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多功能便携式氨逃逸激光检测仪的研制及性能改进

多功能便携式氨逃逸激光检测仪的研制及性能改进

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作者：张宸阁天津工业大学

学位级别：硕士

脱硝过程中的氨逃逸浓度检测,对提高脱硝效率,实现节能减排具有重要意义。当前的脱硝氨逃逸检测仪功能单一,并未对同样影响脱硝效率的水蒸气浓度和烟气温度进行同时检测。此外,在实际应用时需要原位便携式的检测仪器,能够更好的了解氨... 详细信息

脱硝过程中的氨逃逸浓度检测,对提高脱硝效率,实现节能减排具有重要意义。当前的脱硝氨逃逸检测仪功能单一,并未对同样影响脱硝效率的水蒸气浓度和烟气温度进行同时检测。此外,在实际应用时需要原位便携式的检测仪器,能够更好的了解氨逃逸浓度的分布,以便喷氨优化。因此,针对脱硝过程中的氨逃逸和水蒸气浓度以及温度同时、原位检测的实际需求,研制了多功能便携式氨逃逸激光检测仪。第一,发展了基于单个近红外激光器的高灵敏、高精度多参量检测方法。首先对NH和HO的吸收谱波段进行优选,确定6609.5-6613cm为检测波段,利用单个1.512μm DFB激光器能够完美覆盖。随后基于波长调制光谱技术(WMS)发展了变调制幅度的WMS-2f/1f无校准方法,降低谱线之间相互干扰的同时提高了谐波信号的信噪比。最后发展了多组分气体浓度反演算法,实现了NH和HO浓度以及温度的高灵敏、高精度检测。第二,对多功能便携式氨逃逸激光检测仪进行了研制及改进。首先介绍了初版氨逃逸检测仪的设计方案与搭建,随后在使用中发现其抗振性差、镜片易冷凝、主机集成度低以及信号的信噪比及检测精度低的问题,常导致测量失败;然后对初版检测仪进行了改进。通过增添反射镜结构减小固定件的长度,增强了探腔的抗振性。对内置长光程气体池的位置进行重新规划和设计,避免了镜片冷凝。采用体积较小的激光控制电路板,在保证精确控制激光器的同时提高了主机集成度。采用EMD算法对谐波信号中的标准具条纹及噪声进行抑制,测量灵敏度提高了42.76%,并采用卡尔曼滤波算法对TDLAS测量结果进行实时滤波,检测精度提高了3倍。改进并搭建完成后的检测仪包括一个多功能、小型化、低功耗、低成本的传感器主机和一个便携式、坚固、可插拔的采样探腔。第三,评价了氨逃逸激光检测仪在实验室以及现场应用的检测性能。实验室测试结果表明,NH和HO浓度以及温度的测量精度分别为5.1%、4.8%和2.9%。Allan方差分析表明,该传感器具有良好的稳定性,在5秒的时间分辨率下,NH和HO浓度的测量灵敏度分别为0.1ppm和0.03%;此外,该激光检测仪的可行性也在实际燃煤电厂脱硝出入口的现场实验中得到了验证,表明了它对脱硝过程中的喷氨优化具有巨大的潜力。

关键词：氨逃逸温度测量波长调制光谱变调制系数多参量测量

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作者：颜悦天津大学

学位级别：硕士

氮氧化合物(NO)是柴油发动机最主要的有害排放气体之一,对环境造成了极大的污染。降低NOx排放可通过选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术来实现,即催化剂和尿素在一定温度条件下通过与尾气中NO反应生成无害的氮气(N... 详细信息

氮氧化合物(NO)是柴油发动机最主要的有害排放气体之一,对环境造成了极大的污染。降低NOx排放可通过选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术来实现,即催化剂和尿素在一定温度条件下通过与尾气中NO反应生成无害的氮气(N)和水(HO)。在SCR反应过程中,HO因为和氨气(NH)会在催化剂活性表面产生竞争吸附,也在一定程度上影响SCR反应。为保证SCR反应效率,实现对SCR系统的控制与改进,对SCR过程NH逃逸浓度、HO浓度和气体温度进行高灵敏的原位、同时监测就显得非常必要。本文的主要工作包括:第一,发展了基于单个近红外激光器的多参量监测方法。通过谱线筛查分析,确定了NH和HO吸收谱波段;在波长调制光谱技术(WMS)基础上,建立变调制幅度优化模型,选取的最优调制幅度在保证测量信号信噪比的同时,又大大降低了谱线间的相互干扰;为实现对SCR过程多参量的同时免标定测量,本文发展了优化的WMS多谱线拟合算法,该算法不仅大大节省了计算时间,而且消除了由测量复杂环境温度和压力波动造成的对NH浓度、HO浓度测量的误差。第二,多参量激光光谱传感器的设计与验证。结合SCR监测需求,本文设计了一个低成本、小型化、多参量的原位激光光谱传感器,并对传感器的原位检测接口进行了机械设计。通过调试分析,首先确定了传感器参数,对激光器特性进行了预先准确测量,并对激光波数进行了非线性校正。最后在实验室条件下模拟高温环境,验证了传感器的准确性和可靠性。第三,传感器应用于柴油发动机SCR过程监测的现场试验。首先对柴油发动机SCR系统进行了搭建,进而将本文设计的传感器对该SCR系统不同工况下(不同的喷氨量和发动机功率)其过程NH逃逸浓度、HO浓度和气体温度进行了连续原位监测。最后对测量结果进行了详细分析和讨论。本文设计的激光光谱传感器实现了对SCR过程多参量高灵敏的原位、同时测量,并且对复杂测量环境具有很好的鲁棒性。现场对柴油机SCR过程的NH逃逸浓度、HO浓度和气体温度的相对测量不确定分别为8.4%、8.0%和5.3%。本文发展的变调制幅度优化模型与多参量分析方法也可以用于其他高温过程或化学反应过程的诊断分析。

关键词：选择性催化还原(SCR) 柴油发动机激光光谱传感器波长调制光谱技术变调制系数多谱线

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