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，过剩空气系数与氧量或二氧化碳含
2、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 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
3、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2ZrO 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 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
4、晶型变为32OY 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 46，设氧分压为 ，1p 氧浓度为 。电池的右边是参比气体，如空气，它的氧含量一1 般为 20.8，氧分压为 ，浓度为 。在温度 T=850时，氧2p2 化锆氧浓差电池的工作原理可用下式表示： PtpOCaZrOPt ),(,)(, 21分
5、压 力分 压 力 负极 电解质 正极 在正极上氧分子得到电子成为氧离子，即 2224)(ep分 压 力 图 7.13 氧浓差电池的原理 在负极上氧离子失去电子成为氧分子，即 )(4212pOe分 压 力 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21p 电动势存在。氧浓差电势的大小可以用能斯特方程表示： nFRT12lp 式中 E-氧浓差电势； R-气体常数 8.314J/molK F-法拉第常数 96485C/mol；
6、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； 1p 参比气体的氧分压。2 如果被测气体和参比气体的压力均为 p，则有： pnFRTE12l 又因 11V222p 式中 分别是被测气体和参比气体中的氧气分体积；21,V 分别是被测气体和参比气体中的氧气体积百分比21, 含量。 所以有： 12lnFRTE 从式中可以看出，E 和 为非线性关系。E 的大小除受 的影1 1 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： 氧化锆传感器探头的温度恒定 一般保持在
7、 T850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。 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。 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。1 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。 图 7.14 抽吸式氧化锆传 感器 图 7.15 直插式氧化锆传 感器
