[发明专利]高温烟气温度和气体组分浓度的检测方法

摘要

一种高温烟气温度和气体组分浓度的检测方法，属于烟气检测方法，目的在于提出一种有别于现有检测方法的高温烟气温度和气体组分浓度检测方法。本发明包括(1)选取谱带步骤：选取二氧化碳辐射谱带、水蒸气辐射谱带和辐射重叠谱带；(2)构建模型步骤：构建谱带发射率关于分子柱密度和温度的拟合多项式；(3)计算步骤：计算烟气温度、二氧化碳浓度和水蒸气浓度。本发明是一种非接触式测量方法，通过测量烟气在特定谱带上的辐射信号并分析计算得到温度、二氧化碳和水蒸气浓度，对测量对象无干扰，能实现高温烟气温度、二氧化碳和水蒸气浓度的同时检测。

主权项

1.一种高温烟气温度和气体组分浓度的检测方法，包括选取谱带步骤、测量步骤和计算步骤，其特征在于：(1)选取谱带步骤：选取二氧化碳辐射谱带、水蒸气辐射谱带和辐射重叠谱带；所述二氧化碳辐射谱带位于二氧化碳特征谱带且不与水蒸气特征谱带重叠的波段；水蒸气辐射谱带位于水蒸气特征谱带且不与二氧化碳特征谱带重叠的波段；辐射重叠谱带位于二氧化碳和水蒸气特征谱带重叠的波段；所述二氧化碳辐射谱带、水蒸气辐射谱带和辐射重叠谱带的带宽由光谱测量设备的分光装置参数决定；(2)构建模型步骤，包括下述子步骤：(2.1)计算二氧化碳辐射谱带发射率(ϵΔη1)j,k=∫ηc1-Δη1/2ηc1+Δη1/2ϵηIb,η(Tj)dη∫ηc1-Δη1/2ηc1+Δη1/2Ib,η(Tj)dη≈∫ηc1-Δη1/2ηc1+Δη1/2ϵηdηΔη1;]]>式中，I_b，η(T_j)为温度T_j下波数η处的黑体单色发射率，由普朗克定律计算得到；T_j是一系列等间隔的温度设定值，j＝1、…、r，r≥3，T_j的取值满足T₁＜T＜T_r，其中T是烟气的真实温度；η_c1和Δη₁分别为二氧化碳辐射谱带的中心波数和谱带带宽；ε_η为波数η处的单色发射率，为二氧化碳气体的谱线强度，其只与温度有关，为洛伦兹线形函数，下标i₀表示所选谱线范围内第i₀条二氧化碳谱线，所选谱线范围包括满足下式的所有二氧化碳谱线：(ηc1-Δη1/2)-200<ηi0<(ηc1+Δη1/2)+200,]]>其中为谱线中心波数；N_1，kL为一系列等间隔的二氧化碳分子柱密度设定值，k＝1、…、s，s≥3，其上限值其中，符号表示对NL向下取整，NL为温度T_r、烟气总压P下的总分子柱密度：NL＝PLN_A/(RT_r)，其中L为气体介质长度，N_A为阿伏伽德罗常数，R为气体常数；其下限值N_1，1L小于烟气中真实的二氧化碳分子柱密度N₁L，N₁L＝PX₁LN_A/(RT)，其中，X₁为二氧化碳浓度；(2.2)计算水蒸气辐射谱带发射率(ϵΔη2)j,k=∫ηc2-Δη2/2ηc2+Δη2/2ϵηIb,η(Tj)dη∫ηc2-Δη2/2ηc2+Δη2/2Ib,η(Tj)dη≈∫ηc2-Δη2/2ηc2+Δη2/2ϵηdηΔη2;]]>式中，η_c2和Δη₂分别为水蒸气辐射谱带的中心波数和谱带带宽；N_2，kL为一系列等间隔的水蒸气分子柱密度设定值，其取值与N_1，kL对应相等；为水蒸气的谱线强度，下标i₁表示所选谱线范围内第i₁条水蒸气谱线，所选谱线范围包括满足下式的所有水蒸气谱线：(ηc2-Δη2/2)-200<ηi1<(ηc2+Δη2/2)+200,]]>其中为谱线中心波数；(2.3)计算辐射重叠谱带发射率包括下述过程：(2.3A)估计烟气中二氧化碳浓度和水蒸气浓度的相对大小：对于常规空气燃烧方式，根据燃料中的碳氢比和下述化学计量式进行估计：CxHy+(x+y4)O2→xCO2+y2H2O;]]>其中，C_xH_y是燃料的化学式，若x＞y/2，则二氧化碳浓度大于水蒸气浓度，否则二氧化碳浓度小于水蒸气浓度；对于O₂/CO₂燃烧方式，烟气中二氧化碳浓度大于水蒸气浓度；(2.3B)计算谱带发射率：令f_t＝0.1(T-1)，T＝1，2，…，11；f_t表示浓度较小气体与浓度较大气体的分子柱密度比值；对于每一个f_t值计算谱带发射率(ϵΔη3)j,kft=∫ηc3-Δη3/2ηc3+Δη3/2ϵηIb,η(Tj)dη∫ηc3-Δη3/2ηc3+Δη3/2Ib,η(Tj)dη≈∫ηc3-Δη3/2ηc3+Δη3/2ϵηdηΔη3,]]>式中，若二氧化碳浓度大于水蒸气浓度，则ϵη=1-e-N1,kL(Σi2Si2,η(Tj)Fi2(η)+ftΣi3Si3,η(Tj)Fi3(η)),]]>反之，则ϵη=1-e-N2,kL(ftΣi2Si2,η(Tj)Fi2(η)+Σi3Si3,η(Tj)Fi3(η));]]>式中η_c3和Δη₃分别为辐射重叠谱带的中心波数和谱带带宽；为二氧化碳气体的谱线强度，下标i₂表示所选谱线范围内第i₂条二氧化碳谱线，所选谱线范围包括满足下式的所有二氧化碳谱线：(ηc3-Δη3/2)-200<ηi2<(ηc3+Δη3/2)+200,]]>其中为谱线中心波数；为水蒸气的谱线强度，下标i₃表示所选谱线范围内第i₃条水蒸气谱线，所选谱线范围包括满足下式的所有水蒸气谱线：(ηc3-Δη3/2)-200<ηi3<(ηc3+Δη3/2)+200,]]>其中为谱线中心波数；(2.4)构建拟合模型，构建谱带发射率关于分子柱密度和温度的拟合多项式：(2.4A)采用最小二乘法对二氧化碳辐射谱带发射率温度T_j和二氧化碳分子柱密度N_1，kL进行二元拟合，得到二氧化碳辐射谱带拟合多项式：(ϵΔη1)j,k=Σ0x1Σ0y1ax1y1[N1,kL]x1[Tj]y1;]]>上式中，是拟合多项式系数，阶数x₁和y₁分别从一阶开始选取，当拟合残差平均值小于1％，即确定相应阶数；(2.4B)采用最小二乘法对水蒸气辐射谱带发射率温度T_j和水蒸气分子柱密度N_2，kL进行二元拟合，得到水蒸气辐射谱带拟合多项式：(ϵΔη2)j,k=Σ0x2Σ0y2ax2y2[N2,kL]x2[Tj]y2;]]>上式中，是拟合多项式系数，阶数x₂和y₂分别从一阶开始选取，当拟合残差平均值小于1％，即确定相应阶数；(2.4C)当二氧化碳浓度大于水蒸气浓度时，采用最小二乘法对辐射重叠谱带发射率温度T_j和二氧化碳分子柱密度N_1，kL进行二元拟合，得到辐射重叠谱带拟合多项式：(ϵΔη3)j,kf1=Σ0x31Σ0y31ax31y31[N1,kL]x31[Tj]y31(ϵΔη3)j,kf2=Σ0x32Σ0y32ax32y32[N1,kL]x32[Tj]y32...(ϵΔη3)j,kf11=Σ0x311Σ0y311ax311y311[N1,kL]x311[Tj]y311;]]>上式中，均为拟合多项式系数，阶数和分别从一阶开始选取，当拟合残差平均值小于1％，即确定相应阶数；当二氧化碳浓度小于水蒸气浓度时，将所述辐射重叠谱带拟合多项式中二氧化碳分子柱密度N_1，kL替换为水蒸气分子柱密度N_2，kL；(3)计算步骤：计算烟气温度、二氧化碳浓度和水蒸气浓度，包括下述子步骤：(3.1)置T为T_j中的最大值；(3.2)分别求解二氧化碳辐射谱带发射率水蒸气辐射谱带发射率和辐射重叠谱带发射率ϵΔη1=SΔη1/KΔη1Ib,ηc1(T)Δη1]]>ϵΔη2=SΔη2/KΔη2Ib,ηc2(T)Δη2,]]>ϵΔη3=SΔη3/KΔη3Ib,ηc3(T)Δη3]]>式中，分别为采用光谱测量设备所获得的烟气在二氧化碳辐射谱带、水蒸气辐射谱带和辐射重叠谱带上的谱带辐射信号；分别为光谱测量设备在二氧化碳辐射谱带、水蒸气辐射谱带和辐射重叠谱带上的标定系数；分别为温度T下波数η_c1、η_c2、η_c3处的黑体单色辐射强度，由普朗克定律计算得到；(3.3)将温度T和谱带发射率和分别代入二氧化碳辐射谱带拟合多项式和水蒸气辐射谱带拟合多项式，求解出二氧化碳和水蒸气的分子柱密度N₁L和N₂L；(3.4)当二氧化碳浓度小于水蒸气浓度时，进行(3.5)，否则进行(3.8)；(3.5)将温度T和N₂L代入辐射重叠谱带拟合多项式，求解出f_t各取值对应的谱带发射率并用子步骤(3.2)中计算得到的对进行插值，获得对应的比值f₀；计算二氧化碳分子柱密度的新值N₁L_new：N₁L_new＝N₂L×f₀；计算二氧化碳分子柱密度新值N₁L_new与旧值N₁L间的相对误差σ_a：σ_a＝|N₁L_new-N₁L|/N₁L；(3.6)判定温度T是否为T_j中的最小值，是则进行步骤(3.7)，否则置T＝T-ΔT，ΔT＝1K，转子步骤(3.2)；(3.7)取相对误差σ_a最小值所对应的温度T、N₁L和N₂L，根据下式计算二氧化碳、水蒸气的体积百分比浓度X₁和X₂：X1=(N1L)RTPLNA,]]>X2=(N2L)RTPLNA,]]>式中，P为烟气气体总压，N_A为阿伏伽德罗常数，R为气体常数，X₁、X₂和T即为所求结果，计算结束；(3.8)将温度T和N₁L代入辐射重叠谱带拟合多项式，求解出f_t各取值对应的谱带发射率并用步骤(3.2)中计算得到的对进行插值，获得对应的比值f₀；计算水蒸气分子柱密度的新值N₂L_new：N₂L_new＝N₂L×f₀；计算水蒸气分子柱密度新值N₂L_new与旧值N₂L间的相对误差σ_b：σ_b＝|N₂L_new-N₂L|/N₂L；(3.9)判定温度T是否为T_j中的最小值，是则进行步骤(3.10)，否则置T＝T-ΔT，ΔT＝1K，转子步骤(3.2)；(3.10)取相对误差σ_b最小值所对应的温度T、N₁L和N₂L，根据下式计算二氧化碳、水蒸气的体积百分比浓度X₁和X₂：X1=(N1L)RTPLNA,]]>X2=(N2L)RTPLNA,]]>X₁、X₂和T即为所求结果，计算结束。