CN115046945A - 一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，包括燃烧器，燃烧器的上方设置有放置样品的支撑杆，样品燃烧的火焰一侧上方设置有探头，探头通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与处理数据的计算机连接；探头的内部设置有准直透镜，准直透镜设置在辐射光入口处。本发明还公开了一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法。本发明采用上述燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法，能够解决现有的分析装置数据实时性不够，分析精度和准确度低的问题；可以实现燃烧过程中碱金属释放特性动态分析，同时实现大型炉膛内碱金属释放的动态特性，为大型炉膛的工况检测与燃烧调整提供有力支持。
Description
技术领域
本发明涉及碱金属燃烧分析技术领域，尤其是涉及一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法。
背景技术
在煤、生物质以及垃圾衍生物燃料中，均含有大量的碱金属成分，主要以钾(K)和钠(Na)为主。如高碱煤中钠元素含量高于5％，生物质燃料中钾元素含量高于2％。在这些燃料燃烧过程中，燃料中的碱金属在高温下，极易挥发，逸出的碱金属通过逸散作用到达管壁，与烟气中的三氧化硫、飞灰中的氧化铁、氧化铝反应，形成多种含有碱金属元素的复合硫酸盐。复合硫酸盐在高温中呈现熔融状态，捕获飞灰，并且大量附着在换热器表面，引起换热面的结渣。而且，复合硫酸盐在高于710℃的环境下，分解释放出大量二氧化硫，二氧化硫氧化后形成三氧化硫，会对金属换热面造成腐蚀。换热面结渣大幅降低换热效率，而金属换热面的腐蚀会造成炉膛运行安全性问题。开展燃烧过程中碱金属释放特性的动态分析有利于工程人员优化调整燃烧工况，缓解换热面结渣腐蚀，对实际燃烧设备的高效、安全运行意义重大。
关于燃烧过程中碱金属的检测，现有技术主要有基于激光激发光谱和基于火焰自发射光谱。基于激光激发光谱利用激光激发组分，检测更多元素，但激光激发光谱检测的缺点主要是无法解决在工业现场的光学清洁度与高温问题。而基于燃烧自发射光谱法设备非常简单，价格低廉，对环境清洁度要求较低，易于在工业现场应用。现有多种基于燃烧自发射光谱法的装置，例如，在CN202010046096.0中，公开了一种利用光纤光谱传感器结合神经网络的生物质燃料碱金属元素动态预测系统；在CN202020669592.7中，公开了一种针对固体废弃物炉内燃烧碱金属浓度测量装置，该系统使用分束镜组，使光分成三路并分别到达彩色CCD、碱金属浓度测量模块与光谱测量模块，结构紧凑。但是现有的技术在实时输出碱金属的释放特性方面仍存在不足，基本上为离线分析，数据的实时性不够，影响分析的准确度和精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，解决现有的分析装置数据实时性不够，分析精度和准确度低的问题。本发明的另一个目的是提供一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，包括燃烧器，燃烧器的上方设置有放置样品的支撑杆，样品燃烧的火焰一侧上方设置有探头，探头通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与处理数据的计算机连接；探头的内部设置有准直透镜，准直透镜设置在辐射光入口处。
优选的，所述燃烧器包括外壳，外壳的底部设置有空腔，燃烧器的上方设置有若干个与空腔连通的毛细管，空腔上设置有使燃料进入空腔的进气口一；外壳的侧壁上设置有使氧化性气体进入毛细管之间的进气口二，进气口二的上方设置有向毛细管之间通入保护气体的进气口三；外壳上设置有水冷管。
优选的，所述毛细管为不锈钢管，毛细管的数量为300-500根，毛细管的内径为0.7-0.9mm，毛细管的外径为1.0-1.4mm。
优选的，所述燃烧器的内部设置有对氧化性气体具有整流作用的金属网，毛细管以错排的方式插入金属网的网格中。
优选的，所述空腔内填充有直径为2mm-4mm的玻璃珠。
优选的，所述支撑杆为直径0.6mm-1.0mm的陶瓷棒。
优选的，所述样品位于燃烧器正上方的8mm-12mm处，探头位于燃烧器上方的垂直距离为13mm-18mm。
优选的，所述光谱仪设置有两个通道，一个通道的波长范围为550nm-660nm，光谱分辨率为0.09nm-0.11nm；另一个通道的波长范围为650nm-850nm，光谱分辨率为0.14nm-0.18nm；探测器为3648像素的CCD线阵。
上述燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法，包括以下步骤：
S1、打开燃烧器，进气口一将燃料送入毛细管，进气口二送入氧化性气体，进气口三通入保护气体，燃料在燃烧器的上方稳定、均匀的燃烧；
S2、将样品放置在支撑杆上，采用电动平移台将支撑杆放入燃烧器的正上方，样品位于燃烧器正上方8mm-12mm处，并在火焰的作用下燃烧；
S3、采用探头对火焰的辐射光信号进行采集，准直透镜对辐射光信号进行矫正，然后通过光纤传输辐射光信号给光谱仪；
S4、光谱仪对辐射光信号进行处理，将辐射光信号转换为电信号；
S5、通过计算机软件获得燃烧过程中碱金属辐射强度随时间的变化曲线，并显示在计算机上。
优选的，所述S4中，光谱仪采样速率为3.7ms/scan，数据传输速率为3.7ms/scan。
本发明所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法的优点和积极效果是：
1、本发明所述的燃烧器中的燃料通过毛细管进入，金属网对氧化性气体进行整流，在上方通入保护气体，都有利于样品均匀的燃烧，有利于提高分析的精度和准确度。
2、在探头的内部设置准直透镜，准直透镜对辐射光信号的方向进行矫正，有利于提高分析的精度和准确度。
3、整个装置的结构比较简单，便于携带，使用方便。
4、对燃烧过程中的动态分析，能够获得对实际燃烧炉膛中碱金属的辐射强度随时间的变化，实现碱金属释放特性的动态分析，从而为燃烧炉膛的运行调整进行指导。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的结构示意图；
图2为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的流程图；
图3为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的单次采集的碱金属释放动态特性图；
图4为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的碱金属光谱强度检测流程图。
附图标记
1、燃烧器；2、进气口一；3、毛细管；4、进气口二；5、进气口三；6、支撑杆；7、样品；8、探头；9、辐射光入口；10、准直透镜；11、光纤；12、光谱仪；13、计算机。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
图1为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的结构示意图。如图所示，一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，包括燃烧器1，燃烧器1用于点燃样品7。燃烧器1包括外壳，外壳的底部设置有空腔。燃烧器1上方的出口处设置有若干个与空腔连通的毛细管3，燃烧器1的出口尺寸长×宽为50mm×50mm。毛细管3为不锈钢管。出口上均匀的设置有的300-500根毛细管3，优选为400根。毛细管3的内径为0.7-0.9mm，优选为0.8mm；毛细管3的外径为1.0-1.4mm，优选为1.2mm。
空腔上设置有使燃料进入空腔的进气口一2，燃料通过毛细管3被送入燃烧器1的上方进行燃烧。毛细管3对燃料具有均流的作用，提高燃烧的均匀性。燃料可以选用乙烯、甲烷、天然气等燃料。空腔内填充有直径为2mm-4mm的玻璃珠，优选为3mm。玻璃珠对燃料进行均匀化，使得燃料能够均匀的进入到各个毛细管3中，提高燃烧的均匀性。
外壳的侧壁上设置有使氧化性气体进入毛细管3之间的进气口二4。燃烧器1的内部设置有对氧化性气体具有整流作用的金属网，金属网与外壳固定连接。金属网一方面使得氧化性气体分布的更均匀，另一方面减小氧化性气体的冲击力，减小气体的波动，提高燃烧的稳定性。毛细管3以错排的方式插入金属网的网格中。氧化性气体可以为压缩空气、氧气或其他气体。
进气口二4的上方设置有向毛细管3之间通入保护气体的进气口三5。保护气体为氮气，氮气作为保护气体，可以防止环境中气体的流动对样品7燃烧的干扰，增加燃烧火焰的稳定性。
外壳上设置有水冷管，通过水冷管对外壳进行降温，防止燃烧过热破坏燃烧器1的密封性。
燃烧器1的上方设置有放置样品7的支撑杆6，支撑杆6为直径0.6mm-1.0mm的陶瓷棒，优选为0.8mm。两个陶瓷棒平行设置，陶瓷棒固定在电动平移台上，电动平移台可以根据需要选用现有的结构，只要能够将陶瓷棒移动到火焰的上方即可。样品7位于燃烧器1正上方的8mm-12mm处，优选为10mm处，温度场分布均匀，有利于样品7的均匀燃烧。
样品7燃烧的火焰一侧上方设置有探头8，探头8通过光纤11与光谱仪12连接。探头8位于燃烧器1上方的垂直距离为13mm-18mm，优选为15mm。样品7燃烧产生一定高度的火焰，将探头8距离燃烧器115mm，有利于精确地探测样品7燃烧火焰的光谱特性。
探头8的内部设置有准直透镜10，准直透镜10设置在辐射光入口9处。辐射光入口9用于收集燃烧火焰的辐射光信号。由于直接利用光纤11对辐射光信号进行采集，采集的距离的变化会导致光谱采集的范围和信号发生改变，使用准直透镜10对光信号进行矫正，保证采集的光谱信号为视线方向上的信号。
光谱仪12选用现有的便携式光谱仪12，设置有两个通道，一个通道的波长范围为550nm-660nm，光谱分辨率为0.09nm-0.11nm；另一个通道的波长范围为650nm-850nm，光谱分辨率为0.14nm-0.18nm。针对碱金属钠的特征波长选择为589nm，针对碱金属钾的特征波长选择为766nm，光谱仪12的两个通道可以覆盖两种碱金属的特征波长。探测器为3648像素的CCD线阵。
光谱仪12与处理数据的计算机13连接，利用计算机13上安装的软件处理光谱仪12所采集的光谱信号，并展现为碱金属的动态释放特性。
图2为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的流程图。如图所示，上述燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法，包括以下步骤：
S1、打开燃烧器1，进气口一2将燃料送入毛细管3，进气口二4送入氧化性气体，进气口三5通入惰性气体，燃料与氧化剂在燃烧器1的上方稳定、均匀的燃烧，产生一层火焰。
S2、将样品7放置在支撑杆6上，采用电动平移台将支撑杆6放入燃烧器1中心的正上方，电动平移台的移动速度为1cm/s，样品7位于燃烧器1正上方10mm处，并在火焰的作用下燃烧。
S3、采用探头8对火焰的辐射光信号进行采集，燃烧火焰的辐射光通过辐射光入口9进入光纤11，准直透镜10对辐射光信号的方向进行矫正，使辐射光信号的方向与光纤11方向相同，然后通过光纤11传输辐射光信号给光谱仪12。
S4、光谱仪12对辐射光信号进行处理，将辐射光信号转换为电信号。光谱仪12采样速率为3.7ms/scan，数据传输速率为3.7ms/scan，保证采样的数据及时能够传输给计算机13。
S5、通过计算机13软件获得燃烧过程中碱金属辐射强度随时间的变化曲线，并显示在计算机13上。光谱仪12将光谱光信号转换为电信号后，获得了不同采样时间点时，在波长范围的光谱强度信息，传输信息进入计算机13，通过计算机13上安装的火焰碱金属在线监测系统软件，将不同采样时间点的光谱强度信息转换为碱金属的光谱强度随时间的变化曲线，从而获得燃烧过程中碱金属释放特性的动态分析结果，并显示在计算机13的屏幕上。
图4为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的碱金属光谱强度检测流程图。如图所示，在光谱仪12启动的状态下，读取当前时刻的波长与光谱数据，通过导入到光谱仪12内存中的热辐射标定数据，将光谱数据换算为绝对辐射强度，之后将热辐射与碱金属辐射强度分离，即可获得当前时刻的碱金属辐射强度值。图3为本发明一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法实施例的单次采集的碱金属释放动态特性图。
在实际工程中，需要对实际的燃烧炉膛碱金属释放特性进行动态检测，根据测量要求，在不同炉膛的窥视孔使用本装置，无需使用冷却设备。为了对燃烧炉膛中的碱金属释放特性进行全面的检测，根据测量要求，可以在燃烧炉膛的多个位置布置本装置。
通过对实际燃烧炉膛的碱金属的动态释放特性，便于工作人员及时调整炉膛燃烧工况，避免碱金属腐蚀换热面，实现炉膛的运行高效、安全。
因此，本发明采用上述燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置及分析方法，能够解决现有的分析装置数据实时性不够，分析精度和准确度低的问题；可以实现燃烧过程中碱金属释放特性动态分析，同时实现大型炉膛内碱金属释放的动态特性，为大型炉膛的工况检测与燃烧调整提供有力支持。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：包括燃烧器，燃烧器的上方设置有放置样品的支撑杆，样品燃烧的火焰一侧上方设置有探头，探头通过光纤与光谱仪连接，光谱仪与处理数据的计算机连接；探头的内部设置有准直透镜，准直透镜设置在辐射光入口处。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述燃烧器包括外壳，外壳的底部设置有空腔，燃烧器的上方设置有若干个与空腔连通的毛细管，空腔上设置有使燃料进入空腔的进气口一；外壳的侧壁上设置有使氧化性气体进入毛细管之间的进气口二，进气口二的上方设置有向毛细管之间通入保护气体的进气口三；外壳上设置有水冷管。
3.根据权利要求2所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述毛细管为不锈钢管，毛细管的数量为300-500根，毛细管的内径为0.7-0.9mm，毛细管的外径为1.0-1.4mm。
4.根据权利要求2所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述燃烧器的内部设置有对氧化性气体具有整流作用的金属网，毛细管以错排的方式插入金属网的网格中。
5.根据权利要求2所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述空腔内填充有直径为2mm-4mm的玻璃珠。
6.根据权利要求1所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述支撑杆为直径0.6mm-1.0mm的陶瓷棒。
7.根据权利要求1所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述样品位于燃烧器正上方的8mm-12mm处，探头位于燃烧器上方的垂直距离为13mm-18mm。
8.根据权利要求1所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置，其特征在于：所述光谱仪设置有两个通道，一个通道的波长范围为550nm-660nm，光谱分辨率为0.09nm-0.11nm；另一个通道的波长范围为650nm-850nm，光谱分辨率为0.14nm-0.18nm；探测器为3648像素的CCD线阵。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、打开燃烧器，进气口一将燃料送入毛细管，进气口二送入氧化性气体，进气口三通入惰性气体，燃料在燃烧器的上方稳定、均匀的燃烧；
S2、将样品放置在支撑杆上，采用电动平移台将支撑杆放入燃烧器的正上方，样品位于燃烧器正上方8mm-12mm处，并在火焰的作用下燃烧；
S3、采用探头对火焰的辐射光信号进行采集，准直透镜对辐射光信号进行矫正，然后通过光纤传输辐射光信号给光谱仪；
S4、光谱仪对辐射光信号进行处理，将辐射光信号转换为电信号；
S5、通过计算机软件获得燃烧过程中碱金属辐射强度随时间的变化曲线，并显示在计算机上。
10.根据权利要求9所述的一种燃烧过程中碱金属释放特性动态分析装置的分析方法，其特征在于：所述S4中，光谱仪采样速率为3.7ms/scan，数据传输速率为3.7ms/scan。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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