【摘要】：燃燒場組分濃度是燃燒效率和污染物排放的重要指示標志,其測量對于燃燒過程分析有重要的研究意義。CO和NO作為燃燒的主要污染物,對人類健康和自然環(huán)境產生嚴重的危害,同時也是燃燒爐和發(fā)動機限定排放污染物。因此,對燃燒場CO和NO等污染氣體進行快速、實時檢測對安全生產、環(huán)境保護和燃燒診斷都具有重要價值。中紅外波段對應于大量分子物質的基頻吸收,具有很強的吸收譜線,適合于燃燒場組分的測量。可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)因其具有非侵入測量、抗干擾能力強、快速響應、結構簡單等優(yōu)點,并且能夠同時測量溫度、組份濃度、流速等氣體參數,廣泛應用于燃燒流場診斷。本文針對燃燒場中CO和NO污染物濃度測量問題,開展了基于TDLAS技術燃燒場濃度測量研究。根據HITEMP數據庫對燃燒環(huán)境的模擬與分析,選擇燃燒產物H20 7154.35cm-1和7467.77cm-1兩條吸收譜線線強之比測溫,以CO 2060 cm-1和NO 1900cm-1兩條中紅外強吸收基頻譜線用于濃度測量。系統(tǒng)采用近紅外、中紅外多波長復用同光路探測方法,實現(xiàn)了燃燒場溫度和組分濃度的同時測量。首先,搭建了基于TDLAS技術的燃燒場溫度濃度測量系統(tǒng),并詳細分析測量系統(tǒng)結構和數據處理流程。其次,在高溫管式爐上開展溫度測量驗證試驗,TDLAS系統(tǒng)測量溫度值與設定值偏差均小于45K,溫度測量具有可靠性;同時分別進行CO和NO濃度測量標定實驗,反演濃度誤差分別在3.0%和3.5%以內,線性度達到0.999以上。最后,將系統(tǒng)置于可升降光學平臺上,針對實驗室直徑60 mm的McKenna CH4/AIR預混平焰爐,開展了 CO和NO污染物濃度測量實驗,實現(xiàn)了對不同當量比和爐面高度的CO和NO濃度測量,測量誤差分別在5.7%和5.9%以內,并分析討論測量結果。由此驗證了 TDLAS技術對燃燒診斷分析的可行性和可靠性。通過光譜選線,系統(tǒng)設計,溫度和濃度測量等工作,研究了基于中紅外TDLAS技術的燃燒流場溫度和CO、NO組分濃度的測量技術,實現(xiàn)了燃燒場污染物濃度的非侵入式快速準確測量,有利于燃燒過程分析的研究,具有一定的工程應用價值。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X831
【圖文】：

著人類環(huán)境安全，并且工業(yè)廢氣，廢水，廢物排放正在逐年增長，人類活動對逡逑自然界的影響越來越顯著［２，３］。逡逑我國２０１７年的能源結構如圖１．１所示，煤炭和石油將長期作為我國的主要逡逑能源，因此，我國大氣受化石燃料燃燒影響較為嚴重。并且隨著城市人口激增，逡逑能源消耗量將大幅增加。工業(yè)、生活爐灶與采暖鍋爐，以及機動車（截止２０１７逡逑年，機動車保有量達３．１億）排放的逐年上升，污染污染狀況不斷加劇［４’５］。面對逡逑日益嚴峻的大氣污染等環(huán)境問題，國家也在不斷地進行整治，但從整體上來看逡逑并無明顯轉變。逡逑１％邋２％逡逑．：－石油逡逑ｉ８％邐’邐‘邋天然氣逡逑■桃逡逑圖１．１邋２０１７年中國能源結構逡逑１逡逑

邐Ｊ￣１Ｘ１５３？￣｜邐Ｓ＾＊逡逑圖１．２邋ＣＡＲＳ實驗系統(tǒng)示意圖逡逑ＬＩＦ是根據粒子被激發(fā)后的熒光信號來反演測量信息［２５＿２７］，可實現(xiàn)較高壓逡逑力溫度測量和二維溫度場的測量，其裝置如圖１．３所示。ＬＩＦ技術檢測精度高，逡逑但信號易受分子密度和信號猝滅等因素影響。逡逑透鏡透鏡邐火焰逡逑邐１邋？抖ｆｌ．ｔ邋°ｎＬ邐Ｉ邐逡逑激光器能量計■逡逑￣￣Ｉ邐？邐［邋ｕ邋Ｗ邋Ｉ邐逡逑—濾光片逡逑＾邐ｍ邐＆ＣＣＤ逡逑ＤＧ５３５邋．ｊ邐邐＼）逡逑圖１．３邋ＰＬＩＦ實驗裝置示意圖逡逑可調諧半導體激光吸收光譜技術（ＴＤＬＡＳ）利用窄線寬可調諧半導體激光逡逑器，通過探測一條完整的光譜吸收線，計算出測量對象的濃度、溫度、流速等逡逑參量［２８＆］，它具有高光譜分辨率、敏度快速、非侵入測量等特點，可用于ｃｈ４，逡逑Ｈ２０，邋ＣＯ，邋Ｃ０２，邋ＮＯ，邋ＨＦ等對象進行原位測量，進而分析區(qū)域環(huán)境組分濃度逡逑和燃燒過程狀態(tài)。逡逑ＴＤＬＡＳ技術具有以下優(yōu)勢［３７］：邋（ｌ）ＴＤＬＡＳ可實現(xiàn)遠距離非接觸測量，高選逡逑擇性可在復雜條件下測量特定物質成分；（２）系統(tǒng)具有體積小，環(huán)境適應性強等逡逑優(yōu)點

圖１．２邋ＣＡＲＳ實驗系統(tǒng)示意圖逡逑ＬＩＦ是根據粒子被激發(fā)后的熒光信號來反演測量信息［２５＿２７］，可實現(xiàn)較高壓逡逑力溫度測量和二維溫度場的測量，其裝置如圖１．３所示。ＬＩＦ技術檢測精度高，逡逑但信號易受分子密度和信號猝滅等因素影響。逡逑透鏡透鏡邐火焰逡逑邐１邋？抖ｆｌ．ｔ邋°ｎＬ邐Ｉ邐逡逑激光器能量計■逡逑￣￣Ｉ邐？邐［邋ｕ邋Ｗ邋Ｉ邐逡逑—濾光片逡逑＾邐ｍ邐＆ＣＣＤ逡逑ＤＧ５３５邋．ｊ邐邐＼）逡逑圖１．３邋ＰＬＩＦ實驗裝置示意圖逡逑可調諧半導體激光吸收光譜技術（ＴＤＬＡＳ）利用窄線寬可調諧半導體激光逡逑器，通過探測一條完整的光譜吸收線，計算出測量對象的濃度、溫度、流速等逡逑參量［２８＆］，它具有高光譜分辨率、敏度快速、非侵入測量等特點，可用于ｃｈ４，逡逑Ｈ２０，邋ＣＯ，邋Ｃ０２，邋ＮＯ，邋ＨＦ等對象進行原位測量，進而分析區(qū)域環(huán)境組分濃度逡逑和燃燒過程狀態(tài)。逡逑ＴＤＬＡＳ技術具有以下優(yōu)勢［３７］：邋（ｌ）ＴＤＬＡＳ可實現(xiàn)遠距離非接觸測量，高選逡逑擇性可在復雜條件下測量特定物質成分；（２）系統(tǒng)具有體積小，環(huán)境適應性強等逡逑優(yōu)點，易于實現(xiàn)工程化應用；（３）能夠實現(xiàn)高重復頻率（可達１００ｋＨｚ）的在線測逡逑量，利用光纖通信中的多路復用技術［８］，可實現(xiàn)對多物理量同時進行在線探測。逡逑目前

【參考文獻】

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本文編號：2764423