氮氧化物排放控制

栏: 能斯特方程是什么?

在对蒸汽发电厂的简单概述中，热量被用来产生蒸汽，蒸汽被用来旋转涡轮发电机，从而发电。将水转化为蒸汽所需的热量来自不同的来源。最常见的方法是燃烧碳基燃料，如煤、天然气、木材或石油。在一个特定的工厂使用燃料的选择取决于地理区域、锅炉类型和燃料价格。燃烧过程的有效性决定了安全性、燃料使用和产热过程的排放。

燃烧过程的变化需要对燃料/空气混合物进行微小的改变，以保持正确的比例和锅炉的有效运行。调节燃料或空气的过程称为锅炉调节。锅炉内饰方法因锅炉制造商、燃料类型和控制方案而异。有些方法控制注入系统的空气量，有些方法控制燃料量，还有一些方法两者都控制。然而，在任何方案中，为了安全和效率，了解过程中的氧气量是至关重要的。大多数发电厂使用一种测量装置，连续测量燃烧区附近的氧含量。

从逻辑上讲，空气测量中的错误直接影响锅炉的控制，包括过程安全、燃料使用和工厂排放，包括氮氧化物。一般来说，过量空气每增加10%，燃料使用量就会增加1%。当锅炉在缺氧条件下运行时，燃料使用量大大增加。过量的空气使额外的氮可用，并需要额外的热量来维持燃烧温度，为热NOx的形成创造有利条件。一些多余的空气是锅炉安全高效运行所必需的;燃料有表面积，燃烧需要时间。保持多余的空气体积接近并略高于特定燃料的化学计量值(反应中反应物和产物之间的定量关系)，可以最大限度地减少氮氧化物的形成，并使燃料使用保持在最低限度。

电厂常用的氧气测量方法实际上是燃料电池类型测量的一个子集。氧化锆氧测量有显著的差异，使其可以接受原位操作。它使用热的电化学固体电解质来测量氧含量。它在稳定的氧化锆(固体电解质)两侧各有两个贵金属电极。电极和氧化锆组成测量单元。氧化锆电解质在高温下对氧离子变得多孔。测量单元的一侧暴露在含氧烟气中，而另一侧则置于参比气体的影响下。

为了简单和成本，清洁和干燥的工厂空气，约21% O₂，通常是参考气体的来源。工艺气体和参考气体的氧浓度之间的任何差异都会引起与工艺气体的氧含量成反比的电压。氧化锆抗化学侵蚀，通常对CO等其他烟气的敏感性较低₂。电化学反应对高温的要求允许直接插入测量(原位)进入烟气，无需提取。

对测量的影响

注入锅炉的过量氧气与产生的氮氧化物之间关系的图示。

氧化锆氧测量技术依赖于氧的分压，当水蒸气从样品中流出时，分压会发生变化。如果没有精确的气体温度测量，很难知道气流的新水分含量，但很可能样品中仍有一些水分。如果不知道在提取过程中水分损失的量，就不可能比较的测量数据原位产品与萃取产品的产品。因此，在大多数萃取系统中，工艺气体从烟道中取出并通过干燥装置，实际上除去了所有的水。

然后将干燥的样品通过电化学传感器并测量氧浓度。干燥样品的定义允许可预测和可重复的转换之间原位样品(湿)和萃取物(干)的测定。测量值之间的实际差异因燃料类型，环境水分含量和锅炉热率而异，但对于煤燃料，通常0.2和0.7%之间的差异是现实的。“就地vs.提取”的图表显示了燃烧PBR(球床反应堆)燃料的发电厂湿法和干法测量之间的实际差异。注意，干燥的O₂测量实际上是高于湿的。这与直觉相反;水的流失实际上增加了一定体积内的分压，从而增加了氧气的浓度。

通过对干湿O2测量结果的比较，可以看出干湿样品的O2含量较高。

许多基于氧化锆的探测器都有内置加热器来维持操作所需的温度设定值。加热器一般是一根细导线，分流电阻器靠近氧化锆电池。由于成本低，测量简单，闭环温度控制的反馈由热电偶测量。

也有heater-less利用该过程的环境温度来提供电池运行所需热量的探测器。这些产品在工艺温度达到氧化锆的操作温度后限制使用。在锅炉启动或关闭期间，使用这种类型的设备可能无法测量氧气。

氧化锆电池产生毫伏输出，符合能斯特方程(见侧栏)。信号通过一根单线传送到探测器的接线盒。为了简单起见，大多数制造商将电池的负返回值合并到探针体的实际金属体中。因此，探测器体的良好接地对测量性能至关重要。接地不良会导致氧测量产生电噪声。过程连接到锅炉通常是一个足够的接地平面。然而，在工艺连接中发现薄弱的焊接接头会导致间歇性接地问题。

细胞信号通过外部电缆传输到氧分析仪或发射机。该分析仪将电池毫伏和热电偶测量转换为可用的氧浓度显示。它也是加热型探测器的温度控制器。大多数第一级分析仪具有用于控制目的的模拟输出和用于报警或阀门操作的接触输出。一些分析仪甚至有模拟输入，以在分析仪计算中包括其他过程变量。还有一些低端产品只有一个显示屏，功能也很简单。

在审查氧气检测仪性能时要考虑的问题的图形描述。

随着氧化锆电池的老化，其性能会因氧化锆污染或氧化金属电极而下降。必须校准电池以确保读数准确。校准是将固定气体浓度下的电池输出与相同气体浓度下的理论输出进行比较。校正算法校正值的差异。

测氧性能

安装位置、安装质量和测量点的数量，可能影响最大。氧测量用于监测燃烧过程中过量的空气。从逻辑上讲，测量应该靠近燃烧的位置，如果不是精确地在燃料被消耗的位置。探测器材料的物理限制使产品无法直接安装在火球中。金属会熔化和下垂，而陶瓷会受到熟料和其他锅炉碎屑的影响。此外，它的放置既麻烦又昂贵原位产品通过锅炉壁面覆盖蒸汽管。所以，测量通常是从火球和二次工艺在烟道，后省煤器前空气预热器。然而，在许多工厂中，有相当数量的通道，膨胀节和其他“空气进入”泄漏点，可以扭曲氧气读数。许多工厂正在将测量地点移到离燃烧区域更近的地方，充分利用氧化锆技术的高温特性。

安装质量同样重要。参考空气质量、密封完整性和维护可及性等项目都会影响氧气测量质量。例如，参考空气的质量与校准气体的质量同样重要。例如，参考空气湿度的合理变化可以使过程氧读数改变0.75% O₂。这是一个随环境条件波动的可变误差。

最后，测点的数量和布置是燃烧O最不发达的区域₂计量主要是因为表观成本。锅炉的特点，如膨胀节，旋转叶片，管道弯道，烟灰鼓风机，和内部桁架工作，将导致烟气分层，涡流，或通风的方式，将改变锅炉负荷。离散O的目的₂衡量是为了找到最好的代表这是燃烧火球中发生的情况。

在一个40×40英尺的管道中放置三英尺的单个氧检测器不太可能在整个锅炉负荷的有效范围内提供最佳代表性样品。相反，同样的烟道覆盖在90度₂探测器，虽然它可能对O₂探测器厂家，是不经济和维修的噩梦。这也不是必需的。很少有工厂花时间和精力来了解其烟道中的实际气体流动特性。许多工厂依赖于工厂委托时创建的流模型作为其当前测量位置、数量和安排的基础。为了减少氮氧化物或提高燃油效率，许多调试后的添加无疑改变了通过管道的气体流动。有些工厂使用便携式测试设备和特殊的访问管道访问端口来演示O型管的实际轮廓₂在管道的横截面上。

有些人甚至努力构造一个表示0的矩阵₂以及不同锅炉负荷下风管截面流速。后者是选择插入探针的位置、排列和数量的最佳方法。改善样品排列的性能可以深刻地影响燃料消耗和氮氧化物排放。管道O₂剖面图显示了管道O的简单而真实的视图₂概要文件的一些考虑事项，以审查O₂检测器的性能。

作者信息

Jim Scott，产品经理，Bobby Dennis，产品专家，隶属于美国横河公司的分析气体产品;

能斯特方程是什么?

能斯特方程将电极的实际(可测量的)可逆电位，E，为电极对的标准可逆电位，E

E＝ERT/zF) n (一个(红色)/一个(牛)

在哪里R是通用气体常数，T是绝对温度，z电极反应的电荷数(也就是反应中电子的摩尔数)，和F是法拉第常数。的符号一个(红色)表示在电极反应的还原侧出现的所有物质的化学活性，以及符号一个(OX)表示电极反应中出现在氧化侧的所有物质的化学活性。

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