气体组分测量与分析

气体组分测量与分析第一页，共31页。11.1概述

第十一章、气体组分测量与分析

气体组分分析是燃烧过程中常涉及到的一种测试技术。尤其是在线气体分析，由于其测量时间短，使用方便等优点而得到了大量的应用。典型气体分析仪器工作原理分类化学法——用配制成的化学溶液吸收特定气体成份的方法；色谱分析仪；电化学法——电化学传感器。不同的传感器与特定成份发生反应，产生毫伏信号，信号的大小与该种成份的浓度成对应的关系。通过测量毫伏信号来确定气体的浓度；氧化锆氧量分析仪；物理方法——应用物理学原理（如物质的光学特性，磁化性能等）进行气体浓度测定的方法；红外、荧光、顺磁等类型的气体分析仪。第二页，共31页。11.2色谱分析仪（Chromatography）

色谱分析是一种混合物组份的分离技术。

基本原理是：被分析的混合物样品在流动气体或液体(流动相)的推动下，流经一根装有填充物(固定相)的管子(称色谱柱)时，受固定相的吸附或溶解作用，样品中的各组份在流动相和固定相中产生浓度分配。由于固定相对不同组份的吸附或溶解能力不同，因此各种组份在流动相和固定相中的浓度分配情况不同，最终导致各自从色谱柱流出的时间不同，从而达到分离混合物组份的日的。

第十一章、气体组分测量与分析

色谱分离过程动画气相色谱动画第三页，共31页。11.2色谱分析仪

色谱分析仪分类：按流动相：液相色谱分析仪和气相色谱分析仪（载气）按固定相：固态和液态；气－固色谱；气－液色谱色谱分析仪技术组成：色谱分离技术＋检测技术（色谱柱）＋（检测器）

气相色谱分析仪系统组成：载气源＋色谱柱＋检测器第四页，共31页。11.2色谱分析仪

第五页，共31页。11.2色谱分析仪

载气源：惰性大，不被固定相吸附或溶解，不同于被测组分，与被检测组分的灵敏度相差较大。

H2、He、Ar色谱柱：玻璃管、不锈钢管；填充固定相固态固定相：氧化铝、硅胶、活性碳、分子筛液态固定相：硅油、液体石蜡、甘油检测器：热导检测器（TCD）：CO、CO2无机组分氢火焰电离检测器（FID）：HC有机组分第六页，共31页。11.2色谱分析仪

热导检测器原理：气体组分不同，热传导率λ不同。流速低，忽略对流与辐射第七页，共31页。11.2色谱分析仪

氢火焰电离检测器载气＋被测气体＋H2，点燃后，火焰中HC产生离子和电子，数目随C原子增加而增加，在电极电场作用下形成电流。常用于内燃机HC排放测量第八页，共31页。11.2色谱分析仪

色谱分离过程的定量分析：记录A、B经过色谱柱分离过程的图谱称色谱图。其中A、B组分在色谱柱中被洗脱用的时间称保留时间，分别用tRA、tRB表示。

第九页，共31页。11.2色谱分析仪

组分分析方法：保留时间分析：不同组分的保留时间长短不同；与已经建立的组分－保留时间数据库进行比较，可定性分析组分；数据库是利用纯物质在相同流程条件下进行色谱分析得到。要实现定量分析

通过测量各组分的峰面积占总峰面积的比例。加入纯物质比对分析比较两幅色谱峰图，看原图中的某一峰值是否在新图中有增高。第十页，共31页。11.3红外气体分析仪第十一章、气体组分测量与分析

工作原理：有些分子为不同原子构成的多原子气体对入射的红外线有按波长选择性吸收能量的特性。在红外区有特定的吸收带（波段），这对于某一种分子是确定和标准的。“物质指纹”2345678波长mCOSO2CO2COSO2SO2吸收率(%)100常用仪器：不分光红外气体分析仪（NDIR）第十一页，共31页。11.3红外气体分析仪

设有一束红外线入射强度为I0,经过浓度为C的气体后，透射的红外线的强度为I,根据比尔（Beer）定律： 式中k------被测气体对波长λ的红外辐射的吸收系数

C------被测气体的浓度

l------通过气样的光程长度 射入某种气体的外来辐射能，只有其频率符合该气体分子的特征频率时，气体才能吸收此辐射能。两束等能量的红外光分别进入并行的两个光学器件。一个通入参考气体，另一个通入采样气体。检测器可连续测量两个气室中所吸收的红外光能量的差别，这个差别就是采样气体中待测气体成分的浓度。第十二页，共31页。11.4氧含量测量

在现代内燃机和锅炉运行过程中，往往根据燃烧排放物中的O2含量或CO2含量来判断过量空气系数的大小，以控制燃料与空气的比例，维持良好的燃烧条件。由于O2含量与过量空气系数之间的函数关系呈单值性，并很少受到燃料品种的影响，加上O2含量的动态测量相对容易，所以在燃烧过程监测与控制中，普遍采用O2含量来判断过量空气系数的大小。常用：氧化锆氧量分析仪、磁性氧量分析仪第十一章、气体组分测量与分析

第十三页，共31页。11.4氧含量测量

氧化锆氧量测量原理：氧化锆浓差电池原理ZrO2固体电解质＋CaO或Y2O3后，增加氧离子空穴含量，在800～1200℃，成为氧离子导体第十四页，共31页。11.4氧含量测量

第十五页，共31页。11.4氧含量测量

使用时，测量系统要采取保温措施或进行温度补偿常用热电偶进行温度补偿。第十六页，共31页。11.4氧含量测量

汽车氧传感器及陶瓷发热芯第十七页，共31页。11.5氮氧化合物含量测量NDIR法缺点:稳定除湿，保持高温，防止NO溶入水或吸附于壁面。测量NOx一般采用化学发光法。化学发光检测器（CLD）也叫NOx分析仪。

第十一章、气体组分测量与分析

第十八页，共31页。11.5氮氧化合物含量测量

1.基本原理：利用化学发光法测量NO，是依据NO－O3反应生成NO2和O2,其中的一些二氧化氮被提升到电子激发状态，然后随着光子的挥发又迅速恢复到原态。

NO+O3NO2*+O2 NO2*NO2+h

式中： h----普朗克常数

----频率，Hz 当NO与O3在反应室中混合时，化学发光反应产生的发射光强与NO的浓度成正比，用光电倍增管可以测到这个光强信号，并将其转换为电信号。第十九页，共31页。11.5氮氧化合物含量测量

2.NOx的确定采样气体先进入一个转换器，在这里NO2被转换成NO

2NO22NO+O2仪表的输出与总的NO成正比，包括采样气体中原有的NO加上从NO2转换来的NO,这个总和也称为NOx。

NOx=NO+NO23.NO2=NOx－NO第二十页，共31页。11.6烟度测量

黑烟中所含的成分十分复杂，如内燃机排放气体中的黑烟，除碳质成分(碳烟)外，还含有硫酸雾等液体成分、各种金属盐类微粒、多环芳香烃等高沸点有机成分等。国家排放标准GBl7961-2005,对颗粒(PM)与烟的定义:发动机的颗粒物PM指在温度不超过325K(52℃)的稀释排气中，由规定的过滤介质上收集到的所有物质。PM的测量主要是对排气稀释-过滤-称重。烟指悬浮在柴油机排气流中，能吸收、反射或折射光线的颗粒。第十一章、气体组分测量与分析

第二十一页，共31页。11.6烟度测量

有关黑烟测量技术的发展主要有两个方面：

1.以其中的烟气浓度(烟度)为测量对象；

2.以其中的粒状物质成分及其含量(颗粒排放)为测量对象。烟度的测量方法主要有两类：

1.利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从烟气中的透过度来确定烟度的，这种方法叫透光度法；

2.利用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤纸表面对光的反射率的变化来测量烟度的，这种方法叫滤纸法，也称反射法。第二十二页，共31页。11.6烟度测量

哈特里奇烟度计部分流透光式0（无烟）～100（全黑）特点：a.能测量排放气体中水气和油雾等成分形成的烟气烟度，如内燃机冷车起动时产生的白烟或此烟的烟度等，b.响应快、能够实现连续测量，c.光学系统容易受到污染，使用时必须注意清洗d.受气体流速变化影响，需对取样压力加以控制。第二十三页，共31页。11.6烟度测量

2.PHS烟度计全流透光式特点：a.测量值直接受排气管道直径及其排放流量的影响。b.按照规定来选用排气导入管的尺寸第二十四页，共31页。11.6烟度测量

3.Bosch烟度计滤纸式;0～10特点：a.结构简单，使用调整方便，滤纸试样能够保存，并能用于碳烟的重量测量。b.不能用于变工况下碳烟的连续测量，也不能测量蓝姻和白烟.第二十五页，共31页。11.6烟度测量

4.

冯布兰德烟度计滤纸式;0～100特点：a.滤纸为传送带式，可用于变工况下碳烟的连续测量b.也不能测量蓝姻和白烟.第二十六页，共31页。11.7其它问题

气体中水份的处理分析气体中的水蒸汽常对分析结果有明显的影响，尤其是对于那些含量很少，容易结露的气体（如二氧化硫，氮氧化物）。在高温下水以气体的形式存在，当把气体降到适于分析的温度时，水蒸汽凝结成水滴会吸收一部分气体，形成酸既会影响测量结果，也会腐蚀分析仪器。所以在气体进入分析仪器之前都要使水凝结下来。脱除气体中水份的方法有几种，一是快速冷凝（GD10，GasDryer），二是加入干燥装置除湿。

第二十七页，共31页。11.7其它问题

气体中微量及痕量气体成份的处理

有些要分析的气体成份的含量非常少，要以ppm（Partpermillion），ppb(Partperbillion)为测量单位来量度，且非常容易受外界的干扰。因此在测量时减少这些干扰对测量结果的影响就显得很重要。这些气体常受到的干扰有几个方面：环境气体的渗入；管路的吸附；与其它气体进行反应；仪器测量的精度等。解决方法：系统的连接要严密，采用正压取样；分析用管路用不吸附管（如不锈钢管，四氟管等）；对彼此反应的气体要进行修正；选择适合的分析仪器。

第二十八页，共31页。11.7其它问题

气体成份超