[发明专利]一种锅炉燃烧火焰中的气相碱金属浓度的在线检测方法

说明书

技术领域

本发明属于火焰发射光谱检测技术领域，更具体地，涉及一种锅炉燃烧火焰中的气相碱金属浓度的在线检测方法。

背景技术

随着国家发展，用电量逐渐增加，能源消耗大幅增长，同时环境问题日益突出，使得电厂不得不燃用新煤种，并开发新型燃烧方式来应对能源与环境的双重压力。近年发现的准东煤储量大、煤质较好、灰分含量低，是良好的动力煤，但因其碱金属含量较高，导致炉膛结渣及受热面积灰等问题，成为研究利用的难点。林木废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、有机物加工废料、人畜粪便及城市生活垃圾等生物质能被认为是一种具有应用前景的可再生能源，然而与常规化石燃料相比，生物质燃料中碱金属含量普遍较高，燃烧过程中极易进入气相，引起高温腐蚀、受热面结垢、炉内结渣等问题。因此，准确测量燃烧火焰中气相碱金属浓度对燃高碱煤和生物质锅炉的安全运行有着十分重要的意义，同时对研究碱金属释放机理及模型建立也有重要的指导作用。

以CCD阵列作为光谱测量元件的光纤光谱仪可以检测到燃烧火焰在不同波长下的光谱辐射信息，根据National Institute of Standards and Technology(NIST)Atomic Spectra Database可知，主要碱金属的原子特征谱线为：锂Li(670.776nm、670.791nm)，钠Na(588.995nm、589.592nm)，钾K(766.490nm、769.896nm)和铷Rb(780.027nm、794.760nm)，这为碱金属的定性和定量分析提供了条件。传统碱金属检测方法主要是离线检测，如火焰原子吸收光谱法、火焰光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、石墨炉原子吸收光谱法等，但这些方法都需要对采集的样品进行前处理，以达到实验条件，操作复杂，而且这种离线检测方法无法获取燃烧过程中炉内气相碱金属分布规律。随着激光技术的发展，研究者利用激光诱导击穿光谱技术Laser-Induced Breakdown Spectroscopy(LIBS)成功测量了褐煤和松木燃烧时气体中碱金属Na、K含量。但对于大型工业炉来说，LIBS在线检测技术也有明显的缺点：设备结构复杂，操作繁琐，成本高昂，并且LIBS检测没有考虑温度变化，要维持温度恒定，测量条件要求苛刻，不便于工业推广。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种锅炉燃烧火焰中的气相碱金属浓度的在线检测方法，其中根据锅炉炉膛中燃烧火焰的特点，直接采用火焰发射光谱分析在线检测锅炉火焰中气相碱金属的浓度，相应的可有效解决现有检测方法难以直接应用于大型工业锅炉中气相碱金属浓度检测的问题，具有检测简便、准确、设备简单、成本低廉等优点，因而尤其适用于大型工业锅炉中气相碱金属浓度的在线检测。

为实现上述目的，本发明提出了一种锅炉燃烧火焰中的气相碱金属浓度的在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于特征谱线构建拟合模型：选取要测量的碱金属特征谱线，基于上述选取的碱金属特征谱线，构建燃烧火焰中碱金属特征谱线辐射强度I_Alkali关于气相碱金属浓度C_Alkali与火焰温度T之间的拟合模型：其中a_mn是多项式拟合系数，阶数m、n为正整数，T表示作为测量对象的火焰的温度，其单位为K；

(2)执行标定处理：将检测光谱仪进行绝对辐射强度标定，然后用该标定后的检测光谱仪测量已知碱金属浓度的火焰对象，得到其碱金属特征谱线辐射强度和火焰温度，把测量的一系列不同碱金属浓度下对应的特征谱线辐射强度和火焰温度带入所述拟合模型中，得到模型的多项式拟合系数a_mn的具体数值；

(3)在线检测：采用上述标定后的检测光谱仪实时测量锅炉燃烧火焰辐射光谱，获得相对应的碱金属特征谱线辐射强度，同时获得火焰温度，将所述碱金属特征谱线辐射强度、所述火焰温度以及步骤(2)获得的多项式拟合系数a_mn的具体数值代入步骤(1)中所构建的拟合模型中，计算获得锅炉燃烧火焰中气相碱金属的实际浓度，以此实现锅炉燃烧火焰中气相碱金属浓度的在线检测。

作为进一步优选的，步骤(1)中所述拟合模型的构建步骤如下：

(1.1)根据火焰光谱分析，在热力学平衡时，元素的原子或离子吸收高温火焰中的能量由基态变为激发态，单位体积的基态原子数N₀与激发态原子数N_i之间的分布满足统计力学中麦克斯韦—玻尔兹曼分布定律，即：