1、7.2 锅炉烟气成分分析
在火力发电的过程中，对锅炉烟气含氧量、二氧化碳含量、一氧化碳含量的分析测量对于指导锅炉燃烧控制有重要的意义。
为保持锅炉处于最佳燃烧状态，应使实际供给的空气量大于理论空气量，锅炉机组热损失最小的炉膛出口的最佳过剩空气系数应保持在一定范围内。
对锅炉铟气中的过剩空气系数的分析测量要考虑到烟气取样点的选择或给予必要的修正。目前，一般把烟气取样点设计在过热器出口或省煤器出口处。燃烧理论指出：在燃料一定情况下，当完全燃烧时，过剩空气系数是烟气中氧量或二氧化碳含量的函数，此时一氧化碳的含量为零。当不完全燃烧时，因烟气中含有一氧化碳，过剩空气系数与氧
2、量或二氧化碳含量的函数要受到一氧化碳含量的影响：因此对一氧化碳含量和氧气或二氧化碳含量的监视，对于指导燃烧更为有利。 实际燃烧时，很多情况是烟气中一氧化碳含量比较少．因此，对于一氧化碳分析仪要求有较高的灵敏度和精确度。在不完全燃烧时，烟气中还会有未燃尽的可燃物含量对烟气中的一氧化碳的含量、二氧化碳含量和氧量都有影响。过剩空气系数α与一氧化碳含量 二氧化碳含量和氧量的函数关系就更复杂，这种情况下．通过对一氧化碳含量和氧量的监测来指导燃烧会更有实际意义。目前，对于高压大型锅炉，烟气中未燃尽可燃物的含量很小．通常多是通过对烟气中的含氧量的监测来指导燃烧控制。
7.2.2 氧化锆氧量计
氧化锆氧量
3、计属于电化学分析器中的一种。氧化锆（）是一种氧离子导电的固体电解质。氧化锆氧量计可以用来连续地分析各种锅炉烟气中的氧含量，然后控制送风量来调整过剩空气系数α值，以保证最佳的空气燃料比，达到节能效果。氧化锆传感器探头可以直接插人烟道中进行测量，氧化锆测量探头工作温度必须在850℃左右的高温下运行，否则灵敏度将会下降。所以氧化锆氧量计在探头上都装有测温传感器和电加热设备。
1) 氧化锆传感器测量原理
图7.13氧浓差电池的原理
氧化锆在常温下为单斜晶体，当温度为1150℃时，晶体排列由单斜晶体变为立方晶体，同时有不到十分之一的体积收缩。如果在氧化锆中加人一定量的氧化钙（CaO）和氧化钇（），
4、则其晶型变为不随温度而变的稳定的萤石型立方晶体，这时四价的锆被二价的钙和三价的钇置换，同时产生氧离子空穴。当温度为800℃以上时，空穴型的氧化锆就变成了良好的氧离子导体，从而可以构成氧浓差电池。
氧浓差电池的原理如图7.13所示。在氧化锆电解质的两侧各烧结上一层多孔的铂电极，便形成了氧浓差电池。电池左边是被测的烟气，它的氧含量一般为4％～6％，设氧分压为，氧浓度为。电池的右边是参比气体，如空气，它的氧含量一般为20.8％，氧分压为，浓度为。在温度T=850℃时，氧化锆氧浓差电池的工作原理可用下式表示：
负极 电解质 正极
在正
5、极上氧分子得到电子成为氧离子，即
在负极上氧离子失去电子成为氧分子，即
这个过程就好像从正极渗透到负极上去一样。这也好像是一个电池，在负极上不断有电子释放出来，而正极上又不断地吸收电子，这样铂电极两侧之间就存在电动势。只要电极两侧存在氧气浓度差，即氧分压力不相等，也就是，就会有电动势存在。氧浓差电势的大小可以用能斯特方程表示：
式中 E------氧浓差电势；
R------气体常数8.314J/mol•K
F-------法拉第常数96485C/mol；
T——被测介质的绝对温度；
6、 n——反应时一个氧分子输送的电子数，n=4；
——被测气体的氧分压； ‘
——参比气体的氧分压。
如果被测气体和参比气体的压力均为p，则有：
又因
式中 ――分别是被测气体和参比气体中的氧气分体积；
——分别是被测气体和参比气体中的氧气体积百分比含量。
所以有：
从式中可以看出，E和为非线性关系。E的大小除受的影响外，还会受到被测气体绝对温度T的影响，所以氧化锆氧量计一般需要带有温度补偿环节。
根据测
7、量原理的分析，可以归纳出保证仪器正常工作的三个条件：
l 氧化锆传感器探头的温度恒定
一般保持在T＝850℃左右时仪器灵敏度最高。温度T的变化直接影响氧浓差电势E的大小，仪器应加温度补偿环节。
l 参比气体的氧含量要稳定不变
参比气体的氧含量与被测气体的氧含量差别越大，仪器灵敏度越高。例如用氧化锆氧量计分析烟气的氧含量时，用空气作为参比气体，空气中氧含量为20.8％，烟气中氧含量一般为3%~4%，其差值较大，氧化锆传感器的信号可达几十毫伏。
l 被测气体和参比气体具有相同的压力
这样可以用氧气的体积百分比浓度代替分压力，仪器可以直接以氧浓度来刻度。从信号E求出时，要进行反对数运算。
8、
图7.14抽吸式氧化锆传感器
图7.15直插式氧化锆传感器
2) 氧化锆传感器的结构形式
抽吸式氧化锆传感器有抽气和净化系统,能除去杂质和二氧化硫等有害气体,对保护氧化锆管有利。氧化锆管处于800℃的定温电炉中工作,准确度较高,但系统复杂,并失去了反应快的特点。见图7.14。
直插式氧化锆传感器是将氧化锆管直接插入烟道高温部分, 在一端封闭的氧化锆管内外,分别通过空气和被测烟气,在管外装有铂铑-铂热电偶,测定氧化锆管的工作温度,并通过控制设备把定温炉的温度控制在850 ℃，为了防止炉烟尘粒污染氧化锆,加装了多孔性陶瓷过滤器.用泵抽吸烟气和空气, 使它们的流速在一定范围内,同时使空气和烟气侧的总压力大致相等。
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