工业仪表与工程测试第7章成分分析

第七章成分分析1、概述：成份分析的作用和意义、成分分析方法、常用过程分析仪表分类、成分分析仪的组成2、磁性氧量计：物质的磁性与磁化率、热磁式氧分析器的工作原理3、奥氏气体成分分析仪：奥氏气体成分分析仪的系统组成；分析步骤、注意事项4、CO2自动分析仪：基本知识、CO2自动分析器的工作原理5、红外线气体分析器：基本知识、红外线气体分析器的组成、工作原理6、氧化锆氧量计:工作原理和结构、ZO系列氧化锆氧量分析仪7.1概述7.1.1成分分析的意义监测和控制工艺成分参数，保证工序质量成份分析：固体成份分析、气体成份分析气体成份分析的作用：通过测定气体成分，计算窑炉废气过剩空气系数和CO含量，判断窑内供风情况及燃料燃烧程度，进而判断物料煅烧情况；比较窑炉系统不同部位废气成分，计算漏风量；分析废气有害成分，确定废气对大气污染程度。7.1.2成分分析方法定期取样法：实验室测定连续测定法：测定混合物中某种成分含量或性质；测定混合物中几种或全部组成的含量。7.1.3成分分析仪组成取样系统：正确取出被测介质的样品发送器：将被测组分含量转换为电量输出信号。信号放大系统：将发送器输出的信号进行放大。显示系统：显示分析结果。7.1.4常用过程分析仪表分类按被测成分：氧量表、氢表、盐量表、二氧化硅分析仪、磷酸盐、溶解铁、pH值分析仪表等。它们各自满足工艺需要。按工作原理电化学分析仪：电导式、电位式、电量式热学分析仪：热导式、热化学式、热谱式磁学分析仪：磁性氧分析仪、核磁共振波谱仪、电子顺磁共振波谱仪。光学分析仪：吸收式(光电比色)、发射式(摄谱仪)。色谱仪：如气相色谱仪、液相色谱仪。射线分析仪器、离子式光学分析仪器等。7.2磁性氧量计用途：测量混合气体中的氧气含量7.2.1气体的磁化特性（1）气体的磁化率磁化现象：任何物质处于外磁场中会受到力或力矩的作用而显示出磁性，即介质在磁场中被磁化—介质分子磁矩沿一个方向顺序排列。磁化强度：HM磁场强度介质磁化率磁感应强度：HMHB)1(00真空中的磁导率介质相对磁导率μ介质磁导率顺磁性物质：在外磁场中被拉向磁场较强处00逆磁性物质：在外磁场中被移向磁场较弱处氧气的磁化率为正，且比其它气体的磁化率高得多。7.2.2热磁式氧分析器的组成环形室中央旁通管：水平放置；管上绕有二个铂丝加热线圈R1和R2，它们与另二个锰铜合金丝做成的电阻器R3和R4组成测量电桥的四个臂，电桥线路对角线上连接毫伏计（刻度为氧的百分含量），磁极：靠近R1的边缘磁极中央旁通管环形管毫伏计7.2.3工作原理抽气器将被测气体连续吸入环形室气体中无氧时，旁通管中无电流流过，测量电桥处于平衡状态，输出电压为零，仪表指针指零。气体中含氧时，氧气被不均匀磁场吸入旁通管，被发热元件R1加热，磁化率降低，所受磁场引力减小，被随后低温氧气推出。氧气排出在磁道中形成磁风（称热磁对流）。氧气在旁通管中流动时，在R1处起冷却作用，流至R2处时，因其已被加热，对R2影响较小，故TR1＜TR2，电桥失衡，输出电压信号，信号大小反映了气体氧含量。若气体中混有NO，将影响测量结果，引起误差。7.3奥氏气体成分分析仪7.3.1系统组成：三个装有吸收剂的吸收瓶，吸收瓶分别通过旋阀7、8、9与梳形管相连。图7-2奥氏气体分析仪结构示意图1-过滤器；2-三通旋塞；3-梳形管；4-量管；5-水套管；6-平衡瓶；7、8、9-旋阀；10、11、12-吸收瓶；13、14、15-缓冲瓶梳形管一端经三通阀与取样点或大气相通，另一端与量管相连。量管下接平衡瓶，以吸入或排出气体。过滤器：用于干燥气体。1）仪器气密性检查关闭7、8、9使三通阀与大气相通，使平衡瓶6升至一定高度，然后关闭三通阀，观察量管内水面，若5min不降，说明无漏气，可开始分析。CO2O2CO分析顺序：7.3.2分析步骤2）液面高度调节将三个吸收瓶中吸收液面调至同一高度，然后把量管4内的空气全部排出，用待测气体试样将容器清洗几次，即可取气体试样100ml进行分析。3）成分测定吸收剂CO2KOH或NaOH溶液CO氯化亚铜氨溶液O2焦性没食子酸（3，4，5-三羟基苯甲酸）碱溶液KOH:H2O＝1:2KOH:没食子酸:H2O＝23.5:15:61.5CuCl:NH4Cl:H2O＝1:1.25:3.75a.打开9，气体通入吸收瓶12内，CO2、SO2被吸收：2KOH+CO2K2CO3+H2O2KOH+SO2K2SO3+H2O说明：废气中SO2含量较小，故一般计入CO2中或与CO2一并用RO2表示。1mlKOH40mlCO2吸收量使用新鲜碱液时，吸收较快，往复通过4~5次可完全吸收。b、将气体通入吸收瓶11，因焦性没食子酸吸氧很慢，新溶液需往复通过5～6次，用过的溶液需更多次数。分析须按顺序进行，因Cu(NH3)2Cl也能吸收O2。吸收量：1ml没食子酸溶液4mlO2c、将剩余气体试样通入吸收瓶10，分析CO。反应也很慢，需反复多次进行Cu(NH3)2Cl+2COCu(CO)2+2NH3吸收量：1mlCu(NH3)2Cl15mlCO上述三种吸收均需通过几次，前后二次读数相同时，方可依次进入下一吸收瓶。三次吸收后剩余气体为N2（%）：N2＝100－CO2－O2－CO要求和注意事项：1）应根据烟气温度确定和选用不同材质的取样管，以防止取样管与烟气中二氧化碳或水汽发生反应从而改变烟气的原始成分。2）仪器中所有连接部分均要紧密，连接处要涂真空脂或凡士林没油，防止漏气。3）分析过程中，要严格注意勿使试剂高出吸收器上规定的液面高度标记线。4）通过吸收空气中的氧（20.9%）检验吸收器的准确性。7.4CO2自动分析仪7.4.1基本知识热传导过程中，不同气体导热系数也不同，导热系数大者，传热快；反之亦然。所以，气体混合物中组分含量的变化会引起混合物导热系数的变化。NameofGasairWaterVaporN2O2COSO2CO2CH4H2H2SRelativeThermalConductivityCoefficient10.6730.9951.0070.9580.3140.6051.266.990.538RelativeThermalConductivityCoefficientofGasesN2、O2、CO的导热系数与空气相近；CO2的导热系数与空气相差较大。因此，若气体中不含CH4、SO2、H2和水气，则可根据混合物的导热系数测定值间接测定CO2含量。烟气中常含CO、SO2、H2和水气。在混合物进入分析器前，用特殊的电炉（氢燃烧炉）将H2烧成水气，将CO烧成CO2。水气经洗涤冷却后达室温下饱和状态，近似定值；SO2通过过滤器吸收除去。经处理的烟气即可通入分析器进行测定。烟气室空气室毫伏计微安计电桥各臂电阻值均相同。二相对桥臂R1、R3置于被测气体通过的二烟室内，另二桥臂置于空气室内。电桥的一个对角线上接专门装置供给的直流电；另一对角线接测量仪表。电桥各臂用直流电加热至90～100℃7.4.2CO2自动分析器的工作原理仪结构组成桥臂各室内全充满清洁空气时，每个铂丝向周围介质的传热情况相同，各桥臂温度相同，电阻值相同，电桥处于平衡状态，对角线二点间电位差为零，毫伏表指零。含CO2的气体流经烟气室时，因热导率小于空气，故铂丝放热量比在空气中时小，因而桥臂TR1和TR3高于TR2和TR4，R1和R3的电阻值大于R2和R4，破坏电桥平衡，在A、C二点产生电位差，毫伏计指针偏转相应角度。工作原理：指针偏转角度与烟气中CO2含量相对应，故可从毫伏计刻度盘上直接读出被测烟气的CO2含量。桥臂R1、R2、R3、和R4应尽量相等，但实际工作条件下往往难以实现。故电桥中接入滑线变阻器R5，以在分析前调整电桥平衡。调整时，使烟气室和空气室都通入清洁的空气，调节R5使毫伏计指针指零。CO2导热率与温度有关。0℃时相对导热率为0.605；100℃为0.7；325℃时为1。故应控制电桥温度于一定范围。为此，在供电线路中串接变阻器R0和毫安计以调节和控制电流量。7.5红外线气体分析器利用混合气体中某些组分会有选择地吸收红外辐射能的特性，连续分析和测定被测气体中某一待测组分的含量。可测定的气体：CO、CO2、CH4、C2H4、NH3、水蒸汽不能测定的气体：双原子气体、惰性气体7.5.1基本知识红外线是一种电磁波，波长：0.76～420μm。物质具有一定的红外辐射，辐射大小与物质温度有关。T低时，辐射波长较长，T升高时，最大辐射能波长向短波方向迁移。红外线气体分析器利用1～25μm光谱段。将镍铬丝通电加热至730℃时，辐射光波长主要集中在此范围。辐射能被物质吸收后部分转化为热能，T升高。红外线热辐射特征：物体的热辐射绝大部分集中在红外区域。由此可用热敏电阻或热电堆接收红外线。各种气体介质并非对红外范围内不同波长的辐射能都有吸收能力，而是选择性吸收，即每种气体分子只能吸收某一特定波长范围的红外辐射能量。某些气体的特征吸收波长气体吸收峰波长/μmCO22.7和4.26CO2.37和4.65CH42.3、3.3和7.65H2O(g)2.0红外线通过介质时，辐射能变化与待测介质温度有关，据此可对被测介质进行定量分析。特征吸收波长7.5.2红外线气体分析器的构造红外辐射源、分析室、参比室、检测器、前置放大器、主放大器、记录器7.5.3工作原理从二红外线辐射光源发出的二束平行红外线被由同步电机带动的切光片调制成12.5Hz的交变辐射。其中一束经分析室左接收室，另一束经分析室和过滤器到达右接收室。检测室内装有薄膜电容器，电容器由动极—铝膜和定极—铝合金圆柱体组成。动极将二接收室隔开，检测室内封被测气体。当检测室受到红外线照射时，内部气体受热膨胀并产生压力脉冲作用在动极上。当分析室内无被测气体通过时，检测室左右二接收室的红外辐射相等，作用在动极上的压力大小相等，方向相反，薄膜处于平衡状态，仪器无信号输出。当被测气体通过分析室时，气体对红外辐射产生选择性吸收，到达检测室的二束红外线辐射产生差异，作用在动极上的压力出现差值，铝膜产生变形，致使电容器电容产生变化。该电容变化转变成电压信号输出，经放大、记录，由记录仪表测得的电压信号即可得出待测气体含量。7.6氧化锆氧量计用氧化锆固体电解质作测量元件，将氧量信号转换为电量信号显示被测气体的氧含量。特点：结构简单、反应速度快、不受其它气体干扰广泛应用于火力发电厂。7.6.1工作原理和结构•ZrO2晶体结构：•单斜立方常温1500℃体积收缩～7％结构不稳定，反复加热和冷却会断裂。纯净氧化锆不能用作测量元件。掺入(12％～15％)CaO或(Y2O3)等稳定剂，经高温焙烧形成稳定莹石型立方晶体。因钙、钇化合价与锆不同，在晶体中产生氧离子空穴。氧化锆管浓差电池电池反应：管内通空气(参比气体)，管外走烟气。管内外两侧气体中的O2被金属铂吸附，且在其催化作用下得到电子、成为O2－进入氧化锆离子空穴中，金属铂表面上留下过剩正电荷。同时，氧化锆中的O2－失去电子成为O2回到空气或烟气中。达到动态平衡时，在铂金属表面附近形成双电层CAppnFRTEln能斯特方程：氧浓差电动势空气(参比气体)的氧分压烟气(被测气体)的氧分压7.6.2ZrO2系列氧化锆氧量分析仪•(1)特点•1）结构简单、测量迅速、准确•2)双参数修正，对氧化锆探头的本底电动势及炉温参数进行修正，进一步提高测量准确度。•3)新颖探头结构，便于更换氧化铝、热电偶元件，降低使用成本，延长探头寿命。•4)导流直插式结构，参比气体自然对流，不用抽气泵，简化仪表结构，维护量少。•5)探头设有校准室，便于实现在线校验探头，保证测量准确度。•6)仪表系列化、规格化，输出信号线性化。(2)工作原理：CAppKEln(3)仪表结构原理它由氧化锆探头、氧量变送电路恒温控制电路等部分组成。仪表本身带有数字显示器。1)氧化锆探头结构组成部分：氧化锆元件、加热炉、热电偶、标准气导管过滤器。(4)烟气测点选择和取样处理测点