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

1、近年來，隨著國家對于環(huán)境保護的日趨重視，以及出于保證工業(yè)生產(chǎn)安全高效進行的需要，光學非接觸式的氣體檢測技術(shù)發(fā)展十分迅速?；诳烧{(diào)諧激光吸收光譜的氣體測量技術(shù)具有無需預處理，響應快速，數(shù)據(jù)準確，多參數(shù)同時檢測等優(yōu)勢，成為了當前氣體實時在線檢測的代表性技術(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)，針對于燃燒領(lǐng)域中具有重要意義的氣態(tài)物質(zhì)進行在線檢測，并同時對氣體溫度，以及氣體分布的二維重建進行研究。 本文首先利用工作波長位

2、于1.53μm波段的可調(diào)諧激光二極管，針對于利用SCR技術(shù)脫除燃燒產(chǎn)生煙氣中NOx的工作環(huán)境，對其中的NH3濃度進行了在線測量。實驗室內(nèi)借助于波長位于1527nm的NH3特征氣體吸收譜線，在常溫常壓下利用直接吸收測量的方法達到10ppm-m的濃度測量下限。在小型燃燒試驗臺上，通過對燃燒產(chǎn)生的煙氣中噴灑NH3，以模擬現(xiàn)場測量工況，實現(xiàn)對煙氣中NH3的實時在線檢測。 其次，利用工作波長位于1.58μm處的可調(diào)諧激光二極管，針對于泛頻

3、區(qū)內(nèi)的CO2與CO氣體吸收譜線，分別利用直接吸收測量技術(shù)以及波長調(diào)制技術(shù)對其濃度檢測進行了試驗研究，在常溫下實驗室內(nèi)達到的濃度測量下限分別為0.14％-m與400ppm-m。討論了環(huán)境溫度壓力等條件變化時線寬對于二次諧波信號的影響，采用二次諧波峰谷比值的方法來對其進行修正，大大提高了利用波長調(diào)制方法進行濃度測量的精度。設計加工了適合于現(xiàn)場安裝和在線檢測使用的測槍，對不同工況下燃油爐燃燒產(chǎn)生煙氣中的CO2進行了連續(xù)測量。 其次，通

4、過利用高精度分子光譜數(shù)據(jù)庫，在1.58μm波段內(nèi)選擇兩條CO2特征吸收譜線，利用其線強比值來實現(xiàn)對于光路中均勻氣體溫度的測量研究。在373K至773K的溫度范圍內(nèi)，溫度測量誤差均方值為17K。針對于光路中存在明顯溫度梯度的測量環(huán)境，通過掃描多條CO2氣體吸收譜線，借助于離散化的數(shù)學模型并利用帶約束的最小二乘擬合方法來進行求解。在實驗室內(nèi)對兩段溫度分布重建進行了相應的數(shù)值模擬和試驗研究，并討論了相關(guān)影響因素。 針對于焦爐煤氣中O2

5、的在線檢測，在實驗室內(nèi)采用工作波長位于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其濃度檢測進行了測量試驗，驗證了濃度測量結(jié)果的準確性，以保證在O2超標時可以及時進行報警從而確保工業(yè)生產(chǎn)安全。 另外，對波長調(diào)制過程中顆粒對于二次諧波信號的影響進行了理論分析。分別采用180μm與800μm兩種不同粒徑的石英沙顆粒，對顆粒存在環(huán)境下的氣體濃度測量進行試驗研究。并結(jié)合基于Mie理論上的消光法，進行了

6、顆粒物濃度的測量試驗。搭建了小型氣固兩相流動試驗臺，利用固定濃度的CO2氣體吹動石英沙顆粒進行流化，實現(xiàn)了對于不同流化位置處的氣體濃度與顆粒物濃度的同時在線測量。 最后，將CT斷層重建技術(shù)與TDLAS技術(shù)相結(jié)合，在實驗室內(nèi)搭建了高速CT重建測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)對于氣體二維分布的重建。通過利用四個高速旋轉(zhuǎn)臺進行重建斷面的掃描，使得掃描時間控制在100ms。利用數(shù)值模擬的方法驗證了測量的準確性與精度。借助于NH3氣體吸收譜線，通過采用A