[发明专利]一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法

说明书

【技术领域】

本发明是一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法，它主要利用火焰辐射光谱学、黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布。

【背景技术】

燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，其主要外在表现形式是火焰及其电磁辐射(包括光和热)。由于现有测量手段的限制，尽管提出过许多个燃烧模型(数学的、物理的、化学的)，但在某种程度上来讲燃烧过程仍被作为一种“黑匣子”来对待。

火焰的温度直接取自燃烧室，其信息直接反映燃烧的状况，所以火焰温度是燃烧研究中主要参数之一，该参数对于燃烧过程的组织非常重要。而又有众多研究表明，燃烧中间产物在火焰内部的分布与火焰的温度分布、燃料种类、燃烧装置运行工况与燃烧效率及燃烧最终的污染物排放有着紧密的联系，因此为了正确认识燃烧过程、有效验证各种模型、在线、实时、定量预测污染气体的排放量，燃烧火焰的温度和燃烧过程中产生的中间产物的分布是有待测量的重要参数。

目前有许多工程技术人员从事燃烧过程监测、控制及污染气体排放预测的研究，在线、同时获取燃烧火焰的温度分布和中间产物在火焰中的分布具有重要意义。目前，对于火焰的温度分布和燃烧中间产物的分布是分别获得的，火焰的温度分布大多采用比色法、三色法得到，而燃烧中间产物的浓度分布可以通过采用光谱仪测量对应谱线或谱带下的光辐射信号强度来对燃烧火焰中间产物的浓度进行在线监测，但该方法测得的结果是产物的总体平均浓度或单点局部浓度，无法同时测取其浓度分布信息，致使燃烧模型(包括中间产物的再反应)难以得到有效验证。而采用激光诱导荧光、拉曼散射及傅立叶变换红外光谱仪等可以获得某产物或粒子的二维分布，但该方法不宜同时获取两种以上的中间产物的二维分布，且该类方法成本昂贵、安装复杂，在工业现场应用中存在许多困难。

本发明公开一种采用几何光学系统测量燃烧中间产物特征辐射信号强度来在线监测燃烧火焰中间产物的浓度分布信息及利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布的系统，结构紧凑、坚固、性价比高，适合工业现场应用。而由于该监测方法是在线、实时的，不存在时间上的大滞后问题，因而本发明对在线调整燃烧工况参数、实现燃烧过程的闭环控制、提高燃烧效率、降低污染气体排放有着重要的意义。本发明在电力、能源、冶金等行业具有广阔的应用前景。

【发明内容】

本发明是一种在线、同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法，它主要利用火焰辐射光谱学、黑体辐射规律和几何光学系统探测火焰燃烧产生的各种中间产物的浓度分布，利用比色法实时测量燃烧火焰的温度分布。

本发明提供的一种同时监测燃烧火焰温度场和中间产物浓度二维分布的方法采用以下技术方案：

该方法包括火焰探测装置、分光装置、滤波装置、探测处理装置，火焰探测装置包括火焰窥镜装置及其前端的探测广角镜和冷却套筒，火焰辐射光经火焰窥镜装置传递给分光装置，其中包括6个分光棱镜；分光后出射光线经过滤波装置得到四路中心波长不同的窄带光信号1、窄带光信号2、窄带光信号3、窄带光信号4；所述窄带光信号1与所述窄带光信号2为窄带光信号且具有相同的半波宽，所述窄带光信号1的中心波长对应叠加在火焰黑体辐射信号分布上的特定燃烧中间产物的特征谱线的中心波长，所述窄带光信号2的中心波长尽量靠近所述窄带光信号1所占波段，且所述窄带光信号2所占波段与所述窄带光信号1所占波段不重叠，所述窄带光信号2所占波段内不存在任何火焰辐射特征谱线，所述窄带光信号3与所述窄带光信号4为窄带光信号且具有相同的半波宽，所述窄带光信号3为非特征谱线的火焰黑体辐射上的波长3信号，所述窄带光信号4为非特征谱线的火焰黑体辐射上的波长4信号；探测处理装置包括CCD接收装置和软件处理系统，通过CCD接收装置得到四路不同的光强分布图像，所述软件处理系统根据黑体辐射定律，把所述窄带光信号1与所述窄带光信号2的光强分布图像相减，得到对应燃烧中间产物的浓度分布图像；把所述窄带光信号3与所述窄带光信号4的光强相比，根据比色法可以得到火焰温度场分布，能够实时并同时监测火焰中间产物浓度和火焰温度场的二维分布。

其中，所述火焰窥镜装置前端为探测广角镜，由凸面镜和凹面镜设计组成，实现探测整个火焰辐射全波段的光波的功能；火焰窥镜装置外部有冷却套筒，冷却方式为气冷或水冷或两者组合。

其中，所述分光装置包括六个分光棱镜，三个分光棱镜具有增透膜和增反膜，三个分光棱镜只具有增反膜，得到两组光强相同或近似相同的图像。