《热能与动力工程测试技术》课件-第10章 排放测量

10.1概述10.2色谱分析仪10.3红外气体分析技术10.4常用组分浓度测量技术10.5颗粒物排放测量10.6排放测量采样方法第10章排放测量

10.1概述目的：燃烧过程监测与控制、产物生成机理、有害排放物控制等。排放种类气态排放物：CO、HC、NOx、SO2、CO2、O2等固态排放物：颗粒物取样方法直接取样法（DirectSampling）全流取样法(FullFlowSampling)比例取样法（ProportionalSampling）定容取样法（ConstantVolumeSampling，即CVS）10.2色谱分析仪

10.2.1色谱分析仪的基本原理组分分离被分析的混合物（试样）在流动气体或液体（称流动相）的推动下，流经一根装有填充物（称固定相）的管子（称色谱柱），由于固定相对不同的组分具有不同的吸附或溶解能力，因此，混合物经过色谱柱后，各种组分从色谱柱流出的时间不同，从而达到组分分离的目的。根据不同的流动相物态，色谱分析分为液相色谱分析和气相色谱分析两种。前者用液体作为流动相，后者用气体作为流动相，通常称气体流动相为载气。色谱柱中的固定相也有两种状态，即固态和液态，因此，以气相色谱为例，有气－固色谱和气－液色谱之分。前者利用固态充填物对不同组分吸附能力的差别进行组分分离，后者则利用液态充填物对不同组分溶解度的差别实现组分分离。10.2色谱分析仪

10.2.1色谱分析仪的基本原理气相色谱分析仪的系统组成和工作流程载气：载气的选择与被测组分以及检测器类型有关，通常选用惰性大、不被固定相吸附或溶解、不同于被测组分，且在检测器中与被测组分的灵敏度相差较大的气体，如H2、He及Ar等色谱柱：一般用玻璃管或不锈钢管制成，固定相根据被测组分加以选择。当色谱柱的温度保持在被测组分沸点附近时效果最好检测器：色谱柱分离出来的各种组分被载气依次送入检测器，由检测器完成其浓度测定载气源压力流量调节进样器色谱柱检测器放大器显示记录装置或信号分析处理系统10.2色谱分析仪

10.2.1色谱分析仪的基本原理组分定性分析：基本依据是色谱流出曲线（色谱峰图）保留时间分析法保留时间：被测组分开始进入色谱柱到流出色谱柱后出现浓度最大值所需的时间，反映组分在色谱柱中滞留的时间长短。基本原理：不同组分在保留时间上差别显著，当相关条件不变时，同一组分的保留时间相同，组分与保留时间之间一一对应将实测保留时间与已经建成的组分-保留时间数据库进行比较加入纯物质比对分析法用来判别混合物中是否含有某种特定的组分首先测取被测混合物的色谱峰图，然后在被测混合物中加入特定组分的纯物质，测取新的色谱峰图。比较前后两幅色谱峰图，如原图中的某一峰值在新图中获得增高，说明被测混合物中含有特定组分；如在新图中出现了原图中不存在的峰则说明被测混合物中不含特定组分10.3红外气体分析技术

10.3.1红外气体分析原理基本原理：对于具有非对称分子结构的气体，如CO、CO2、H2O、NO等，在红外区均有特定的吸收带（波段）。这种特定的吸收带对于某一种分子是确定的、标准的，其特性如同“物质指纹”。也就是说，根据特定的吸收带，可以鉴别分子的种类。不分光红外气体分析仪NDIR测定混合气体中某种已知组分的含量，测定特定吸收带内待测组分对红外组分的吸收程度。工作原理－比尔（Beer）定律当入射的红外辐射强度以及待测组分的种类和厚度一定时，透射的红外辐射强度E仅仅是待测组分摩尔百分比浓度c的单值函数10.3红外气体分析技术

10.3.2典型红外气体分析仪结构1,6—反射镜2—扇形板3,5—窗口4—测量室6—反射镜7—整体式滤光器8—半导体检测器9—参比室10—红外辐射光源11—电磁离合器12—电机红外光源发射的红外辐射经抛物面发射镜反射，聚成平行的红外光束，通过扇形板截光器（由电机带动）调制，以一定的频率交替地通过参比室和测量室，然后分别经反射镜和整体滤光器（干涉滤光片）投射到半导体红外检测器上。参比室内封有称为比较气体。测量室通以被测混合气体，当含有待测组分的被测气体流经测量室时，由于对特定波段红外辐射的吸收作用，透过测量室的辐射通量减弱，减弱的程度取决于被测气体中待测组分的浓度；而透过参比室的辐射通量始终保持不变的，半导体检测器接收到的是交变的红外辐射。显而易见，交流输出信号的幅值随待测组分浓度的变化而变化10.4常用组分浓度测量技术

10.4.1CO和CO2浓度测量热导检测器：利用热传导性能随被测气体组分浓度改变而变化的原理，常用热传导系数较大的H2或He作为载气参比室内纯载气的热传导性能确定不变，测量室内被测气体的热传导性能随被测组分浓度改变而变化，即参比室和测量室内气体热传导性能的差别大小（R3和R1的差别大小)与被测组分浓度有关。采用双臂测量电桥（R4和R2分别置于参比室和测量室内）可提高灵敏度10.4常用组分浓度测量技术

10.4.2碳氢化合物浓度检测氢火焰电离检测器：质量含量检测器，对无机组份不灵敏，主要用于有机组份的测量工作原理：HC在火焰中的电离现象。被测气体、载气与H2的混合气体在空气助燃下由电热丝点燃。在燃烧火焰中HC产生离子和电子，其数目随HC所含C原子数目的增加而增加。这些离子和电子在周围电场（收集电极与底电极间加有100～300V的电压）的作用下，按一定的方向运动而形成电流，电流的大小即反映HC组份的含量。常作为测定HC排放总量（THC）的标准检测器10.4常用组分浓度测量技术

10.4.3氮氧化物浓度检测高浓度条件下可以用NDIR法精确测定，但使用不便化学发光法：利用NO-O3反应体系的化学发光现象测量NOx，只能直接测量NO。但通过适当的转化，也可将NO2先还原为NO再测量基本原理：NO和O3在反应室中混合后将产生化学反应，反应中的过剩能量促成了激发态NO2*分子的产生。激发态NO2*分子在跃迁到基态而趋于稳定的同时，会发射波长范围为0.6～3μm的光子

化学发光强度与反应物浓度NO和O3的体积分数成正比通过检测发光光强I就可以确定被测浓度10.4常用组分浓度测量技术

10.4.3氮氧化物浓度检测化学发光法化学发光法测量NO和NO2的流程示意图

测定NO2时，需要先把NO2还原为NO，再进行测量。当被测样品经过转化器时，测量的结果为样品中NO与NO2之和的浓度；当被测样品不经过转化器时，测量的结果只是NO的浓度10.4常用组分浓度测量技术

10.4.4氧含量检测氧化锆氧量分析仪的基本工作原理：利用氧化锆浓差电池所形成的氧浓差电势与O2含量之间的量值关系进行氧含量测量氧化锆＝普通氧化锆(ZrO2)＋低价氧化物，Zr+4被置换成氧离子空穴氧化锆＋高温800℃＝良好的氧离子导体当氧离子通过氧化锆中的氧离子空穴，从浓度高的参比侧向浓度低的测量侧迁移时，两电极上将产生如下反应于是，电极上因电荷积累而产生电动势。由于该电动势与氧化锆两侧气体的氧浓度有关，故称作氧浓差电动势，相应的装置就叫氧化锆氧浓差电池。10.4常用组分浓度测量技术

10.4.4氧含量检测氧化锆氧量分析仪的基本工作原理能斯特（Nernst）方程分析氧浓度时，经常采用空气做参比气体，即

2=20.8%，有T一定时，E与φ1成单值关系氧浓差电动势与氧化锆的工作温度有关，需要严格控制温度上述两式是在参比气体总压与被测气体总压相等的条件下得出的，

使用时应保证这一条件成立10.4常用组分浓度测量技术

10.4.4氧含量检测氧化锆氧量分析仪测量系统氧化锆管的结构形式按氧化锆管的安装方式分有直插式和抽出式抽出式测量系统具有抽气和净化功能，对保护氧化锆管有利，同时，氧化锆管处于稳定的工作温度（800℃）下，测量精度较高。结构复杂，较少采用直插式测量系统结构较简单，系统的响应性能较好（a)无封头式(b)封头式1—氧化锆管2—外铂电极3—内铂电极4—电极引出线10.4常用组分浓度测量技术

10.4.4氧含量检测带温度补偿的氧化锆氧量分析仪测量系统K型热电偶：Et=0.041(T-273.5)得到即使氧浓度φ1不变，当被测气体的温度变化时，E也将发生变化，但E/（Et+11.2）几乎不变，因而1.21lg(20.8/φ1)保持恒定的数值，即φ1不变，实现了工作温度的补偿，消除了因被测气体温度变化而引起的氧浓度测量误差108765432÷1＋91—氧化锆传感器2—阻抗转换器3—放大器4—除法器5—倒向器6—线性化器7—电信号转换器8—显示记录装置9—加法器10—补偿热电偶10.5颗粒物排放测量

颗粒物：悬浮于空气中的细小的固体或液体颗粒，热能和动力机械燃烧过程排放重要的组成部分颗粒物测量技术应用环境污染的监测用于燃烧过程的研究。颗粒物成分：所含成分十分复杂，与燃料种类及其燃烧条件有关。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、各种金属和盐类微粒、多环芳香烃等高沸点有机成分等。颗粒物测量技术发展方向基于宏观表现的测量，如烟气浓度（烟度）的测量颗粒物的成分、质量、数量、粒径分布等的测量

10.5颗粒物排放测量

10.5.1烟度测量测量方法滤纸法：用滤纸收集一定量烟气，比较滤纸表面对光反射率的变化透光度法：利用烟气对光的吸收作用，测量光从烟气中的透过度博世（Bosch）烟度计滤纸式烟度计。抽气泵从排气中抽取固定容积的气样通过装在夹具上的滤纸，使碳烟沉积在滤纸上。抽取的气样数量（容积）恒定，故滤纸被染黑的程度能反映气样中所含碳烟的浓度。当光源的光线射向滤纸时，一部分光线被滤纸上的碳烟所吸收，另一部分被反射到环形光电管，使光电管产生光电流，光电流的大小反映了滤纸反射率的大小，而反射率决定于滤纸的黑度。烟度的分度方法：0为洁白滤纸的黑度，10为全黑滤纸的黑度，显示仪表按洁白与全黑两种滤纸作用下产生的光电流进行线性分度

10.5颗粒物排放测量

10.5.1烟度测量哈特里奇（Hartridge）烟度计透光式烟度计。不仅能够测量碳烟的烟度，而且能够测量排气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蓝烟等。特点是响应快、能够实现连续测量，但光学系统容易受到污染，使用时须注意清洗。此外，当被测对象（如内燃机）的排放气体流速变化时，如果不对取样压力加以控制，会引起测量管中排放气体导入量的变化，影响测量精度。因此，常采用控制取样压力的方法来使排放气体导入量保持一定，以保证烟度测量值与被测对象的排放气体总流量及流速无关。1－光源2—排气入口3—排气测试管

4—光电池5—转换手柄6—空气校正器

7—鼓风机8—排气出口烟度的分度方法：0表示无烟（通常用干净空气的透光度标定），100表示全黑（透光度为0）10.5颗粒物排放测量

10.5.1烟度测量PHS烟度计透光式烟度计。将被测的排放气体全部（而不是部分）导入其检测系统。例如，用于内燃机排气烟度测量时，PHS烟度计的检测部分直接放置在排气通道上。测量值直接受排气管道直径和排放流量的影响。在使用时，应根据被测对象的特征指标，按照规定来选用排气导入管的尺寸，以使测量结果具有可比性。1-排气管道2-排气导入管3-检测部分4-光源5-光电检测单元6-烟度显示记录仪表54312610.5颗粒物排放测量

10.5.2颗粒物测量颗粒物质量测量—称重法：使用采样系统采集颗粒物，用微克级精密天平称得滤纸在收集颗粒物前后的质量差，即为颗粒物的质量颗粒物粒径测量—空气动力学粒径谱仪：通过测量颗粒物通过两束平行激光束的飞行时间从而测得颗粒物的空气动力学粒径主要用于粒径在1μm以上的颗粒物粒径尺寸及浓度分布的测量。近年来，随着技术的进步，空气动力学粒径谱仪的测量范围也不断拓展，目前已可以实现0.5μm～20μm粒径的测量10.5颗粒物排放测量

10.5.2颗粒物测量颗粒物粒径测量—空气动力学粒径谱仪带悬浮微粒的气体（气溶胶）分流成为鞘气和样气，样气经喷嘴加速并在鞘气的包裹下通过检测区域。由于惯性作用不同，不同粒径的颗粒物经过加速喷嘴时产生不同的加速度，粒径越大，加速度越小。颗粒物飞出喷嘴后，在检测区域直线通过两束距离很近的平行激光束，产生单独连续的双峰信号，两峰之间的间隔称为飞行时间。颗粒物飞出加速喷嘴时加速度不同导致颗粒物通过检测区域的速度和时间不同，即飞行时间不同，通过测量飞行时间和标定即可确定颗粒物的粒径飞行时间测量示意图10.5颗粒物排放测量

10.5.2颗粒物测量颗粒物粒径分布测量—扫描电迁移率粒度谱仪：基于荷电粒子在电场中的电迁移特性进行测量测量原理当荷电粒子在电场的作用下运动时其活动能力（电迁移率）ZP为：当气体和电场强度一定时，荷电粒子的电迁移特性与粒子的粒径成反比，粒径越大，电迁移率越低。因此，电荷采集板在不同的区域对其粒子进行采集即可获得不同粒径的分布粒径与电迁移特性示意图10.5颗粒物排放测量

10.5.2颗粒物测量颗粒物粒径分布测量—扫描电迁移率粒度谱仪带悬浮微粒的气体（气溶胶）在进样口用旋风除尘器去除大粒径的颗粒，其余的样气在通过荷电器时产生离子并使粒子荷电，气溶胶以及干燥洁净的鞘气在加有高压电场的中心极杆和外部圆柱之间自上而下流动。因为荷电粒子被中心极杆排斥，故其在中心极杆的作用下向外运动，由于粒子粒径不同时电迁移性不同，因此不同粒径的粒子到达外部圆柱时所处的区域也不同。外部圆柱体上设有多级静电计同时检测不同区域的电流，就可以快速准确地测量粒径分布扫描电迁移率粒度谱仪工作原理10.6排放测量采样方法采样方法直接采样法：在采样时，将采样探头直接插入排气口内，用取样泵直接采集一定量的气样，经粗、精细过滤器，送至气体分析仪进行浓度分析全量采样法：将排放试验中的全部排气都收集到一个足够大的容积的气袋中以供分析定容采样法（CVS）：汽车排放测量中常用的方法，是接近于汽车排气扩散到大气中的实际状态的采样法，被测车辆在底盘测功机上按规定的工况法测试循环运转，全部废气排入稀释通道中，按规定的比例与环境空气混合均匀，形成流速恒定的稀释废气，然后将其中部分按一定比例收集到采样气袋中，供分析仪分析。10.6排放测量采样方法

10.6.1汽车转鼓试验台的采样系统CD—底盘测功机AB—空气取样袋CF—积累流量计