[发明专利]一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法

说明书

本发明涉公开了一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，属于燃烧检测领域。利用光谱采集设备获取高碱燃料燃烧火焰的碱金属原子发射光谱强度图像，建立发射光谱强度图像与火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度三维分布的碱金属原子光谱成像模型，再结合反问题求解方法重建出火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度的三维分布，最后根据气相碱金属源项辐射强度与气相碱金属质量浓度的定量关系获得火焰三维空间中气相碱金属质量浓度的三维分布。本发明为非接触式测量方法，易于实施，可实现燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的在线检测。

技术领域

本发明属于燃烧检测领域，更具体地，涉及一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法。

背景技术

准东煤、生物质、城市固体废弃物、化工废醇废油等燃料中含有较多的碱金属，主要是钠(Na)和钾(K)。这些高碱燃料中的碱金属在燃烧火焰中会挥发成气相，而气相碱金属会造成受热面沾污、积灰甚至腐蚀等问题，从而影响燃烧装置的换热效率和使用寿命，也给燃烧装置的维护带来较大的困难。因此，开展高碱燃料燃烧火焰中气相碱金属的定量检测，能深入理解碱金属释放及迁移转化规律，也能帮助燃烧装置运行人员更好的优化调整燃烧，减少碱金属给燃烧带来的问题。

高碱燃料燃烧过程中的碱金属测量方法主要分三类：第一类是对燃烧前的高碱燃料或燃烧后的灰渣中碱金属含量的取样检测，第二类是对燃烧后的烟气中气相碱金属的取样检测，这两类方法都无法直接得到高碱燃料燃烧火焰中气相碱金属的含量，第三类是利用光谱技术对燃烧火焰中气相碱金属进行检测，这类方法是非接触式的测量方法，对被测对象基本没有干扰，可以实现原位测量，无需取样，主要包括激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)和自发射光谱分析技术。

LIBS技术已用于实验室火焰中气相碱金属的定量分析，该技术属于点测量，而且激光设备成本较高，对使用环境也有诸多要求，在锅炉、窑炉等工业现场还难以大规模推广应用。自发射光谱分析技术是通过分析高温下钠、钾等碱金属的原子发射光谱来定量获得火焰中气相碱金属浓度，专利号为201510253375.3的授权的专利“一种锅炉燃烧火焰中的气相碱金属浓度的在线检测方法”、专利号为201610602713.4的授权专利“一种碳氢燃烧火焰中气相碱金属浓度的检测方法”，以及公开号为CN201810551426.4的专利申请“用于测量锅炉二维气相Na浓度场和温度场的装置和方法”中，均是采用这种技术。自发射光谱分析技术不需要激光光源，易于在工业现场实施。但现有的自发射光谱分析技术得到的气相碱金属浓度是沿“视线”方向的累积值，并不能反映出火焰中在“视线”方向上每个位置的碱金属浓度；而且，由于火焰中气体和固体介质对沿“视线”方向的碱金属原子发射光谱具有自吸收作用，在不做自吸收修正的情况下，获得结果往往要低于真实值。

此外，在燃烧火焰三维空间中，高碱燃料燃烧释放出的气相碱金属具有三维非均匀分布特征，即燃烧火焰中各个位置的气相碱金属浓度各不相同，迫切需要一种能实现燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，但LIBS技术和现有的自发射光谱分析技术均无法得到燃烧火焰三维空间中气相碱金属质量浓度的三维分布。

发明内容

针对现有技术无法得到燃烧火焰三维空间中气相碱金属质量浓度的三维分布。利用光谱采集设备获取高碱燃料燃烧火焰的碱金属原子发射光谱强度图像，建立发射光谱强度图像与火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度三维分布的碱金属原子光谱成像模型，再结合反问题求解方法重建出火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度的三维分布，最后根据气相碱金属源项辐射强度与气相碱金属质量浓度的定量关系获得火焰三维空间中气相碱金属质量浓度的三维分布。

根据本发明的目的，提供了一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取燃料燃烧火焰在可见光和近红外光波段内的火焰发射光谱图像，根据碱金属原子发射光谱的特征波长得到碱金属原子发射光谱强度图像；