中红外激光光谱燃烧场CO和NO污染物浓度测量

发布时间：2020-07-21 12:37

【摘要】：燃烧场组分浓度是燃烧效率和污染物排放的重要指示标志,其测量对于燃烧过程分析有重要的研究意义。CO和NO作为燃烧的主要污染物,对人类健康和自然环境产生严重的危害,同时也是燃烧炉和发动机限定排放污染物。因此,对燃烧场CO和NO等污染气体进行快速、实时检测对安全生产、环境保护和燃烧诊断都具有重要价值。中红外波段对应于大量分子物质的基频吸收,具有很强的吸收谱线,适合于燃烧场组分的测量。可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)因其具有非侵入测量、抗干扰能力强、快速响应、结构简单等优点,并且能够同时测量温度、组份浓度、流速等气体参数,广泛应用于燃烧流场诊断。本文针对燃烧场中CO和NO污染物浓度测量问题,开展了基于TDLAS技术燃烧场浓度测量研究。根据HITEMP数据库对燃烧环境的模拟与分析,选择燃烧产物H20 7154.35cm-1和7467.77cm-1两条吸收谱线线强之比测温,以CO 2060 cm-1和NO 1900cm-1两条中红外强吸收基频谱线用于浓度测量。系统采用近红外、中红外多波长复用同光路探测方法,实现了燃烧场温度和组分浓度的同时测量。首先,搭建了基于TDLAS技术的燃烧场温度浓度测量系统,并详细分析测量系统结构和数据处理流程。其次,在高温管式炉上开展温度测量验证试验,TDLAS系统测量温度值与设定值偏差均小于45K,温度测量具有可靠性;同时分别进行CO和NO浓度测量标定实验,反演浓度误差分别在3.0%和3.5%以内,线性度达到0.999以上。最后,将系统置于可升降光学平台上,针对实验室直径60 mm的McKenna CH4/AIR预混平焰炉,开展了 CO和NO污染物浓度测量实验,实现了对不同当量比和炉面高度的CO和NO浓度测量,测量误差分别在5.7%和5.9%以内,并分析讨论测量结果。由此验证了 TDLAS技术对燃烧诊断分析的可行性和可靠性。通过光谱选线,系统设计,温度和浓度测量等工作,研究了基于中红外TDLAS技术的燃烧流场温度和CO、NO组分浓度的测量技术,实现了燃烧场污染物浓度的非侵入式快速准确测量,有利于燃烧过程分析的研究,具有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X831
【图文】：

着人类环境安全，并且工业废气，废水，废物排放正在逐年增长，人类活动对逡逑自然界的影响越来越显著［２，３］。逡逑我国２０１７年的能源结构如图１．１所示，煤炭和石油将长期作为我国的主要逡逑能源，因此，我国大气受化石燃料燃烧影响较为严重。并且随着城市人口激增，逡逑能源消耗量将大幅增加。工业、生活炉灶与采暖锅炉，以及机动车（截止２０１７逡逑年，机动车保有量达３．１亿）排放的逐年上升，污染污染状况不断加剧［４’５］。面对逡逑日益严峻的大气污染等环境问题，国家也在不断地进行整治，但从整体上来看逡逑并无明显转变。逡逑１％邋２％逡逑．：－石油逡逑ｉ８％逦’逦‘邋天然气逡逑■桃逡逑图１．１邋２０１７年中国能源结构逡逑１逡逑

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图１．２邋ＣＡＲＳ实验系统示意图逡逑ＬＩＦ是根据粒子被激发后的荧光信号来反演测量信息［２５＿２７］，可实现较高压逡逑力温度测量和二维温度场的测量，其装置如图１．３所示。ＬＩＦ技术检测精度高，逡逑但信号易受分子密度和信号猝灭等因素影响。逡逑透镜透镜逦火焰逡逑逦１邋？抖ｆｌ．ｔ邋°ｎＬ逦Ｉ逦逡逑激光器能量计■逡逑￣￣Ｉ逦？逦［邋ｕ邋Ｗ邋Ｉ逦逡逑—滤光片逡逑＾逦ｍ逦＆ＣＣＤ逡逑ＤＧ５３５邋．ｊ逦逦＼）逡逑图１．３邋ＰＬＩＦ实验装置示意图逡逑可调谐半导体激光吸收光谱技术（ＴＤＬＡＳ）利用窄线宽可调谐半导体激光逡逑器，通过探测一条完整的光谱吸收线，计算出测量对象的浓度、温度、流速等逡逑参量［２８＆］，它具有高光谱分辨率、敏度快速、非侵入测量等特点，可用于ｃｈ４，逡逑Ｈ２０，邋ＣＯ，邋Ｃ０２，邋ＮＯ，邋ＨＦ等对象进行原位测量，进而分析区域环境组分浓度逡逑和燃烧过程状态。逡逑ＴＤＬＡＳ技术具有以下优势［３７］：邋（ｌ）ＴＤＬＡＳ可实现远距离非接触测量，高选逡逑择性可在复杂条件下测量特定物质成分；（２）系统具有体积小，环境适应性强等逡逑优点，易于实现工程化应用；（３）能够实现高重复频率（可达１００ｋＨｚ）的在线测逡逑量，利用光纤通信中的多路复用技术［８］，可实现对多物理量同时进行在线探测。逡逑目前

【参考文献】

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本文编号：2764423