:297张裕烂(长沙开元仪器有限公司)[摘要]本文论述了用红外吸收法测定煤中氢元素的基本原理,给出了实际应用的例子,总结了正确应用红外吸收法测氢的几个关键技术。[关键词]红外吸收,煤质分析,氢元素测定在煤质分析中,通常将测定碳、氢、氧、氮、硫五种元素称为称为煤的元素分析,在火力发电厂及其它将煤炭用作燃料的工业中,燃烧设备的设计、选型、燃烧过程的控制,都要以煤的元素分析组成为基本科学依据,掌握元素分析数据对于锅炉设备的安全经济运行、环境保护和燃料按质计价等都具有重要的意义,氢元素是组成煤中有机质的主要成分之一,故测定氢元素是煤质分析的基础性试验。以往,我国生产的测氢仪大部分采用电量法(库伦法)或重量法(三节炉法)。电量法的过程是:煤样在氧气中燃烧,生成的水与五氧化二磷反应生成偏磷酸后,经电解生成氢、氧和五氧化二磷,根据电解所消耗的电量,计算煤中的氢含量。重量法则是将生成的水用吸水剂吸收,由吸水剂的增重计算氢的含量。这类仪器自动化程度较低、操作过程复杂、测试周期长(电量法每个样15min以上、重量法需几个小时)、故障多,很难推广应用。基于上述原因,目前大部分发电厂等基层用户还尚未配置测氢仪器,分析工作委托给行业检测部门进行或根据经验公式计算,从而使数据的实时性和准确性大打折扣。我公司为了提升国产仪器的档次和满足用户的需要,开发了5E红外测氢仪,成功地将红外吸收法用于煤中氢元素的测定,使用红外吸收法的优点是测试速度快、结果准确、使用方便。1红外吸收法测氢基本原理红外吸收法是基于H2O、SO2、CO2等气体分子吸收红外光的性质。根据朗伯—比尔定律,气体吸收单色光的程度(即吸光度)与该气体的浓度成正比,即:
或>
式中:IO——发射光(被吸收前)的强度
I——接收光(被吸收后)的强度
——吸光度,表示吸收的程度
K——吸光系数,与红外光波长和气体性质有关的常数
L——气室的长度,对于实际设备是一个确定值
C——气体的浓度
根据定律,只要测得红外光被吸收前后的强度IO和I,就可以完全确定气体的浓度。在5E红外测氢仪中,使用一个红外传感器(又称红外池)完成此任务,其原理如图1所示。试样燃烧后的气体从分析气室中通过,当红外光射入气室时,一部分能量被气体中的H2O分子吸收,光的强度就会减弱,而未吸收的部分从气体透过。本仪器使用不分光红外检测,为了减少干扰,用一个滤光片将H2O分子特征光谱以外的光挡住不能通过,红外接收检测元件将红外光强弱变化转换成电压信号,此信号经计算机采样和处理就可以得到气体的浓度,再由浓度、气体流量、试样重量等计算出氢含量。
图一
图二
2红外吸收法在测氢仪中的应用
以下介绍红外吸收法在测氢仪中的应用。图2所示是5E红外测氢仪的原理框图。它由主机、计算机系统、电子天平和气源(氧气和动力气)等组成。主机部分包括:自动送样机构、高温炉、过滤器、储气罐、红外池、阀体及气体管道等,以上组成分析气路,是仪器的核心。主机部分还包含测量控制电路和单片机系统,单片机(下位机)负责控制温度、采集信号、控制送样机构和电磁阀等执行机构的动作。计算机系统(上位机)负责发送命令、统一指挥测量过程、处理数据、计算结果、管理数据库、提供人机界面。
仪器的工作过程:称取一定量的试样(用锡箔包封)放入送样机构。启动分析后,仪器首先用氧气吹扫系统,驱除残留在系统中的水分或余气,接着将试样送入高温炉中在氧气的作用下充分燃烧,试样中的氢元素被快速转化成水汽,燃烧产物中的氯用炉试剂于高温下除去,而水汽经过滤后进入储气罐中混和均匀。稍许后,释放一部分气体到分析气室检测。计算机采集红外传感器的输出电压和压力信号、计算出气体浓度和试样中的氢含量。最后排出系统中的余气准备下一个试验。整个过程在计算机控制下进行,周而复始直到分析完全部试样。
经检测和使用,该仪器的总体性能优于采用库伦法的仪器,接近国外同类仪器的水平。据查新在国内是首创。
主要技术性能如表1,表中还列入了两种其它产品的数据,供对比。
表1
仪器
性能指标
| 5E红外测氢仪
| 某国产测氢仪
| 美国某公司仪器
|
分析方法
| 红外吸收法
| 库伦法
| 红外吸收法
|
分析范围
| 50氢含量,200mg样重
| 10%,75mg
| 100氢含量,200mg样重
|
分析时间
| 约4min
| (10~15)min
| 约3.5min
|
重复性
| 0.15
| 0.15%
| RSD0.8%
|
再现性
| 0.25%
| ——
| ——
|
燃烧温度
| 单节炉
950℃~1050℃
| 三节炉
750℃、800℃、300℃
| 单节炉
950℃~1050℃
|
送样方式
| 自动
| ——
| 自动
|
3关键技术分析
国内尚无红外测氢煤质分析仪器。根据我们的体会,正确应用该项技术须解决几个关键技术问题。
(1)红外传感器的选型。我们将国内外厂家生产的几种红外传感器进行长时间对比试验,发现性能各异,我们选用了一种使用半导体检测元件,灵敏度较高、响应速度快、抗震动、结构简洁的红外传感器,合理选型为开发工作奠定了基础。
(2)确定最佳分析流程。确定流程是一个艰苦探索的过程。在大量试验中,我们总结出各种影响性能的因素,针对各种影响量我们设计了多种方案,进行反复试验和对比,逐步确定了最佳流程。分析流程共分为3个阶段18个步骤,满足了快速和稳定的要求。
(3)优化算法。红外吸收法的理论依据是朗伯—比尔定律,但该定律是建立在理想状态下的。实际测量中,水分子吸收的并不是单色光而是一定带宽的光,煤燃烧后其它成分对测量有干扰,多种因素导致测量结果的非线性和漂移,测量条件也不可能完全不变化,总之,实际与理论有较大的差异。为此我们对测量数据进行了分析,在朗伯—比尔定律的基础上,加入了线性校正和漂移补偿因子等,使算法实用化,保证了测量的准确性。
(4)消除环境因素的影响。用红外法测定氢含量,实际上是测定燃烧气体中水的浓度再计算氢含量。因空气中总是含有分量不同的水,空气一旦进入仪器的分析气路就会严重影响测量结果,这是测氢的又一个难题。我们采取了精心设计和制造分析气路、每次试验开始时自动吹扫系统驱除残留水分、使用气路诊断程序自动报告是否有漏气现象、选用合适的密封材料等多项措施,取得了较好的效果。
[参考文献]
[1]中能电力工业燃料公司.动力用煤煤质检测与管理.中国电力出版社.第五章、第九章
[2]《动力用燃料标准汇编》编委会.动力用燃料标准汇编
来源:中国电厂化学