高温窑炉气体红外辐射被动遥测

发布时间：2019-07-13 18:25

【摘要】：基于傅里叶变换红外光谱技术对高温窑炉内气体红外辐射信号进行了遥测研究。根据工业现场条件,利用大气辐射原理建立被动辐射模型,计算了炉膛内高温气体透射率。针对湍流噪声对信噪比的影响,研究了红外干涉信号光谱转换的数据处理方法,以零光程差为基准对齐干涉信号,以实现多次扫描干涉信号的平均,减小了噪声和计算量,并提高了光谱数据率。利用HITRAN数据库和高温参考谱模型法,对谱线线强、线宽修正合成的校准光谱与透射谱进行非线性最小二乘拟合,反演了炉膛内不同吸收波段的高温气体浓度。结果表明该技术在窑炉内及其他工业燃烧过程中对高温气体的在线检测是可行、可靠的。
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图片说明： 描干涉信号的平均，从而达到降噪目的，对高温下ＦＴＩＲ的线强、线宽温度进行了修正，并通过高温参考谱模型合成校准光谱，应用非线性最小二乘法［２］实现了在线气体浓度反演。２被动遥测辐射原理及模型对工业气体的被动遥测主要基于对气体红外辐射和吸收的分析。通常情况下，红外探测器前的传输介质可分为多匀质层，每一匀质层都吸收到前一层的辐射并对下一层输出辐射，，高温ＣＯ的被动遥测正是基于这一原理。由于炉膛的尺寸有限，炉膛内的气体一方面吸收来自于炉壁的背景辐射，另一方面产生高温特征辐射，如图１所示。图１工业炉膛辐射模型Ｆｉｇ．１Ｒａｄｉａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｅｍｅｎｔ－ｋｉｌｎ炉膛内的背景辐射强度Ｉ０为高温炉壁的辐射，Ｉ１包括Ｉ０透过炉膛内并被气体吸收后的红外辐射和炉膛内气体自身的能量辐射，Ｉ为被动ＦＴＩＲ测量系统最终探测到的相对辐射强度谱，即Ｉ１透过炉膛外空气并被气体吸收后的辐射。炉膛外空气中含有ＣＯ２，所以将整个模型分为炉膛外和炉膛内２个部分，按照从外到里的顺序进行分析研究，以获得气体透射谱的理论表达式。０８０１００２－２
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图片说明： 光学学报２．１炉膛外部模型炉膛外部模型主要是从测量光谱（图２）中扣除空气中ＣＯ２的吸收，根据仪器测得的Ｉ（λ）和空气中ＣＯ２的透射率τ１（λ）计算Ｉ１（λ）。由于炉膛外空气温度与炉膛内空气温度相差很大，忽略空气中ＣＯ２自身的辐射能量（仪器自身辐射也可忽略），则有Ｉ１（λ）＝Ｉ（λ）τ１（λ）。（１）图２平均光谱Ｆｉｇ．２Ａｖｅｒａｇｅｄｓｐｅｃｔｒｕｍ根据朗伯－比尔定律，有τ１（λ）＝ｅｘｐ［－α（λ）ｃｌ］，（２）式中α（λ）为ＣＯ２的吸收系数，ｃ为空气中ＣＯ２的浓度，ｌ为炉膛到探测器的距离（实际测量距离为１．５ｍ）。２．２炉膛内部模型炉膛内ＣＯ２等气体温度与炉壁温度接近，气体自身的辐射能量ＩＣＯ２（λ）不能忽略，即Ｉ１（λ）包含了Ｉ０（λ）被炉膛内ＣＯ２等气体吸收后的红外辐射和炉膛内ＣＯ２自身的辐射能量，可表示为Ｉ１（λ）＝τ２（λ）Ｉ０（λ）＋［１－τ２（λ）］ＩＣＯ２（λ），（３）式中Ｉ０（λ）为炉壁背景辐射，即Ｉ１（λ）扣除ＣＯ２吸收后的相对辐射强度谱。转换（３）式得到炉膛内ＣＯ２的透射率为τ２（λ）＝Ｉ１（λ）－ＩＣＯ２（λ）Ｉ０（λ）－ＩＣＯ２（λ）。（４）ＣＯ２等气体自身的辐射能量ＩＣＯ２（λ）与其辐射亮度有关，在一定范围内辐射亮度变化与相对辐射
【作者单位】： 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室;中国科学技术大学;安徽省环境光学监测技术重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金(41375027)
【分类号】：TN21


本文编号：2514193