烟气分析仪技术基础

　　1.电化学传感器—原电池原理

　　电化学毒气传感器是一种微燃料电池元件，它可以直接反映出气体浓度而不必通过分压来反映。

　　从电化学概念上来说，传感器包括两个电极—感应电极和负电极，它们被一层电解质薄膜分离开来，它们被一个塑料壳密封起来，只留有一个小孔允许气体进入感应电极，传感器内的电极通过引脚被连接到所应用的设备上。引脚还可以与外部的电阻电路相连，这样当有电流通过是就可以测出电势差。扩散进入传感器的气体在感应电极表面发生氧化或还原反应，在另一电极发生与之相对的逆反应，在外部电路上形成电流。由于气体进入传感器的速度由栅孔控制，所以产生的电流与传感器外气体浓度成比例，就可以直接测量当前毒气含量了。

　　一氧化碳传感器的电极发上发生的反应是:

　　感应电极: CO + H2O =CO2 + 2H+ + 2e-

　　逆电极: ½O2 + 2H+ + 2e- =H2O

　　总反应方程式: CO + ½O2 =CO2

　　类似的反应也发生在能被氧化或还原的所有其它毒气。

　　逆电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，这些氧气通常由被空气混合传输至传感器的前部或通过传感器两侧的样品气体提供(通常几千ppm已经足够了)。

　　2.红外传感器

　　所有的带极性的多原子气体都吸收特定波长的红外光，红外传感器就是利用气体的这个性质。气体对红外光的吸收遵循朗伯—比尔定律

　　i=I0lgkcl

　　I0  原始光强，   Ii 被气体吸收后光强

　　K 气体的吸收系数

　　C 气体浓度

　　L 气体吸收路程

　　吸收光谱 ：CO 4.6u, CO2 4.26u   CH4  NO    NO2      SO2

　　3.O2传感器

　　氧气传感器的测量有三种原理。

　　3.1 电化学法: 原电池和定电位电解法

　　3.2 氧化锆法

　　氧化锆在高温下呈现离子导电现象。


 

　　在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂(Pt)电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度侧(空气)的氧分子被吸附在铂电极上与电子(4e)结合形成氧离子O2-，使该电极带正电，O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为：

　　参比侧：O2+4e——2O2-

　　测量侧：2O2-－4e——O2

　　这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。

　　3.3顺磁氧法

　　非磁化性哑铃被一根细导线悬挂于一个磁场内磁场强度最强处。当样气进入磁场时，样气中的氧气是顺磁性的，它被磁场所吸引，它有一个占据磁场最强处的趋向，这样它会推动哑铃偏离磁场的最强点，引起悬挂电缆的扭转，此扭转量是可以测量的，当导线扭转时，位于悬挂导线中间的一小镜子所反射的光就会发生偏移，该偏移可被一组光电池检测到并产生一个电流，该电流反馈给系统，系统就给线圈一个激励电流，该线圈产生一个驱动扭矩使导线回到初始位置，通过对电流强度的测量，就可以测出氧气的浓度，因为电流强度同样气中氧气的含量成正比。

　　4. 气体特性

　　对烟气测量来讲,我们关心以下气体:O2/CO/CO2/NO/NO2/SO2/H2/HC/H2S,如果考虑垃圾焚烧和脱硝后的烟气,还需要考虑HF/HCL和NH3. 大部分用户还需要测量H2O.

　　对烟气分析仪来讲,我们需要考虑气体的以下几个特性:

　　气体产生的原因

　　燃料燃烧消耗氧气----氧气量减少

　　燃料不充分燃烧，可能残留有CO/HC/H2

　　含碳原子燃料燃烧----产生CO2

　　燃料中S杂质燃烧后-----产生SO2

　　NO与NO2的产生来源于高温下N2与氧气的反应和含氮燃料中的氮的氧化。NO的含量与燃烧过程中富O2的含量多少以及燃烧温度高低有关。根据试验统计燃烧过程中NO的含量一般占95%，NO2的含量占5%。

　　水溶性

　　SO2、NO2容易溶于水，其他常规气体可以看作不溶于水。对于水溶性气体在高含水烟气测量时建议配置加热管线。

　　腐蚀性

　　SO2、NO2溶于水后形成酸，具有很强的腐蚀性。酸的腐蚀对仪器的使用阶段没有影响，时间很短，关键是在仪器的储存阶段。如果仪器关机后还有NO2/SO2残存在仪器内，并有冷凝水的产生，会对金属接头、加热采样受柄和采样流速监测用压力传感器、甚至红外传感器产生腐蚀。


 

　　所以应该告诉用户，仪器在使用完后应在空气中尽量长时间的开机，尤其是测量高浓度的气体之后，至少开机5分钟

　　对传感器的相互干扰性

　　电化学传感器都存在交叉干扰的问题，J2KN内置交叉干扰补偿表，但由于交叉干扰系数的非线性、单个传感器特异性和随时间的漂移性等特点，只能是部分补偿，可能补偿量过小，可能补偿偏大。具体使用中，如果某一个测量参数数值很大，而有的测量参数数值很小，则数值小的参数的测量值可信度可能不是很高。

　　5.采样和预处理要求

　　采样和预处理是烟气分析仪的重要组成部分,其功能直接决定了仪器的测量准确性、正确性以及仪器的使用寿命。

　　采样部分包含采样探管、采样手柄、采样管线和采样泵；预处理部分包含烟气过滤、烟气脱水和加热管线。

　　采样探管---- rbr采样探管采用的是双层同心管结构，两管直接为热电偶，中间为超过ф4mm的管，这样的结构流阻小，不堵塞。

　　加热采样手柄---加热手柄的主要功能是初级烟尘过滤，为了避免出现冷凝水和灰尘的混合，形成泥巴堵塞过滤器，所以过滤器必须是热态的，rbr提供的加热手柄内部加热温度为180℃。通常我们见着的初级过滤器为不锈钢烧结过滤器，这类过滤器存在的问题是可能出现腐蚀、积灰只能在表面一层，且积灰后流阻增加。rbr的过滤器为玻璃绒纤维做成的，颜色为白色，容易识别积灰的量，提醒及时清洗和更换；过滤器可以有很长的存灰距离，可以减小流阻。

　　精细过滤器---过滤器过滤烟尘的能力和产生的流阻是一个矛盾，要求过滤精细，必然增加流阻。rbr的PTFE精细过滤器外表面是一层TEFLON膜，能过滤1µ的烟尘，过滤能力非常精细，但由于rbr的PTFE过滤器比其他品牌的产品都大，通过增加气体的通过面积减小了气体通过流阻。

　　汽水分离器---汽水分离器主要用于分离水蒸气为饱和态气体中的已经凝结的水颗粒。

　　帕尔帖制冷器---电子制冷器，通过在半导体元件两面加载电压，热量可以从一个面向另一个面转移，达到换热的效果。Petier元件冷面连一个表面镀TEFLON膜的金属圆柱，用做换热元件。