要理解CO浓度计算需结合烟气温度和压力修正的核心原因,需先明确气体浓度的定义基准与实际烟气工况的波动特性——所有气体浓度(包括CO)的标准计量均基于“特定温度、压力下的气体体积",而实际烟气的温度、压力常偏离标准状态,直接导致“体积变化",进而引发浓度计算误差。以下从原理、影响机制、实际意义三方面详细解析:
一、核心原理:气体浓度的“体积依赖性"与理想气体状态方程
CO浓度在烟气监测中的表示方式是体积分数(如ppm、%VOL),其定义为:
CO的体积(V₁)占总烟气(干基,已去除水分)体积(V总)的比例,即:
[ text = frac}}}} times 100%/text ]
而气体体积(V)并非固定值,会随温度(T)和压力(P) 显著变化,这一关系由**理想气体状态方程**(\( PV = nRT \))决定:
( P \):气体压力(Pa);( V ):气体体积(m³);\( n \):气体物质的量(mol,即CO或总烟气的“分子数量");
( R \):理想气体常数(固定值);\( T \):气体绝对温度(K,= 摄氏温度℃ + 273.15)。
对固定“分子数量"(n)的CO或总烟气:
- 温度升高(T↑)→ 体积膨胀(V↑);
- 压力降低(P↓)→ 体积膨胀(V↑);
反之则体积收缩。
若不修正温度、压力,直接用“实际工况下的体积"计算浓度,会因体积偏差导致结果失真。
二、温度、压力对CO浓度计算的具体影响(为何必须修正?)
实际烟气监测中,烟气从锅炉、窑炉等设备排出时,温度通常为100~500℃(远高于标准状态的0℃),压力可能为微正压(如102~120kPa)或微负压(如80~100kPa),与标准压力(101.325kPa)存在差异。这种工况波动会通过“体积变化"干扰浓度计算,具体表现为:
1. 温度升高:导致“实测浓度偏低"
假设某工况下,干基烟气中CO的分子数量(n)固定(即真实CO含量不变):
标准状态(T₀=273.15K,P₀=101.325kPa):总干烟气体积为V₀,CO体积为V₀(CO),真实浓度为 ( C_0 = frac)} );
实际工况(T₁=473.15K,即200℃,P₁=P₀):根据 ( V \propto T )(压力不变时),总干烟气体积膨胀为 ( V_1 = V_0 times frac approx V_0 times 1.73 ),CO体积同步膨胀为 ( V_1(text) = V_0(text) times 1.73 );
若不修正:实测浓度 ( C_1 = frac)} = frac)} = C_0 )? 这里看似比例不变,但注意:实际监测中,仪器测量的是“单位体积内的CO分子数",而非直接测体积比例!
实际仪器(如非分散红外分析仪)的检测原理是:通过CO分子对特定红外光的吸收强度,反推“单位体积烟气中CO的分子数(n/V)"。根据理想气体状态方程,( frac = frac )——即“单位体积分子数"与压力成正比、与温度成反比。
当温度升高(T↑),( frac \) 降低(单位体积内CO分子变少),仪器会误判“CO浓度低";只有通过修正,将“实际工况下的n/V"转换为“标准状态下的n/V",才能得到真实浓度。
2. 压力降低:同样导致“实测浓度偏低"
若实际烟气压力P₁ < 标准压力P₀(如负压工况),根据 ( frac = frac )(温度不变时):
压力降低(P↓)→ ( frac \) 降低(单位体积内CO分子变少),仪器同样会误判浓度偏低;
若压力升高(P↑),则 ( frac ) 升高,仪器会误判浓度偏高。
3. 不修正的后果:数据失真与合规误判
工业烟气监测(如环保排放、工艺控制)对CO浓度有明确标准(如某些行业要求排放浓度≤100ppm):
若实际烟气温度高、压力低,不修正会导致“实测浓度低于真实值",可能使超标排放被误判为“达标",造成环保违规;
若实际烟气温度低、压力高,不修正会导致“实测浓度高于真实值",可能使达标排放被误判为“超标",增加企业不必要的治理成本。
三、修正的目标:统一到“标准状态干基浓度",确保数据可比
为解决工况波动的影响,国内外环保标准(如我国《固定污染源排气中一氧化碳的测定 非分散红外吸收法》HJ/T 44-1999)均强制要求:
将CO的实测浓度修正到标准状态(T₀=273.15K,P₀=101.325kPa)下的干基浓度**(即去除烟气中水分后的浓度,避免水分占据体积导致浓度偏低)。
修正公式(基于理想气体状态方程推导)
[ C_} = C_} \times \frac}} \times \frac}} \times \frac{1 - \varphi__2\text}} ]
( C_} ):标准状态干基CO浓度(ppm/%VOL);
( C_} ):仪器直接测量的CO浓度(未修正);
( P_} ):实际烟气压力(kPa);( T_} \):实际烟气绝对温度(K);
( \varphi__2\text} \):烟气中水分的体积分数(%,由湿度计测量),\( \frac{1 - \varphi__2\text}} \) 为“干基修正项"。
总结:修正的本质是“消除物理状态干扰,还原真实含量"
CO浓度的核心是“CO分子在总烟气中的比例",而温度、压力通过改变气体体积,干扰了“单位体积内分子数"的测量;修正的本质是:
通过理想气体状态方程,将“实际工况下的测量值"转换为“标准状态下的等效值",确保不同时间、不同设备、不同工况下的CO浓度数据具有**准确性、可比性**,满足环保监测、工艺优化的实际需求。