燃煤电厂脱硝过程多组分多参量的激光传感器研制
发布时间：2021-03-27 03:56
为了控制燃煤电厂烟气中的氮氧化物（NOx）排放量,通常利用选择性催化还原（selective catalytic reduction,SCR）装置对烟气进行脱硝处理。实际脱硝过程中的喷氨量、烟气温度和水含量对脱硝效率有着决定性的影响。因此,实时监测烟气中的逃逸氨浓度、烟气温度和水蒸气浓度对于有效提高燃煤电厂的脱硝效率,最大限度实现节能减排有重要意义。本文针对此实际需求,基于激光波长调制光谱（WMS）检测技术,研制了用于燃煤电厂脱硝尾气中多组分多参量同时测量的便携式激光传感器。主要工作内容如下。第一,发展了用于同时测量NH3和H20浓度以及温度的WMS-2f/1f免标定测量方法。利用变调制技术,在综合考虑信号幅度和谱线重叠情况下,对位于目标谱段（6611～6613cm-1）内的NH3和H20吸收谱线分别采用不同的调制幅度,得到最优的WMS信号。改进了WMS信号的仿真算法,并将该算法与Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法相结合,利用WMS-2f/1f信号多谱线回归分析得到氨气浓度、水蒸气的温度和浓度等参量。该方法具有反演速度快,无需标定的优点。第二,集成了用于同时测量燃煤...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１国家统计局年度数据（２０１１年－２０１６年）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ?ｄａｔａ?ｉｓｓｕｅｄ?ｂｙ?Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｂｕｒｅａｕ?ｏｆ?Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ?ｏｆ?Ｃｈｉｎａ?（２０１１?－２０１６）??
燃煤电厂在进行烟气脱硝一般选用尿素或者纯氨水为还原剂，在高温环境下??分解出ＮＨ３，在催化剂的影响下将烟气中的ＮＯｘ还原为氮气和Ｈ２０：１２：，烟气流??经ＳＣＲ反应室的过程如图１－３所示。???崔化剂??未脱硝丨以＾?〇？心??ＮＯｘ?ＮＨ３?ｊＯ、：：：：：：：：?．，Ｈ２０＿??图１－３?ＳＣＲ脱硝原理??Ｆｉｇ．?１－３?Ｄｅｎｉｔｒａｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｃａｔａｌｙｔｉｃ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??在图１－３中，ＮＨ３选择性还原ＮＯｘ时，反应室内的脱硝模型由Ｒｉｃｈａｒｄ％在??１９８５年建立并逐渐完善；１４］，化学反应如公式（１－１）至公式（１－４）所示。??４ＮＯ?＋?４ＮＨ３?＋?〇２?４Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－０??６ＮＯ?＋?４ＮＨ３?５Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－２）??６Ｎ０２?＋?８ＮＨ３?＾?７Ｎ２?＋?１２Ｈ２０?（１－３）??２Ｎ０２?＋?４ＮＨ３?＋?０２?３Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－４）??上述反应中，选择性还原是指ＮＨ３在催化剂作用下优先还原ＮＯｘ气体，几乎??不与烟气中残留的０２发生氧化反应。燃煤电厂烟气ＮＯｘ中的主要成分为ＮＯ，约??占９５％以上？，故还原反应以公式（１－１）和（１－２）为主，虽然以上化学反应均??属于放热反应，但考虑到烟气中ＮＯｘ总浓度较低，所以可忽略化学反应的热量对??烟气温度的影响即认为ＳＣＲ脱硝过程的环境温度为烟气的温度。随着燃煤电??厂燃烧效率的提高
控制激光器的输出波长扫描覆盖待测气体吸收峰的波段，经气体吸收后的??光信号由光电探测器探测后传输给上位机进行数据处理，得到待测气体浓度的硬??件系统图如图２－２所示。?????信号发生器??？激光驱动器??？?ｍｉｎｉ１?Ｉ?????１?ＤＦＢ激光器?Ｉ??＼?Ａ???：??上位机?＜???待测气体?＜??』??）￣?＼１?光电探测器??１?光纤准直器??图２－２直接吸收光谱系统图??Ｆｉｇ．２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｄｉｒｅｃｔ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ??根据章节２．１．１中所介绍的朗伯－比尔定律，通过对气体吸收前的光强与吸收??后的光强进行处理，得到待测气体的吸收信号。理论推导如下［３６：。??将公式（２－１）中重写为关于吸光度的表达式，如公式（２－８）所示。??（ｒ＼??ａ（ｖ）?＝?－ｈ?ｙ－?＝Ｓ｛ｔ）－Ｐ－Ｘａｂｓ＇１＇＾）?（２－８）??＼ｌ〇?Ｊｖ??一般认为气体的吸收线型是标准函数，对线型函数进行归一化处理，结果如??公式（２－９）所示。??ｆ?（ｐ｛ｖｙｉｖ?＝?＼?（２－９）??Ｊ—ｏｏ??对吸光度求积分后得到光谱积分吸光度４ｖ）的表达式，如公式（２－１０）所示。??Ａ（ｖ）?＝?ｆ?－?ａ（ｖ）ｄｖ?＝Ｓ（Ｔ）?？?Ｐ■?ｚａｂｓ?■?Ｌ?（２－１０）??Ｊ－００??从公式（２－１０）可知
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国区域2020和2030年的SO2和NOx排放总量情景预测[J]. 鱼智霞,曹国良,安文辉,蒙小波. 环境工程学报. 2017(04)
[2]基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器[J]. 杜振辉,张哲远,李金义,熊博,甄卫萌. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[3]火电厂SCR脱硝装置氨逃逸测试方法对比研究[J]. 潘栋,牛国平,丁嘉毅. 中国电力. 2014(09)
[4]选择性催化还原工艺中硫酸氢铵形成机理及影响因素[J]. 马双忱,郭蒙,宋卉卉,陈公达,杨洁红,藏斌,李钊. 热力发电. 2014(02)
[5]基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的逃逸氨在线监测研究[J]. 张增福,邹得宝,陈文亮,赵会娟,徐可欣. 光学技术. 2013(04)
[6]大气中NH3的光学监测技术研究进展[J]. 王界,谢品华,司福祺,李昂,窦科,徐晋,秦敏,吴丰成. 中国环境监测. 2012(02)
[7]我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进展[J]. 谭青,冯雅晨. 化工进展. 2011(S1)
[8]火电厂SCR烟气脱硝催化剂特性及其应用[J]. 王义兵,孙叶柱,陈丰,林勇,梁学东. 电力环境保护. 2009(04)
[9]吸收型光纤气体传感器气室设计概况[J]. 武婧. 中国高新技术企业. 2009(11)
[10]选择催化还原SCR脱硝技术在电站锅炉的应用[J]. 杨卫娟,周俊虎,刘建忠,岑可法. 热力发电. 2005(09)
博士论文
[1]基于中红外波长调制光谱技术的NOx/NH3高灵敏检测方法研究[D]. 陈祥.中国科学技术大学 2018
[2]可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究[D]. 魏巍.山东大学 2017
[3]近红外光谱吸收式气体检测系统的研究[D]. 李彬.吉林大学 2016
[4]基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度测量研究[D]. 李金义.天津大学 2013
本文编号：3102837
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１国家统计局年度数据（２０１１年－２０１６年）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ?ｄａｔａ?ｉｓｓｕｅｄ?ｂｙ?Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ｂｕｒｅａｕ?ｏｆ?Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ?ｏｆ?Ｃｈｉｎａ?（２０１１?－２０１６）??
燃煤电厂在进行烟气脱硝一般选用尿素或者纯氨水为还原剂，在高温环境下??分解出ＮＨ３，在催化剂的影响下将烟气中的ＮＯｘ还原为氮气和Ｈ２０：１２：，烟气流??经ＳＣＲ反应室的过程如图１－３所示。???崔化剂??未脱硝丨以＾?〇？心??ＮＯｘ?ＮＨ３?ｊＯ、：：：：：：：：?．，Ｈ２０＿??图１－３?ＳＣＲ脱硝原理??Ｆｉｇ．?１－３?Ｄｅｎｉｔｒａｔｉｏｎ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｃａｔａｌｙｔｉｃ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??在图１－３中，ＮＨ３选择性还原ＮＯｘ时，反应室内的脱硝模型由Ｒｉｃｈａｒｄ％在??１９８５年建立并逐渐完善；１４］，化学反应如公式（１－１）至公式（１－４）所示。??４ＮＯ?＋?４ＮＨ３?＋?〇２?４Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－０??６ＮＯ?＋?４ＮＨ３?５Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－２）??６Ｎ０２?＋?８ＮＨ３?＾?７Ｎ２?＋?１２Ｈ２０?（１－３）??２Ｎ０２?＋?４ＮＨ３?＋?０２?３Ｎ２?＋?６Ｈ２０?（１－４）??上述反应中，选择性还原是指ＮＨ３在催化剂作用下优先还原ＮＯｘ气体，几乎??不与烟气中残留的０２发生氧化反应。燃煤电厂烟气ＮＯｘ中的主要成分为ＮＯ，约??占９５％以上？，故还原反应以公式（１－１）和（１－２）为主，虽然以上化学反应均??属于放热反应，但考虑到烟气中ＮＯｘ总浓度较低，所以可忽略化学反应的热量对??烟气温度的影响即认为ＳＣＲ脱硝过程的环境温度为烟气的温度。随着燃煤电??厂燃烧效率的提高
控制激光器的输出波长扫描覆盖待测气体吸收峰的波段，经气体吸收后的??光信号由光电探测器探测后传输给上位机进行数据处理，得到待测气体浓度的硬??件系统图如图２－２所示。?????信号发生器??？激光驱动器??？?ｍｉｎｉ１?Ｉ?????１?ＤＦＢ激光器?Ｉ??＼?Ａ???：??上位机?＜???待测气体?＜??』??）￣?＼１?光电探测器??１?光纤准直器??图２－２直接吸收光谱系统图??Ｆｉｇ．２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｄｉｒｅｃｔ?ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ??根据章节２．１．１中所介绍的朗伯－比尔定律，通过对气体吸收前的光强与吸收??后的光强进行处理，得到待测气体的吸收信号。理论推导如下［３６：。??将公式（２－１）中重写为关于吸光度的表达式，如公式（２－８）所示。??（ｒ＼??ａ（ｖ）?＝?－ｈ?ｙ－?＝Ｓ｛ｔ）－Ｐ－Ｘａｂｓ＇１＇＾）?（２－８）??＼ｌ〇?Ｊｖ??一般认为气体的吸收线型是标准函数，对线型函数进行归一化处理，结果如??公式（２－９）所示。??ｆ?（ｐ｛ｖｙｉｖ?＝?＼?（２－９）??Ｊ—ｏｏ??对吸光度求积分后得到光谱积分吸光度４ｖ）的表达式，如公式（２－１０）所示。??Ａ（ｖ）?＝?ｆ?－?ａ（ｖ）ｄｖ?＝Ｓ（Ｔ）?？?Ｐ■?ｚａｂｓ?■?Ｌ?（２－１０）??Ｊ－００??从公式（２－１０）可知
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国区域2020和2030年的SO2和NOx排放总量情景预测[J]. 鱼智霞,曹国良,安文辉,蒙小波. 环境工程学报. 2017(04)
[2]基于空心光波导的激光吸收光谱氨气传感器[J]. 杜振辉,张哲远,李金义,熊博,甄卫萌. 光谱学与光谱分析. 2016(08)
[3]火电厂SCR脱硝装置氨逃逸测试方法对比研究[J]. 潘栋,牛国平,丁嘉毅. 中国电力. 2014(09)
[4]选择性催化还原工艺中硫酸氢铵形成机理及影响因素[J]. 马双忱,郭蒙,宋卉卉,陈公达,杨洁红,藏斌,李钊. 热力发电. 2014(02)
[5]基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的逃逸氨在线监测研究[J]. 张增福,邹得宝,陈文亮,赵会娟,徐可欣. 光学技术. 2013(04)
[6]大气中NH3的光学监测技术研究进展[J]. 王界,谢品华,司福祺,李昂,窦科,徐晋,秦敏,吴丰成. 中国环境监测. 2012(02)
[7]我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进展[J]. 谭青,冯雅晨. 化工进展. 2011(S1)
[8]火电厂SCR烟气脱硝催化剂特性及其应用[J]. 王义兵,孙叶柱,陈丰,林勇,梁学东. 电力环境保护. 2009(04)
[9]吸收型光纤气体传感器气室设计概况[J]. 武婧. 中国高新技术企业. 2009(11)
[10]选择催化还原SCR脱硝技术在电站锅炉的应用[J]. 杨卫娟,周俊虎,刘建忠,岑可法. 热力发电. 2005(09)
博士论文
[1]基于中红外波长调制光谱技术的NOx/NH3高灵敏检测方法研究[D]. 陈祥.中国科学技术大学 2018
[2]可调谐激光吸收光谱气体传感器性能提升研究[D]. 魏巍.山东大学 2017
[3]近红外光谱吸收式气体检测系统的研究[D]. 李彬.吉林大学 2016
[4]基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度测量研究[D]. 李金义.天津大学 2013
本文编号：3102837
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