CEMS煙氣在線分析儀培訓材料

(一)       煙氣分析儀技術基礎

1.     電化學傳感器—原電池原理

電化學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。

從電化學概念上來說，傳感器包括兩個電極—感應電極和負電極，它們被一層電解質薄膜分離開來，它們被一個塑料殼密封起來，只留有一個小孔允許氣體進入感應電極，傳感器內的電極通過引腳被連接到所應用的設備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連，這樣當有電流通過是就可以測出電勢差。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發生氧化或還原反應，在另一電極發生與之相對的逆反應，在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的速度由柵孔控制，所以產生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測量當前毒氣含量了。

一氧化碳傳感器的電極發上發生的反應是:

感應電極: CO + H₂O =CO₂ + 2H⁺ + 2e^-

逆電極: ?O₂ + 2H⁺ + 2e^- =H₂O

總反應方程式: CO + ?O₂ =CO₂

類似的反應也發生在能被氧化或還原的所有其它毒氣。

逆電極發生的反應來看，氧氣顯然是當前反應發生的必需氣體，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的樣品氣體提供（通常幾千ppm已經足夠了）。

    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的紅外光，紅外傳感器就是利用氣體的這個性質。氣體對紅外光的吸收遵循朗伯—比爾定律

I_i=I₀lg^kcl

 I₀  原始光強，   I_i 被氣體吸收后光強

  K 氣體的吸收系數

  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

氧氣傳感器的測量有三種原理。

3.1 電化學法: 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離子導電現象。

在氧化鋯電解質(ZrO₂管)的兩側面分別燒結上多孔鉑（Pt）電極，在一定溫度下，當電解質兩側氧濃度不同時，高濃度側(空氣)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結合形成氧離子O^2-，使該電極帶正電，O^2-離子通過電解質中的氧離子空位遷移到低氧濃度側的Pt電極上放出電子，轉化成氧分子，使該電極帶負電。兩個電極的反應式分別為： 
    參比側：O₂+4e——2O^2-
    測量側：2O^2-－4e——O₂

這樣在兩個電極間便產生了一定的電動勢，氧化鋯電解質、Pt電極及兩側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導線懸掛于一個磁場內磁場強度最強處。當樣氣進入磁場時，樣氣中的氧氣是順磁性的，它被磁場所吸引，它有一個占據磁場最強處的趨向，這樣它會推動啞鈴偏離磁場的最強點，引起懸掛電纜的扭轉，此扭轉量是可以測量的，當導線扭轉時，位于懸掛導線中間的一小鏡子所反射的光就會發生偏移，該偏移可被一組光電池檢測到并產生一個電流，該電流反饋給系統，系統就給線圈一個激勵電流，該線圈產生一個驅動扭矩使導線回到初始位置，通過對電流強度的測量，就可以測出氧氣的濃度，因為電流強度同樣氣中氧氣的含量成正比。

4.     氣體特性

對煙氣測量來講,我們關心以下氣體: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量H2O.

   對煙氣分析儀來講,我們需要考慮氣體的以下幾個特性:

l 氣體產生的原因

  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----產生CO2

  燃料中S雜質燃燒后-----產生SO2

  NO與NO2的產生來源于高溫下N2與氧氣的反應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。根據試驗統計燃燒過程中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，其他常規氣體可以看作不溶于水。對于水溶性氣體在高含水煙氣測量時建議配置加熱管線。

l 腐蝕性

   SO2、NO2溶于水后形成酸，具有很強的腐蝕性。酸的腐蝕對儀器的使用階段沒有影響，時間很短，關鍵是在儀器的儲存階段。如果儀器關機后還有NO2/SO2殘存在儀器內，并有冷凝水的產生，會對金屬接頭、加熱采樣受柄和采樣流速監測用壓力傳感器、甚至紅外傳感器產生腐蝕。

    所以應該告訴用戶，儀器在使用完后應在空氣中盡量長時間的開機，尤其是測量高濃度的氣體之后，至少開機5分鐘

l 對傳感器的相互干擾性

電化學傳感器都存在交叉干擾的問題，J2KN內置交叉干擾補償表，但由于交叉干擾系數的非線性、單個傳感器特異性和隨時間的漂移性等特點，只能是部分補償，可能補償量過小，可能補償偏大。具體使用中，如果某一個測量參數數值很大，而有的測量參數數值很小，則數值小的參數的測量值可信度可能不是很高。

5.     采樣和預處理要求

采樣和預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量準確性、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構，兩管直接為熱電偶，中間為超過ф4mm的管，這樣的結構流阻小，不堵塞。

加熱采樣手柄---加熱手柄的主要功能是初級煙塵過濾，為了避免出現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的，rbr提供的加熱手柄內部加熱溫度為180℃。通常我們見著的初級過濾器為不銹鋼燒結過濾器，這類過濾器存在的問題是可能出現腐蝕、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，容易識別積灰的量，提醒及時清洗和更換；過濾器可以有很長的存灰距離，可以減小流阻。

精細過濾器---過濾器過濾煙塵的能力和產生的流阻是一個矛盾，要求過濾精細，必然增加流阻。rbr的PTFE精細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，但由于rbr的PTFE過濾器比其他品牌的產品都大，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氣體中的已經凝結的水顆粒。

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

(二)       常用煙氣分析儀產品介紹

－專注于燃燒節能控制、煙氣排放檢測

u      適合于便攜式連續測量分析各種工業燃燒裝置和工業鍋爐的燃燒

u      適合于不間斷的比對測試，用于煙氣在線監測系統CEMS比對測試

u      適用于發電廠、煉油廠、化工廠、水泥廠、科研實驗、加熱/烘干裝置等排放監測及燃燒調試

技術資料

產品應用領域及其要求

便攜式煙氣分析儀主要用于燃燒效率、燃燒狀態分析和污染排放監測。

   下面分行業簡單介紹一些行業對煙氣分析儀的需求：

1)     院校主要涉及以下專業應用：

熱能---燃燒器、燃燒優化裝置研究、燃燒理論；

環境工程---脫硫脫硝研究，包括結構裝置、試劑和工程等

能源工程----新能源、燃燒試驗

冶金—鐵礦石燒結試驗

發動機----汽車發動機、柴油車發動機、航空發動機、火箭發動機

化工系----石油催化試驗、石油添加劑試驗

火災實驗室-----各種材料燃燒有害氣體的成分，火災時的有害氣體的產生過程和分布等；

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

  環境科學研究院

3)     企業

  鍋爐（中小型工業鍋爐、家用燃氣鍋爐）生產企業、安裝公司

  脫硫脫硝工程設計和建設公司（如清華同方環境工程），脫硝試劑生產公司

  CEMS 設備供應商

4)     行政事業

各級環境站

各級節能檢測中心

特檢院

環境科學研究院

5)     熱力發電

  電廠----主要涉及鍋爐調試和污染排放，對應熱工部、安環部，主要需求2-4測量參數產品；磨煤機、煤粉倉、靜電除塵等位置過程安全監測（在線O2+CO）。

  電力研究院---鍋爐室和環保室，都對煙氣分析儀有需求。

電力相關行業--脫硫脫硝工程承包商；脫硫脫硝裝置試驗裝置研發和試驗；脫硝試劑研發和生產的公司和科研結機構、院校；CEMS生產商用于CEMS安裝后的對比測試。

6)     化學工業

   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的測試。

   石油煉化公司----廠內鍋爐排放測試；過程氣體測試；石油煉化燃燒器（該燃燒器占石油煉化60%能源的消耗，一般由石化設計院設計和提供，并提供測試數據）

7)     鋼鐵冶金

   煉鐵----煙囪氣體排放（鋼鐵公司環保站采購）

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

   鋼鐵應用---子午線輪胎用鋼絲生產，需要在生產過程中控制氣體氛圍（測量O2和CO，）

8)     水泥

  水泥設計院---工業過程檢測、排放檢測。

  水泥廠-------工業工程檢測