(diào)整時，使煙氣室和空氣室都通入清潔的空氣，調(diào)節(jié)R5使毫伏計(jì)指針指零。CO2導(dǎo)熱率與溫度有關(guān)。0時相對導(dǎo)熱率為0.605；100為0.7；325時為1。故應(yīng)控制電橋溫度于一定范圍。為此，在供電線路中串接變阻器R0和毫安計(jì)以調(diào)節(jié)和控制電流量。7.5紅外線氣體分析器利用混合氣體中某些組分會有選擇地吸收紅外輻射能的特性，連續(xù)分析和測定被測氣體中某一待測組分的含量?？蓽y定的氣體：CO、CO2、CH4、C2H4、NH3、水蒸汽不能測定的氣體：雙原子氣體、惰性氣體7.5.1 基本知識紅外線是一種電磁波，波長：0.76420m。物質(zhì)具有一定的紅外輻射，輻射大小與物質(zhì)溫度有關(guān)

12、。T低時，輻射波長較長，T升高時，最大輻射能波長向短波方向遷移。紅外線氣體分析器利用125m光譜段。將鎳鉻絲通電加熱至730時，輻射光波長主要集中在此范圍。輻射能被物質(zhì)吸收后部分轉(zhuǎn)化為熱能，T升高。紅外線熱輻射特征：物體的熱輻射絕大部分集中在紅外區(qū)域。由此可用熱敏電阻或熱電堆接收紅外線。各種氣體介質(zhì)并非對紅外范圍內(nèi)不同波長的輻射能都有吸收能力，而是選擇性吸收，即每種氣體分子只能吸收某一特定波長范圍的紅外輻射能量。某些氣體的特征吸收波長氣體吸收峰波長/mCO22.7和4.26CO2.37和4.65CH42.3、3.3和7.65H2O(g)2.0紅外線通過介質(zhì)時，輻射能變化與待測介質(zhì)溫度有關(guān)，據(jù)此

13、可對被測介質(zhì)進(jìn)行定量分析。特征吸收波長7.5.2紅外線氣體分析器的構(gòu)造紅外輻射源、分析室、參比室、檢測器、前置放大器、主放大器、記錄器7.5.3工作原理從二紅外線輻射光源發(fā)出的二束平行紅外線被由同步電機(jī)帶動的切光片調(diào)制成12.5Hz的交變輻射。其中一束經(jīng)分析室左接收室，另一束經(jīng)分析室和過濾器到達(dá)右接收室。檢測室內(nèi)裝有薄膜電容器，電容器由動極鋁膜和定極鋁合金圓柱體組成。動極將二接收室隔開，檢測室內(nèi)封被測氣體。當(dāng)檢測室受到紅外線照射時，內(nèi)部氣體受熱膨脹并產(chǎn)生壓力脈沖作用在動極上。當(dāng)分析室內(nèi)無被測氣體通過時，檢測室左右二接收室的紅外輻射相等，作用在動極上的壓力大小相等，方向相反，薄膜處于平衡狀態(tài)，儀

14、器無信號輸出。當(dāng)被測氣體通過分析室時，氣體對紅外輻射產(chǎn)生選擇性吸收，到達(dá)檢測室的二束紅外線輻射產(chǎn)生差異，作用在動極上的壓力出現(xiàn)差值，鋁膜產(chǎn)生變形，致使電容器電容產(chǎn)生變化。該電容變化轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出，經(jīng)放大、記錄，由記錄儀表測得的電壓信號即可得出待測氣體含量。7.6氧化鋯氧量計(jì)用氧化鋯固體電解質(zhì)作測量元件，將氧量信號轉(zhuǎn)換為電量信號顯示被測氣體的氧含量。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、不受其它氣體干擾廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠。 7.6.1 工作原理和結(jié)構(gòu)ZrO2 晶體結(jié)構(gòu)：單斜立方 常溫1500體積收縮 7結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，反復(fù)加熱和冷卻會斷裂。純凈氧化鋯不能用作測量元件。 摻入 (1215) CaO或 (Y

15、2O3)等穩(wěn)定劑，經(jīng)高溫焙燒形成穩(wěn)定瑩石型立方晶體。因鈣、釔化合價與鋯不同，在晶體中產(chǎn)生氧離子空穴。氧化鋯管濃差電池電池反應(yīng)：管內(nèi)通空氣(參比氣體)，管外走煙氣。管內(nèi)外兩側(cè)氣體中的O2被金屬鉑吸附，且在其催化作用下得到電子、成為O2進(jìn)入氧化鋯離子空穴中，金屬鉑表面上留下過剩正電荷。同時，氧化鋯中的O2失去電子成為O2回到空氣或煙氣中。 達(dá)到動態(tài)平衡時，在鉑金屬表面附近形成雙電層 能斯特方程：氧濃差電動勢 空氣(參比氣體)的氧分壓 煙氣(被測氣體)的氧分壓 7.6.2 ZO系列氧化鋯氧量分析儀(1) 特點(diǎn)1）結(jié)構(gòu)簡單、測量迅速、準(zhǔn)確2) 雙參數(shù)修正，對氧化鋯探頭的本底電動勢及爐溫參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度。3) 新穎探頭結(jié)構(gòu)，便于更換氧化鋁、熱電偶元件，降低使用成本，延長探頭壽命。4) 導(dǎo)流直插式結(jié)構(gòu)，參比氣體自然對流，不用抽