利用可調諧半導體激光吸收光譜測量高溫火焰中的CO濃度.pdf

1、燃燒是能源貢獻的最主要方式，也是污染物生產的重要來源，針對燃燒環(huán)境提出的非接觸式光學測量手段也成為目前研究的重點?？烧{諧半導體激光吸收光譜技術近紅外測量技術具有高準確度、高靈敏度、反應快速、無需采樣等在線檢測特性，同時其采用激光束穿過待測區(qū)域，對溫度場和濃度場實現(xiàn)無損測量，可真實反應火焰燃燒狀況，實現(xiàn)高溫燃燒的在線診斷。
　　CO是燃燒不完全度的重要標志性產物，也是大氣污染檢測的主要氣體之一，高溫下的CO具有生成速率快，濃度變化大

2、等特點，對高溫燃燒環(huán)境中的CO實時在線監(jiān)控，可及時反饋燃燒效率，實現(xiàn)燃燒優(yōu)化控制。傳統(tǒng)的CO測量方法需要采樣，從而引發(fā)檢測周期長，采樣點數(shù)受限制，檢測濃度低等缺陷。可調諧半導體激光吸收光譜技術測量系統(tǒng)基于Beer-Lambert定律，通過查詢HITRAN高精度遷移分子數(shù)據庫，快速在線監(jiān)測高溫煙氣和高溫火焰中CO的生成濃度。
　　本實驗采用中心波長位于2.3μm的近紅外半導體(DFB)激光器，選擇第一泛頻帶的R(30)譜線，結合直接

3、測量法(DA)和二次諧波法(WMS-2f)，對高溫氣體吸收池(～1200 K)和C3H8/Air預混平面火焰爐(～2400 K)中的CO氣體濃度進行在線測量。在高溫氣體吸收池中，直接測量法通過剔除背景輻射，可消除火焰輻射對探測的影響，降低背景噪音的干擾，吸收譜線背景噪音約為～5×10-4。信噪比為1時(SNR=1)，CO最低探測極限濃度為200 ppm-m；二次諧波法測量結合鎖相放大技術，將高頻(10Hz)信號加載到低頻(100Hz)掃

4、描信號中，經濾波器去掉低頻噪音信號，提高系統(tǒng)的信噪比，SNR=1時獲得的探測極限10ppm-m。配置S型熱電偶和PDR雙通道壓力計精確控制反應池的溫度和壓力，分別探究溫度對譜線強度的影響，壓力對譜線加寬的影響和顆粒對測量精度的影響，R(30)譜線強度在1000K-2600K隨溫度變化的幅度較小(｜dS/dT｜/S<6.7×10-4K-1)，在高溫段對溫度變化的不敏感性，有利于高溫復雜燃燒火焰中氣體的測量，減少測量精度誤差。環(huán)境壓力增大時

5、，碰撞加寬的影響增大，譜線線寬逐漸增大，測量環(huán)境壓力對擬合譜線的加寬重疊至關重要。由于顆粒對激光束的散射、反射和吸收作用于整個掃描波長段，而氣體的吸收具有選擇性，因此根據比爾定律，通過擬合背景，消除顆粒削弱、背景輻射、火焰光強跳動等影響。
　　使用波長位于2.3μm附近的DFB可調諧激光器，測量具有一維穩(wěn)態(tài)特征的C3H8/Air平面火焰。自行設計的雙向進氣U型水冷長光程平面火焰爐，可提供穩(wěn)定均勻的平面火焰。當量比設定為0.97時，

6、對火焰中H2O的吸收譜線位置進行測量，證明R(30)譜線高溫線不受H2O譜線的干擾。直接測量法(DA)用于靜態(tài)測量各穩(wěn)定火焰工況下的CO濃度，溫度范圍2200K-2600K，最大線強變化為3.29E-04 cm-2atm-1，測量過程由于溫度的變化產生的濃度偏差為0.2％左右。二次諧波(WMS-2f)法動態(tài)測量整個點火周期中CO濃度的變化情況，根據二次諧波的測量原理，可調諧半導體激光吸收光譜技術系統(tǒng)經標定后，待測氣體濃度值與吸收峰值成正