基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體在線檢測(cè)及二維分布重建研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)的日趨重視，以及出于保證工業(yè)生產(chǎn)安全高效進(jìn)行的需要，光學(xué)非接觸式的氣體檢測(cè)技術(shù)發(fā)展十分迅速?；诳烧{(diào)諧激光吸收光譜的氣體測(cè)量技術(shù)具有無(wú)需預(yù)處理，響應(yīng)快速，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，多參數(shù)同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前氣體實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的代表性技術(shù)之一。本文研究的主要目的是利用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)，針對(duì)于燃燒領(lǐng)域中具有重要意義的氣態(tài)物質(zhì)進(jìn)行在線檢測(cè)，并同時(shí)對(duì)氣體溫度，以及氣體分布的二維重建進(jìn)行研究。 本文首先利用工作波長(zhǎng)位

2、于1.53μm波段的可調(diào)諧激光二極管，針對(duì)于利用SCR技術(shù)脫除燃燒產(chǎn)生煙氣中NOx的工作環(huán)境，對(duì)其中的NH3濃度進(jìn)行了在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)借助于波長(zhǎng)位于1527nm的NH3特征氣體吸收譜線，在常溫常壓下利用直接吸收測(cè)量的方法達(dá)到10ppm-m的濃度測(cè)量下限。在小型燃燒試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)對(duì)燃燒產(chǎn)生的煙氣中噴灑NH3，以模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中NH3的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。 其次，利用工作波長(zhǎng)位于1.58μm處的可調(diào)諧激光二極管，針對(duì)于泛頻

3、區(qū)內(nèi)的CO2與CO氣體吸收譜線，分別利用直接吸收測(cè)量技術(shù)以及波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)對(duì)其濃度檢測(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在常溫下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)達(dá)到的濃度測(cè)量下限分別為0.14％-m與400ppm-m。討論了環(huán)境溫度壓力等條件變化時(shí)線寬對(duì)于二次諧波信號(hào)的影響，采用二次諧波峰谷比值的方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行修正，大大提高了利用波長(zhǎng)調(diào)制方法進(jìn)行濃度測(cè)量的精度。設(shè)計(jì)加工了適合于現(xiàn)場(chǎng)安裝和在線檢測(cè)使用的測(cè)槍，對(duì)不同工況下燃油爐燃燒產(chǎn)生煙氣中的CO2進(jìn)行了連續(xù)測(cè)量。 其次，通

4、過(guò)利用高精度分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，在1.58μm波段內(nèi)選擇兩條CO2特征吸收譜線，利用其線強(qiáng)比值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于光路中均勻氣體溫度的測(cè)量研究。在373K至773K的溫度范圍內(nèi)，溫度測(cè)量誤差均方值為17K。針對(duì)于光路中存在明顯溫度梯度的測(cè)量環(huán)境，通過(guò)掃描多條CO2氣體吸收譜線，借助于離散化的數(shù)學(xué)模型并利用帶約束的最小二乘擬合方法來(lái)進(jìn)行求解。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)兩段溫度分布重建進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，并討論了相關(guān)影響因素。 針對(duì)于焦?fàn)t煤氣中O2

5、的在線檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用工作波長(zhǎng)位于763nm處的可調(diào)諧激光二極管在不同的氣體組分，溫度，壓力，激光透射率等工況下對(duì)其濃度檢測(cè)進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，驗(yàn)證了濃度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，以保證在O2超標(biāo)時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。 另外，對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制過(guò)程中顆粒對(duì)于二次諧波信號(hào)的影響進(jìn)行了理論分析。分別采用180μm與800μm兩種不同粒徑的石英沙顆粒，對(duì)顆粒存在環(huán)境下的氣體濃度測(cè)量進(jìn)行試驗(yàn)研究。并結(jié)合基于Mie理論上的消光法，進(jìn)行了

6、顆粒物濃度的測(cè)量試驗(yàn)。搭建了小型氣固兩相流動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，利用固定濃度的CO2氣體吹動(dòng)石英沙顆粒進(jìn)行流化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同流化位置處的氣體濃度與顆粒物濃度的同時(shí)在線測(cè)量。 最后，將CT斷層重建技術(shù)與TDLAS技術(shù)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了高速CT重建測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣體二維分布的重建。通過(guò)利用四個(gè)高速旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行重建斷面的掃描，使得掃描時(shí)間控制在100ms。利用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了測(cè)量的準(zhǔn)確性與精度。借助于NH3氣體吸收譜線，通過(guò)采用A