基于特定波段谱带辐射模型测量CO2、H2O气体浓度和温度.doc

中国工程热物理学会传热传质学
2012年学术会议编号:123097
基于特定波段谱带辐射模型测量CO2、H2O气体浓度和温度本文受国家自然科学基金项目(Nos. 51176059, 51025622, 51021065)资助
何小威,娄春,周怀春
华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074
Tel:027-62153162 Email: Lou_chun@
摘要 CO2和H2O是碳氢燃料燃烧的主要气体产物,对于燃烧系统中辐射换热过程有着非常重要的影响,CO2和H2O的浓度和温度测量工作十分必要。本文采用基于特定波段谱带辐射模型的方法,使用最新的高温气体分子光谱数据库HITEMP2010,分别在3900cm-1、2340cm-1和3740cm-1谱带构建了CO2、H2O气体谱带辐射模型,提出了一套与谱带辐射模型相适应的反演算法,并通过六个算例考察了谱带辐射模型和反演算法的准确性及抗误差能力。结果表明,当谱带辐射信号叠加5%的误差时,%,气体分子柱密度最大百分比误差为-%。
关键词气体辐射浓度温度谱带模型
0 引言
在能源动力行业中,碳氢燃料被广泛使用。碳氢燃料燃烧的主要产物是CO2和H2O,其中,CO2的排放量是衡量燃烧效率的重要指标,燃烧效率的高低关系到燃料利用的经济性和动力机械的工作性能。同时,CO2和H2O作为最主要的辐射气体,对于燃烧系统中辐射换热过程有着非常重要的影响,而辐射换热计算需要气体浓度和温度等参数。因此,对燃烧过程产生的CO2和H2O的浓度和温度开展测量工作是十分必要的。
目前,针对燃烧过程产生的CO2、H2O等气体产物的测量普遍采用光学测量方法[1-5]。Parker等人[1]提出了基于特定波段谱带辐射模型同时测量CO2、H2O气体浓度和温度的方法,并设计了一套实验装置对一个甲烷火焰的烟气进行了测量。李燕等人[2]利用FTIR光谱仪,收集来自于固体推进剂和红外药剂燃烧源的红外发射信号,通过对燃烧产物的光谱特征的分析,给出了燃烧温度和CO2、CO等气体燃烧产物浓度随时间的变化。王晓梅等人[3]研究了基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的火焰CO2浓度检测方法,确定了TDLAS二次谐波检测在高温环境下的浓度反演方法,并在实验室通过静态吸收池进行了验证。赵国峰等人[4] 在改进的FTIR和自制的微量给粉燃烧实验装置上
,对煤粉火焰进行了FTIR发射-透射测量,通过对光谱处理后得出了炭粒和CO2气体的温度,并发现可以用通过CO2 峰值的黑体理论曲线来简单估计气体温度。汤光华等人[5] 将用于大气痕量气体浓度监测的DOAS技术应用于烟气浓度测量,在此基础上提出了基于DOAS思想的烟气浓度反演算法。在这些方法中,基于特定波段谱带辐射模型的测量方法具有能同时对气体浓度、温度进行测量的优点。
本文使用最新的高温气体分子光谱数据库HITEMP2010数据库[6],在合适的谱带上构建了CO2、H2O气体谱带辐射模型,提出了一套与谱带辐射模型相适应的反演算法,并考察了谱带辐射模型和反演算法的准确性及抗误差能力。
1 原理
考虑热力平衡且均匀的高温气体,根据Kirchhoff定律和Beer定律,沿视线方向上气体的单色发射率可以表示为:
(1)
其中,N是分子数密