CEMS煙氣在線分析儀培訓(xùn)材料

(一)       煙氣分析儀技術(shù)基礎(chǔ)

1.     電化學(xué)傳感器—原電池原理

電化學(xué)毒氣傳感器是一種微燃料電池元件，它可以直接反映出氣體濃度而不必通過分壓來反映。

從電化學(xué)概念上來說，傳感器包括兩個(gè)電極—感應(yīng)電極和負(fù)電極，它們被一層電解質(zhì)薄膜分離開來，它們被一個(gè)塑料殼密封起來，只留有一個(gè)小孔允許氣體進(jìn)入感應(yīng)電極，傳感器內(nèi)的電極通過引腳被連接到所應(yīng)用的設(shè)備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連，這樣當(dāng)有電流通過是就可以測(cè)出電勢(shì)差。擴(kuò)散進(jìn)入傳感器的氣體在感應(yīng)電極表面發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在另一電極發(fā)生與之相對(duì)的逆反應(yīng)，在外部電路上形成電流。由于氣體進(jìn)入傳感器的速度由柵孔控制，所以產(chǎn)生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測(cè)量當(dāng)前毒氣含量了。

一氧化碳傳感器的電極發(fā)上發(fā)生的反應(yīng)是:

感應(yīng)電極: CO + H₂O =CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

逆電極: ?O₂ + 2H⁺ + 2e^- =H₂O

總反應(yīng)方程式: CO + ?O₂ =CO₂

類似的反應(yīng)也發(fā)生在能被氧化或還原的所有其它毒氣。

逆電極發(fā)生的反應(yīng)來看，氧氣顯然是當(dāng)前反應(yīng)發(fā)生的必需氣體，這些氧氣通常由被空氣混合傳輸至傳感器的前部或通過傳感器兩側(cè)的樣品氣體提供（通常幾千ppm已經(jīng)足夠了）。

    2.     紅外傳感器

所有的帶極性的多原子氣體都吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，紅外傳感器就是利用氣體的這個(gè)性質(zhì)。氣體對(duì)紅外光的吸收遵循朗伯—比爾定律

I_i=I₀lg^kcl

 I₀  原始光強(qiáng)，   I_i 被氣體吸收后光強(qiáng)

  K 氣體的吸收系數(shù)

  C 氣體濃度

  L 氣體吸收路程

吸收光譜 ：CO 4.6um, CO2 4.26um   CH4  NO    NO2      SO2

    3.     O2傳感器

氧氣傳感器的測(cè)量有三種原理。

3.1 電化學(xué)法: 原電池和定電位電解法

3.2 氧化鋯法

氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)離子導(dǎo)電現(xiàn)象。

在氧化鋯電解質(zhì)(ZrO₂管)的兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當(dāng)電解質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子O^2-，使該電極帶正電，O^2-離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)的Pt電極上放出電子，轉(zhuǎn)化成氧分子，使該電極帶負(fù)電。兩個(gè)電極的反應(yīng)式分別為： 
    參比側(cè)：O₂+4e——2O^2-
    測(cè)量側(cè)：2O^2-－4e——O₂

這樣在兩個(gè)電極間便產(chǎn)生了一定的電動(dòng)勢(shì)，氧化鋯電解質(zhì)、Pt電極及兩側(cè)不同氧濃度的氣體組成氧探頭即所謂氧化鋯濃差電池。

3.3順磁氧法

非磁化性啞鈴被一根細(xì)導(dǎo)線懸掛于一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)處。當(dāng)樣氣進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，樣氣中的氧氣是順磁性的，它被磁場(chǎng)所吸引，它有一個(gè)占據(jù)磁場(chǎng)最強(qiáng)處的趨向，這樣它會(huì)推動(dòng)啞鈴偏離磁場(chǎng)的最強(qiáng)點(diǎn)，引起懸掛電纜的扭轉(zhuǎn)，此扭轉(zhuǎn)量是可以測(cè)量的，當(dāng)導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)時(shí)，位于懸掛導(dǎo)線中間的一小鏡子所反射的光就會(huì)發(fā)生偏移，該偏移可被一組光電池檢測(cè)到并產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)就給線圈一個(gè)激勵(lì)電流，該線圈產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)扭矩使導(dǎo)線回到初始位置，通過對(duì)電流強(qiáng)度的測(cè)量，就可以測(cè)出氧氣的濃度，因?yàn)殡娏鲝?qiáng)度同樣氣中氧氣的含量成正比。

4.     氣體特性

對(duì)煙氣測(cè)量來講,我們關(guān)心以下氣體:O2/CO/CO2/NO/NO2/SO2/H2/HC/H2S,如果考慮垃圾焚燒和脫硝后的煙氣,還需要考慮HF/HCL和NH3. 大部分用戶還需要測(cè)量H2O.

   對(duì)煙氣分析儀來講,我們需要考慮氣體的以下幾個(gè)特性:

l 氣體產(chǎn)生的原因

  燃料燃燒消耗氧氣----氧氣量減少

  燃料不充分燃燒，可能殘留有CO/HC/H2

  含碳原子燃料燃燒----產(chǎn)生CO2

  燃料中S雜質(zhì)燃燒后-----產(chǎn)生SO2

  NO與NO2的產(chǎn)生來源于高溫下N2與氧氣的反應(yīng)和含氮燃料中的氮的氧化。NO的含量與燃燒過程中富O2的含量多少以及燃燒溫度高低有關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)燃燒過程中NO的含量一般占95%，NO2的含量占5%。

l 水溶性

  SO2、NO2容易溶于水，其他常規(guī)氣體可以看作不溶于水。對(duì)于水溶性氣體在高含水煙氣測(cè)量時(shí)建議配置加熱管線。

l 腐蝕性

   SO2、NO2溶于水后形成酸，具有很強(qiáng)的腐蝕性。酸的腐蝕對(duì)儀器的使用階段沒有影響，時(shí)間很短，關(guān)鍵是在儀器的儲(chǔ)存階段。如果儀器關(guān)機(jī)后還有NO2/SO2殘存在儀器內(nèi)，并有冷凝水的產(chǎn)生，會(huì)對(duì)金屬接頭、加熱采樣受柄和采樣流速監(jiān)測(cè)用壓力傳感器、甚至紅外傳感器產(chǎn)生腐蝕。

    所以應(yīng)該告訴用戶，儀器在使用完后應(yīng)在空氣中盡量長(zhǎng)時(shí)間的開機(jī)，尤其是測(cè)量高濃度的氣體之后，至少開機(jī)5分鐘

l 對(duì)傳感器的相互干擾性

電化學(xué)傳感器都存在交叉干擾的問題，J2KN內(nèi)置交叉干擾補(bǔ)償表，但由于交叉干擾系數(shù)的非線性、單個(gè)傳感器特異性和隨時(shí)間的漂移性等特點(diǎn)，只能是部分補(bǔ)償，可能補(bǔ)償量過小，可能補(bǔ)償偏大。具體使用中，如果某一個(gè)測(cè)量參數(shù)數(shù)值很大，而有的測(cè)量參數(shù)數(shù)值很小，則數(shù)值小的參數(shù)的測(cè)量值可信度可能不是很高。

5.     采樣和預(yù)處理要求

采樣和預(yù)處理是煙氣分析儀的重要組成部分,其功能直接決定了儀器的測(cè)量準(zhǔn)確性、正確性以及儀器的使用壽命。

采樣部分包含采樣探管、采樣手柄、采樣管線和采樣泵；預(yù)處理部分包含煙氣過濾、煙氣脫水和加熱管線。

采樣探管----采樣探管采用的是雙層同心管結(jié)構(gòu)，兩管直接為熱電偶，中間為超過ф4mm的管，這樣的結(jié)構(gòu)流阻小，不堵塞。

加熱采樣手柄---加熱手柄的主要功能是初級(jí)煙塵過濾，為了避免出現(xiàn)冷凝水和灰塵的混合，形成泥巴堵塞過濾器，所以過濾器必須是熱態(tài)的，rbr提供的加熱手柄內(nèi)部加熱溫度為180℃。通常我們見著的初級(jí)過濾器為不銹鋼燒結(jié)過濾器，這類過濾器存在的問題是可能出現(xiàn)腐蝕、積灰只能在表面一層，且積灰后流阻增加。rbr的過濾器為玻璃絨纖維做成的，顏色為白色，容易識(shí)別積灰的量，提醒及時(shí)清洗和更換；過濾器可以有很長(zhǎng)的存灰距離，可以減小流阻。

精細(xì)過濾器---過濾器過濾煙塵的能力和產(chǎn)生的流阻是一個(gè)矛盾，要求過濾精細(xì)，必然增加流阻。rbr的PTFE精細(xì)過濾器外表面是一層TEFLON膜，能過濾1μ的煙塵，過濾能力非常精細(xì)，但由于rbr的PTFE過濾器比其他品牌的產(chǎn)品都大，通過增加氣體的通過面積減小了氣體通過流阻。

汽水分離器---汽水分離器主要用于分離水蒸氣為飽和態(tài)氣體中的已經(jīng)凝結(jié)的水顆粒。

帕爾帖制冷器---電子制冷器，通過在半導(dǎo)體元件兩面加載電壓，熱量可以從一個(gè)面向另一個(gè)面轉(zhuǎn)移，達(dá)到換熱的效果。Petier元件冷面連一個(gè)表面鍍TEFLON膜的金屬圓柱，用做換熱元件。

(二)       常用煙氣分析儀產(chǎn)品介紹

－專注于燃燒節(jié)能控制、煙氣排放檢測(cè)

u      適合于便攜式連續(xù)測(cè)量分析各種工業(yè)燃燒裝置和工業(yè)鍋爐的燃燒

u      適合于不間斷的比對(duì)測(cè)試，用于煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS比對(duì)測(cè)試

u      適用于發(fā)電廠、煉油廠、化工廠、水泥廠、科研實(shí)驗(yàn)、加熱/烘干裝置等排放監(jiān)測(cè)及燃燒調(diào)試

技術(shù)資料

產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域及其要求

便攜式煙氣分析儀主要用于燃燒效率、燃燒狀態(tài)分析和污染排放監(jiān)測(cè)。

   下面分行業(yè)簡(jiǎn)單介紹一些行業(yè)對(duì)煙氣分析儀的需求：

1)     院校主要涉及以下專業(yè)應(yīng)用：

熱能---燃燒器、燃燒優(yōu)化裝置研究、燃燒理論；

環(huán)境工程---脫硫脫硝研究，包括結(jié)構(gòu)裝置、試劑和工程等

能源工程----新能源、燃燒試驗(yàn)

冶金—鐵礦石燒結(jié)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)----汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

化工系----石油催化試驗(yàn)、石油添加劑試驗(yàn)

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室-----各種材料燃燒有害氣體的成分，火災(zāi)時(shí)的有害氣體的產(chǎn)生過程和分布等；

2)     科研院所主要涉及以下單位：

  電力研究院

  鋼鐵研究院

  化工研究院

  中科院

  環(huán)境科學(xué)研究院

3)     企業(yè)

  鍋爐（中小型工業(yè)鍋爐、家用燃?xì)忮仩t）生產(chǎn)企業(yè)、安裝公司

  脫硫脫硝工程設(shè)計(jì)和建設(shè)公司（如清華同方環(huán)境工程），脫硝試劑生產(chǎn)公司

  CEMS 設(shè)備供應(yīng)商

4)     行政事業(yè)

各級(jí)環(huán)境站

各級(jí)節(jié)能檢測(cè)中心

特檢院

環(huán)境科學(xué)研究院

5)     熱力發(fā)電

  電廠----主要涉及鍋爐調(diào)試和污染排放，對(duì)應(yīng)熱工部、安環(huán)部，主要需求2-4測(cè)量參數(shù)產(chǎn)品；磨煤機(jī)、煤粉倉(cāng)、靜電除塵等位置過程安全監(jiān)測(cè)（在線O2+CO）。

  電力研究院---鍋爐室和環(huán)保室，都對(duì)煙氣分析儀有需求。

電力相關(guān)行業(yè)--脫硫脫硝工程承包商；脫硫脫硝裝置試驗(yàn)裝置研發(fā)和試驗(yàn)；脫硝試劑研發(fā)和生產(chǎn)的公司和科研結(jié)機(jī)構(gòu)、院校；CEMS生產(chǎn)商用于CEMS安裝后的對(duì)比測(cè)試。

6)     化學(xué)工業(yè)

   采油---油井出口加熱爐燃燒效率分析儀；注氣油井天然氣CO2分離中CO2的測(cè)試。

   石油煉化公司----廠內(nèi)鍋爐排放測(cè)試；過程氣體測(cè)試；石油煉化燃燒器（該燃燒器占石油煉化60%能源的消耗，一般由石化設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)和提供，并提供測(cè)試數(shù)據(jù)）

7)     鋼鐵冶金

   煉鐵----煙囪氣體排放（鋼鐵公司環(huán)保站采購(gòu)）

   煉鋼-----煙囪氣體排放（鋼鐵公司環(huán)保站采購(gòu)）；熱處理爐燃燒效率和排放（一般由鋼鐵研究院所采購(gòu)）；過程氣體監(jiān)測(cè)（高爐煤氣成分以及高爐煤機(jī)回收后的氣體成分，主要涉及高濃度的CO/CO2在線監(jiān)測(cè)）（安全部門采購(gòu)）；

   鋼鐵應(yīng)用---子午線輪胎用鋼絲生產(chǎn)，需要在生產(chǎn)過程中控制氣體氛圍（測(cè)量O2和CO，）

8)     水泥

  水泥設(shè)計(jì)院---工業(yè)過程檢測(cè)、排放檢測(cè)。

  水泥廠-------工業(yè)工程檢測(cè)