要理解CO濃度計算需結合煙氣溫度和壓力修正的核心原因,需先明確氣體濃度的定義基準與實際煙氣工況的波動特性——所有氣體濃度(包括CO)的標準計量均基于“特定溫度、壓力下的氣體體積",而實際煙氣的溫度、壓力常偏離標準狀態,直接導致“體積變化",進而引發濃度計算誤差。以下從原理、影響機制、實際意義三方面詳細解析:
一、核心原理:氣體濃度的“體積依賴性"與理想氣體狀態方程
CO濃度在煙氣監測中的表示方式是體積分數(如ppm、%VOL),其定義為:
CO的體積(V?)占總煙氣(干基,已去除水分)體積(V總)的比例,即:
[ text = frac}}}} times 100%/text ]
而氣體體積(V)并非固定值,會隨溫度(T)和壓力(P) 顯著變化,這一關系由**理想氣體狀態方程**(\( PV = nRT \))決定:
( P \):氣體壓力(Pa);( V ):氣體體積(m3);\( n \):氣體物質的量(mol,即CO或總煙氣的“分子數量");
( R \):理想氣體常數(固定值);\( T \):氣體絕對溫度(K,= 攝氏溫度℃ + 273.15)。
對固定“分子數量"(n)的CO或總煙氣:
- 溫度升高(T↑)→ 體積膨脹(V↑);
- 壓力降低(P↓)→ 體積膨脹(V↑);
反之則體積收縮。
若不修正溫度、壓力,直接用“實際工況下的體積"計算濃度,會因體積偏差導致結果失真。
二、溫度、壓力對CO濃度計算的具體影響(為何必須修正?)
實際煙氣監測中,煙氣從鍋爐、窯爐等設備排出時,溫度通常為100~500℃(遠高于標準狀態的0℃),壓力可能為微正壓(如102~120kPa)或微負壓(如80~100kPa),與標準壓力(101.325kPa)存在差異。這種工況波動會通過“體積變化"干擾濃度計算,具體表現為:
1. 溫度升高:導致“實測濃度偏低"
假設某工況下,干基煙氣中CO的分子數量(n)固定(即真實CO含量不變):
標準狀態(T?=273.15K,P?=101.325kPa):總干煙氣體積為V?,CO體積為V?(CO),真實濃度為 ( C_0 = frac)} );
實際工況(T?=473.15K,即200℃,P?=P?):根據 ( V \propto T )(壓力不變時),總干煙氣體積膨脹為 ( V_1 = V_0 times frac approx V_0 times 1.73 ),CO體積同步膨脹為 ( V_1(text) = V_0(text) times 1.73 );
若不修正:實測濃度 ( C_1 = frac)} = frac)} = C_0 )? 這里看似比例不變,但注意:實際監測中,儀器測量的是“單位體積內的CO分子數",而非直接測體積比例!
實際儀器(如非分散紅外分析儀)的檢測原理是:通過CO分子對特定紅外光的吸收強度,反推“單位體積煙氣中CO的分子數(n/V)"。根據理想氣體狀態方程,( frac = frac )——即“單位體積分子數"與壓力成正比、與溫度成反比。
當溫度升高(T↑),( frac \) 降低(單位體積內CO分子變少),儀器會誤判“CO濃度低";只有通過修正,將“實際工況下的n/V"轉換為“標準狀態下的n/V",才能得到真實濃度。
2. 壓力降低:同樣導致“實測濃度偏低"
若實際煙氣壓力P? < 標準壓力P?(如負壓工況),根據 ( frac = frac )(溫度不變時):
壓力降低(P↓)→ ( frac \) 降低(單位體積內CO分子變少),儀器同樣會誤判濃度偏低;
若壓力升高(P↑),則 ( frac ) 升高,儀器會誤判濃度偏高。
3. 不修正的后果:數據失真與合規誤判
工業煙氣監測(如環保排放、工藝控制)對CO濃度有明確標準(如某些行業要求排放濃度≤100ppm):
若實際煙氣溫度高、壓力低,不修正會導致“實測濃度低于真實值",可能使超標排放被誤判為“達標",造成環保違規;
若實際煙氣溫度低、壓力高,不修正會導致“實測濃度高于真實值",可能使達標排放被誤判為“超標",增加企業不必要的治理成本。
三、修正的目標:統一到“標準狀態干基濃度",確保數據可比
為解決工況波動的影響,國內外環保標準(如我國《固定污染源排氣中一氧化碳的測定 非分散紅外吸收法》HJ/T 44-1999)均強制要求:
將CO的實測濃度修正到標準狀態(T?=273.15K,P?=101.325kPa)下的干基濃度**(即去除煙氣中水分后的濃度,避免水分占據體積導致濃度偏低)。
修正公式(基于理想氣體狀態方程推導)
[ C_} = C_} \times \frac}} \times \frac}} \times \frac{1 - \varphi__2\text}} ]
( C_} ):標準狀態干基CO濃度(ppm/%VOL);
( C_} ):儀器直接測量的CO濃度(未修正);
( P_} ):實際煙氣壓力(kPa);( T_} \):實際煙氣絕對溫度(K);
( \varphi__2\text} \):煙氣中水分的體積分數(%,由濕度計測量),\( \frac{1 - \varphi__2\text}} \) 為“干基修正項"。
總結:修正的本質是“消除物理狀態干擾,還原真實含量"
CO濃度的核心是“CO分子在總煙氣中的比例",而溫度、壓力通過改變氣體體積,干擾了“單位體積內分子數"的測量;修正的本質是:
通過理想氣體狀態方程,將“實際工況下的測量值"轉換為“標準狀態下的等效值",確保不同時間、不同設備、不同工況下的CO濃度數據具有**準確性、可比性**,滿足環保監測、工藝優化的實際需求。