实验十三、烟气成分分析

一、实验目的意义

实验意义：1.通过测定窑炉废气成分，计算过量系数，来判断窑炉的供风情况；2.由窑炉烟气中的CO含量，可以推测窑炉内的化学不完全燃烧的程度；结合供风情况，进而判断窑内物料的煅烧情况；3.通过窑炉系统不同部位的烟气成分分析比较，可计算漏风量；4.对窑炉废气有害成分的分析，可以获知废气对大气环境的污染程度。

    实验目的：

1.掌握奥氏气体分析器的操作，能独立进行烟气成分的测定；

2.根据烟气成分进行空气过剩系数α的计算，分析燃烧情况；

   3.学习通过测定窑炉系统不同部位的烟气成分计算漏风量的方法；

4.了解烟气成分分析的意义。

二、实验原理

一般说来，不论是固体燃料、液体燃料还是气体燃料，其燃烧产物——烟气的主要成分都是H₂O，CO₂，O₂，CO及N₂。在硅酸盐工业生产中，通过对窑炉不同部位的烟气成分进行分析，不仅可以判断窑炉内的供风及燃料燃烧情况，而且可以发现系统的漏风情况，对指导生产有着十分重要的意义。

工业上，用于烟气成分分析的仪器种类有很多，本实验介绍一种比较简单的仪器——奥氏气体分析器．它是一种利用不同的化学试剂对混合气体的选择性吸收来达到对烟气成分进行分析的方法。主要是对燃烧产物中的CO₂，O₂和CO的体积百分比进行测定。其原理为：

    用苛性钾（KOH）或苛性纳(NaOH)溶液吸收CO₂，吸收过程如下:

                   2KOH + CO₂→K₂CO₃ + H₂O

    同时，此溶液亦吸收烟气中含量很少的SO₂，其反应式为：

                   2KOH + SO₂→K₂SO₃ + H₂O

    用焦性没食子酸(C₆H₃ (OH)₃)碱溶液吸收O₂过程的反应式为:

                   C₆H₃ (OH)₃ + 3KOH→C₆H₃(OK)₃ + 3H₂O

三羟基苯钾

 4C₆H₃(OK)₃ + O₂→2(KO)₃·C₆H₃·C₆H₃(OK)₃ + 2H₂O

                                      六羟基联苯钾

    用氯化亚铜(Cu₂Cl₂ )的氨溶液吸收CO，吸收反应如下:

                                                   COONH₄

                  Cu₂C1₂ + 2CO + 4NH₃ + 2H₂O→2Cu + COONH₄ + 2NH₄C1

                                                  二酸铵

三、实验仪器及材料

1．奥氏气体分析器

实验室所用的奥氏气体分析仪如图所示。仪器的主要部分是三个吸收瓶。每个吸收瓶是由底部连通的装有吸收液的前后两个瓶所组成。前瓶通过旋塞K可吸入气样。为了加快吸收速度，在前瓶中装有许多组玻璃管，增大了气样与吸收剂的接触面积。后瓶则是在分析过程中贮存吸收液，避免溢出。为防止吸收液在空气中吸收O₂，在贮液瓶液面加少许石蜡封液。吸收瓶分别通过旋塞K₁、K₂和K₃与梳形管5相通，梳形管一端经三通阀7和气样或大气相通，另一端与量气管相通。量气管下端通过胶管与水准瓶6联接，在水准瓶中用饱和食盐水做封闭液。为防止CO₂溶于封闭液，可在封闭液中加少量Na₂CO₃，以甲基红着色。通过水准瓶的抬高或下降，可以把气体吸入或排出。干燥器8中装有干燥剂，可滤掉烟气中的灰尘和水气。仪器所有联结处都用胶管对接封严，旋塞及三通阀均涂凡士林密封。9为取气胆，用来装被测烟气气样的。

2．吸收剂

⑴ KOH溶液，注入吸收瓶I。

⑵ C₆H₃(OK)₃溶液（焦性没食子酸的碱溶液），注入吸收瓶Ⅱ。

⑶ Cu(NH₃)₂Cl溶液（氯化亚铜的氨溶液），注入吸收瓶Ⅲ。

3．封闭溶液：饱和食盐水。

4. 烟气发生器：烟气试样可直接取自锅炉烟道，也可取自烟气发生器（实验室使用）。

四、实验步骤

1.检查漏气

关闭活塞K₁，K₂，K₃，打开三通活塞7和大气相通，提高水准瓶6，使量气管4内的液面上升到上端刻线处，然后关闭三通活塞7。放下水准瓶6，观察量气管4内的液面情况。若液面稳定不变，说明整个分析器系统是严密不漏气的。否则，需要检查漏气部位，并进行密封。

2．取样

（1）用吸收剂洗吸收瓶

提高水准瓶6，并打开7，使4内液面上升到上端刻线附近，水准瓶6保持不变。再关7，然后打开K₁，缓慢下移水准瓶6，使1中的液面上升至上端刻线，关上5。同样方法，使2、3中的液面上升到刻线，关闭K₂，K₃。

（2）用烟气洗梳形管并使封闭液被气体饱和

将球胆与干燥器8相通，旋转活塞7，使系统与大气隔绝而与球胆相通，并打开球胆上的夹子，下移水准瓶6，使气样自动流入量气管4中约50ml，因为梳形管及各支管中有空气，此时所吸取的那份烟气中混有空气，不能当作试样，应把它排入空气中，随即旋转活塞7，使系统与大气相通而与球胆隔绝，提高水准瓶6，使量气管内液面上升到标线，以排出气体。用上述方法再取一份烟气，重新排出，这样重复3～4次，方能正式取样。

（3）开始取样

打开活塞7为二通，使得球胆与吸收器相通而与大气隔绝，同时放低水准瓶6，将烟气吸入量气管中，当液面下降至刻度100ml以下少许时，关闭活塞7，使量气管液面与水准瓶液面处在同一高度，打开活塞7为二通，使得吸收器与球胆隔绝而与大气相通，并小心升高水准瓶，使多余气体放出，而使量气管中液面升至刻度100ml。关闭活塞7为三不通，使烟气样与外界隔绝。

3．分析并作好原始数据记录

升高水准瓶6，给量气管4中待测气体施加压力，再打开装有KOH溶液的吸收瓶1的活塞K₁，于是待被测气体进入KOH吸收瓶，直至量气管的液面到达标线为止。然后放下水准瓶，将气体抽回，如此往返4~5次，最后一次将气体自吸收瓶中抽回，当吸收瓶内液面回到原始顶端标线处，关闭KOH吸收瓶的旋塞K₁，将水准瓶移近量气管，对齐液面，等候大约半分钟后，读出气体体积(V₁)。吸收前后气体体积之差100-V₁，即是100ml混合气体中所含CO₂之体积。在读取体积读数后，应检查吸收是否完全，为此，再重复上述吸收过程一次，如体积相差不大于0.1ml，即认为已吸收完全。否则，要继续重复上述过程，进行再吸收。

按同样方法，依次用C₆H₃(OK)₃溶液（吸收瓶2）、Cu(NH₃)₂Cl溶液（吸收瓶3）来吸收O₂、CO，吸收后分别测得体积为V₂ 、V₃，则V₁-V₂即为气体中所含O₂之体积，V₂-V₃为气体中所含CO的体积。N₂的体积百分含量可由下式计算得到： N₂=100–(CO₂+O₂+CO)。

注意：在吸收过程中，升降水准瓶一定要使吸收瓶中的吸收液不得超过瓶颈，否则吸收液进入梳形管将会使测量产生很大误差。

五、数据及测试结果处理

空气过剩系数α的计算：

六、注意示项

1.奥氏气体分析器上的所有活塞不得互换使用；

2.在整个实验过程中，封闭液和吸收液不得进入梳形管；

3.吸收过程中，应缓慢提高和降低平衡瓶，以防止被测烟气与空气在吸收瓶与缓冲瓶的连接管处相互交换；

4.每个吸收过程需要完全。

七、思考题

1.试说明水准瓶在实验中的作用是什么？

2.实验前为什么要检查仪器的严密性？如有漏气，如何处理？

3.烟气成分分析在工业生产中有何作用？

4.在水泥预热预分解生产工艺中，在预热器出口排放到大气中的烟气通常都有哪些气体？

第二篇：锅炉烟气成分分析

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

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（），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；

           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。

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。