第三节 烟气分析仪
烟气分析对于油田和炼厂的锅炉、加热炉维持最佳燃烧状况，减少废气排放和环境污染具有很大的意义。实践经验证明，锅炉、加热炉要能够保证燃料燃烧充分、不浪费能源，其重要参数就是要维持燃料与空气的最佳混合比。这一比例，通常可由烟气中的燃烧过剩空气系数体现出来。过剩空气系数即供给燃料燃烧的实际空气量与燃料完全燃烧所必需的理论空气量之比。对于不同的燃料，过剩空气系数有所不同：燃煤锅炉为1.2～1.3；燃油锅炉为1.1～1.2；燃气锅炉1.05～1.1。过剩空气系数与烟气中的含氧量有一定的函数关系。通过连续测量烟气中的含氧量，就可以了解炉膛中的燃烧质量，从而控制进风量，保持最佳燃烧状态，达到降低燃料消耗、减少环境污染的目的。
目前，用于烟气含氧量在线测量的分析仪表，有热磁式、磁力机械式、氧化锆式三种。由于热磁式、磁力机械式工作温度低，结构复杂，不耐烟尘，反应时间长，分析烟气时需要有抽气、净化、降温装置，目前已被氧化锆含氧量分析仪取代。 一、氧化锆氧分析仪测量原理
氧化锆分析仪属于电化学分析方法，这种分析仪的优点是灵敏度高、稳定性好、响应快、测量范围宽（10-6～10-2)，而且不需要复杂的采样和预处理系统。它的探头工作温度高（800 ℃ )，适合烟气温度环境，可以直接插入烟道中连续地分析烟气中的氧含量。 氧化锆分析仪的基本工作原理基于氧浓差电池原理。氧化锆(ZrO2）是一种陶瓷固体电解质，在高温下有良好的离子导电特性。在纯氧化锆中掺入低价氧化物如氧化钙(CaO)及氧 化钇(Y2O3)等，在高温焙烧后形成稳定的晶体结构(见图6－13)。由于钙、钇的化合价与锆不同，二价的钙离子Ca2+或三价的钇离子Y3+置换了四价的锆Zr4+离子的位置，就会形成氧离子空穴。例如一个氧化钙取代一个氧化铬分子，由于一个钙离子只能与一个氧离子结合，晶体中就会留下一个氧离子空穴。这种氧离子空穴型氧化锆材料在600 ～800 ℃高温时，对氧离子有良好的传导作用。
利用氧化锆材料的上述特性，在氧化铬陶瓷体的两侧烧结一层几十微米厚的多孔铂电极，就构成了氧浓差电池，如图6—13所示。当两侧气体的含氧量不同时，在两电极间将产生电势，此电势与两侧气体中的氧浓度有关，称为浓差电势。 浓差电池的左侧为参比气体（空气，含氧量20.8％）,右侧为被测气体（烟气，含氧量3％～6％)。600℃～800℃的高温下，在氧高浓度的左侧，渗入到铂电极中的氧分子在铂材料催化作用下，1个氧分子在铂电极上夺取4个电子，而分离成2个氧离子O2-，进入固体氧化锆电解质中。
由于左右两侧氧浓度不同，氧化锆电解质中，氧离子依靠空穴导电向低浓度的右侧扩散。当到达低浓度的右侧时，1恶劣的太阳个氧离子在微孔铂电极上释放出2个电子形成氧分子放出。
所以，在氧高浓度侧的铂电极上失去电子带正电，成为氧浓差电池的正极。在氧低浓度侧的铂电极上得到电子带负电，成为氧浓差电池的负极。正负极间电荷的积累形成内部静电场，阻碍氧离子的这种扩散运动。当扩散作用与电场作用达到平衡时，氧化锆电解质两侧的铂电极上形成稳定的浓差电势。
忽略高温下氧化锆的自由电子导电，氧化锆的氧浓差电势由下式确定：
(6一15)
式中 E—氧浓差电势，V；
R—理想气体常数，R=8.3143J/(mol·K)；
F一法拉第常数，F= 9. 6487104C/mol；
T—绝对温度，K；
n1—待测烟气中的氧浓度(下水井盖体积分数)。
参比空气中的氧浓度在标准大气压下为20.8％。
氧浓差电势与气体含氧量的关系见表远程压力表6－2。
表6－2 氧浓差电势与气体含氧量的关系
氧浓度 ％ | 氧浓差电势，mV | 氧浓度 ％ | 氧浓差电势，mV |
600℃ | 700℃ | 800℃乙烯基涂料 | 850℃ | 600℃ | 700℃ | 800℃ | 850℃ |
1.00 | 56.89 | 63.42 | 69.89 | 73.20 | 5.50 | 24.85 | 27.71 | 30.54 | 31.96 |
1.50 | 49.28 | 54.92 | 60.57 | 63.39 | 6.00 | 23.21 | 25.89 | 28.52 | 29.85 |
2.00 | 43.85 | 48.89 | 53.88 | 56.41 | 6.50 | 21.70 | 24.19 | 26.67 | 27.91 |
2.50 | 39.415 | 44.23 | 48.775 | 51.045 | 7.00 | 20.31 | 22.64 | 24.95 | 26.11 |
3.00 | 36.23 | 40.39 | 44.51 | 46.62 | 7.50 | 19.01 | 21.19 | 23.36 | 24.45 |
3.50 | 33.34 | 37.17 | 40.96 | 42.87 | 8.00 | 17.79 | 19.84 | 21.87 | 22.88 |
4.00 | 30.83 | 34.37 | 37.88 | 39.66 | 8.50 | 16.65 | 18.56 | 20.47 | 21.42 |
4.50 | 28.62 | 31.91 | 35.11 | 36.81 | 9.00 | 15.57 | 17.36 | 19.13 | 20.04 |
5.00 | 26.63 | 29.69 | 32.73 | 34.26 | 9.50 | 14.56 | 16.23 | 17.89 | 17.73 |
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二、氧化锆氧分析仪的类型与结构
氧化锆氧分析仪由氧化锆探头、变送器两部分组成。探头的作用是将含氧量转化为电势信号，而变送器的作用是恒定探头中浓差电池温度并将电势信号转换为氧量显示和4～40mA电流输出，供记录仪或控制系统使用。
氧化锆管是氧化锆探头的核心，它由氧化锆管、铂电极和引线构成，图6一14所示。管外径为10mm，壁厚lmm，管长约为70～160mm，在管内、外壁上各烧结层约长20～30mm的多孔铂电极，通过铂丝引线引出。管子内部通入参比气体，管子外部通入被测气体。
1．直插定温式氧化锆探头
直插定温式氧化锆探头结构如图6一15所示，主要由陶瓷过滤器1、氧化锆管2、热电偶7、恒温加热器4、氧化铝陶瓷管和接线盒等组成。氧化锆探头长度为600～1500mm，直径为60～100mm。
过滤器处于恒温室前端，氧化锆管置于恒温室内部，热电偶用以测量恒温室内的温度。恒温加热器上装一组均匀排列的加热电阻丝，外边是一个用绝缘材料制成的保温套。加热丝、热电偶、氧浓差电极的引线以及参比空气导管都引到外部接线盒内。
用直插定温式氧化锆探头组成的烟气含氧量测量系统，由氧化锆探头、温度控制器、毫伏
变送器及显示记录仪表组成。直插定温式系统是采用控温电炉加热方式使氧化锆管维持正常工作所需的恒定温度。
温度控制器连接热电偶和加热器，用于控制氧浓差电池的温度，使之恒定在某一设定温度上。毫伏变送器接收探头输出的氧浓差电势信号，并转换成标准电流信号，送给显示仪表进行显示。
2．直插补偿式氧化锆探头
图6－16所示为直插补偿式氧化锆探头结构。与直插定温式相比无加热器。
在测量烟道气中的氧含量时，烟气的温度是不稳定的，恒温控制系统不能达到要求时，可采用补偿式测量系统。
（1）完全补偿式测量系统。由式（6－15）可知，氧浓差电势E与绝对温度T毛毯清洗剂成正比。将氧化锆输出的氧浓差电势E和热电偶的输出的热电势分别通过毫伏变送器转换成与绝对温度、氧含量成正比的电流信号I1、I2将电流I1、I2进行除法运算，其结果可以完全消除温度的影响。
（2）部分补偿式测量系统。全补偿式由于所用仪表多、线路复杂，在实际应用中也可采用部分补偿式的方法来达到温度补偿的目的。
部分补偿的原理，是根据温度在700～800℃范围内，K型热电偶的热电特性（Et－T），与氧化锆浓差电势的特性（E－T）变化趋势相符的原理实现的。只是热电势总是要比氧浓差电势小20mV左右。例如t= 760℃时，E = 50. 89mV, Et＝仿兔毛纱线30. 80mV, E—Et=20.09mV。因此，只需简单地将热电偶的输出Et与氧化锆的输出E反向串接，温度变化引起的电势变化可互相抵消，即可起到部分的补偿作用。由于两者增量不相同，不能完全抵消，所以只能部分补偿。
氧化锆元件的内阻很大，而且其信号与温度有关，为保证测量精度，现在的仪表中多有微处理器来完成温度补偿和非线性变换等运算，在测量精度、可靠性和功能上都有很大提高。
三、DH一6型氧化锆氧分析仪
DH—6型氧化锆氧分析仪主要用于分析锅炉、加热炉和窑炉中烟道气中的氧含量。仪表的探头为直插式，可直接置于被测气样中，不需附加取样装置。
仪表具有性能稳定可靠、结构简单、反应迅速、适用范围广、使用维护方便等特点。仪表由探头、控制器、二次仪表、空气泵及变送器组成。探头内部结构图见图6—17。
1．结构特点
氧化锆探头是仪表的核心，它由碳化硅过滤器、隔爆件、氧化锆管、加热器、热电偶、气体导管（包括参比气管和校验气管）和接线拿等组成。碳化硅过滤器一是防止气样中的灰尘进入氧化锆元件内部而污染电极；二是起缓冲作用，以减少气流冲击引起的干扰。过滤器和氧化锆元件之间有隔爆件，其作用是安全隔爆。它是用网状不锈钢材料制作的，能耐高温和腐蚀。加热器由炉管、加热丝、保护套管、隔热材料及金属外壳组成。氧化锆元件置于加热器内。镍铬—镍硅热电偶用来检测氧化锆管处的温度，与加热丝、温控电路配合实现对加热器的恒温控制。在探头接线盒侧面有一个气体接嘴，是校验气进口，用来做检查和校验探头之用，此接嘴平时必须封死，以防空气进入。探头所有连接导线全部套在一根金属软管内，其中一根双芯屏蔽电缆是探头信号输出线，两根较粗的线为加热线，另两根为热电偶补偿导线。此外，在接线盒内还有一根导气管接嘴，用来与气泵相连，以提供探头所需的新鲜干净的参比空气。
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