柴油发动机选择性催化还原反应过程监测的多参量激光光谱传感器研制

发布时间：2020-04-12 01:45

【摘要】：氮氧化合物(NO_X)是柴油发动机最主要的有害排放气体之一,对环境造成了极大的污染。降低NOx排放可通过选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术来实现,即催化剂和尿素在一定温度条件下通过与尾气中NO_X反应生成无害的氮气(N_2)和水(H_2O)。在SCR反应过程中,H_2O因为和氨气(NH_3)会在催化剂活性表面产生竞争吸附,也在一定程度上影响SCR反应。为保证SCR反应效率,实现对SCR系统的控制与改进,对SCR过程NH_3逃逸浓度、H_2O浓度和气体温度进行高灵敏的原位、同时监测就显得非常必要。本文的主要工作包括:第一,发展了基于单个近红外激光器的多参量监测方法。通过谱线筛查分析,确定了NH_3和H_2O吸收谱波段;在波长调制光谱技术(WMS)基础上,建立变调制幅度优化模型,选取的最优调制幅度在保证测量信号信噪比的同时,又大大降低了谱线间的相互干扰;为实现对SCR过程多参量的同时免标定测量,本文发展了优化的WMS多谱线拟合算法,该算法不仅大大节省了计算时间,而且消除了由测量复杂环境温度和压力波动造成的对NH_3浓度、H_2O浓度测量的误差。第二,多参量激光光谱传感器的设计与验证。结合SCR监测需求,本文设计了一个低成本、小型化、多参量的原位激光光谱传感器,并对传感器的原位检测接口进行了机械设计。通过调试分析,首先确定了传感器参数,对激光器特性进行了预先准确测量,并对激光波数进行了非线性校正。最后在实验室条件下模拟高温环境,验证了传感器的准确性和可靠性。第三,传感器应用于柴油发动机SCR过程监测的现场试验。首先对柴油发动机SCR系统进行了搭建,进而将本文设计的传感器对该SCR系统不同工况下(不同的喷氨量和发动机功率)其过程NH_3逃逸浓度、H_2O浓度和气体温度进行了连续原位监测。最后对测量结果进行了详细分析和讨论。本文设计的激光光谱传感器实现了对SCR过程多参量高灵敏的原位、同时测量,并且对复杂测量环境具有很好的鲁棒性。现场对柴油机SCR过程的NH_3逃逸浓度、H_2O浓度和气体温度的相对测量不确定分别为8.4%、8.0%和5.3%。本文发展的变调制幅度优化模型与多参量分析方法也可以用于其他高温过程或化学反应过程的诊断分析。
【图文】：

二次谐波信号,信号,幅值,筛查

β=(ΔvL/a)=1.45，当 Δwp=0.153cm-1时，L=0.2cm-1；(b)仿真的二次谐波信号，β=(ΔvL/a)=0.88，当 Δwz=0.354cm-1时，ΔvL=0.2cm-1；信号幅值做了进行了析与选定过程关键参量（NH3浓度、H2O 浓度和气体温度须进行谱线筛查和分析。从近红外到中红外波段红外谱段，NH3具有很强且独立的吸收谱线，但在近红外波段， NH3不仅具有较强的吸收，且吸收，非常适合于用来实现 NH3浓度、H2O 浓近红外 DFB 激光器技术成熟，价格便宜。，经过谱线筛查，选取吸收谱线波段 6610.5-66 为 6610.5-6613.5cm-1范围内 NH3、H2O、CO2和真情况。从图 2-2 可以看出，在该波段内，有 4

吸收光谱,吸收光谱,谱线,目标温度

50ppmNH3，100ppmCH4，5%CO2在 T=400K,P=1atm，L=收光谱及线强（From Hitran）-1 Line1-Line4 H2O 谱线基本参数@T=400K,P=1atm（Form HitH2OLine1H2OLine2H2OLine3H2OLine40(cm-1) 6612.02 6611.72 6611.50 6611.23 "(cm-1) 742.07 2042.37 2042.31 2414.72 m-1) 0.0516 0.0229 0.021 0.0504 ，压力主要通过 H2O 的吸收谱线推出，Zhou 等人[47]研范围内其谱线线强比对于温度具有足够的测量灵敏度，量差ΔE”须大于 700cm-1。从表 2-1 可以看出，Line1 和低态能级能量差为 1300cm-1，，其线强之比 R 对温度变化看出，温度测量灵敏度(dR/R)/(dT/T)在目标温度 250-7e1 和 Line3 这两条 HO 谱线具有较大的吸收强度，非
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TK421

【参考文献】