一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法及系统

1.本发明属于烟气二氧化碳浓度测定领域，更具体地，涉及一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法及系统。


背景技术：

2.燃煤碳排放量化方法可分为碳平衡法、排放因子法和实测法。碳平衡法和排放因子法属于核算法，计算简单且权威性高。实测法通过连续排放监测系统直接获得气体排放总量，收集高效、人为干扰少。
3.目前，国内外实测法中的突出代表是光学检测技术，其基本原理是分子的吸收光谱，利用气体吸收光谱的差异反演出气体的浓度，其响应迅速，可实现非接触测量，因此得到广泛的开发与试验。其中针对烟气中二氧化碳的检测，常见的现代光学测量技术有可调谐激光吸收光谱技术(tdlas)、非分散红外检测技术(ndir)、主动差分光学吸收光谱技术(doas)。但这几种方法均为主动检测手段，在光谱采集设备上需要设立外加光源发射装置和信号接收装置，系统结构较为复杂。采集光谱辐射信号时，发射和接收装置之间光路的对准很重要，但工业现场的粉尘、飞灰阻隔和震动等情况会对测量结果产生一定的干扰和影响。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法及系统，其目的在于，减少外部干扰，提高烟气中二氧化碳浓度检测效果。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，包括如下步骤：
6.烟气包括二氧化碳和水蒸气，分别获取不同温度及组分浓度下二氧化碳和水蒸气的平均吸收系数，进而得到烟气的平均吸收系数与烟气温度及组分浓度的关系式；
7.构建气体光谱辐射模型，即气体层向外出射的理论光谱辐射强度与烟气的平均吸收系数之间的关系式，从而得到气体层向外出射的理论光谱辐射强度与烟气温度及组分浓度之间的关系；
8.通过红外光谱测量装置实时采集烟气沿垂直于气流方向所发射的实际光谱辐射强度；
9.以实际光谱辐射强度和气体层向外出射的理论光谱辐射强度的差值构建目标函数；采用优化算法对目标函数进行迭代求解，得到目标函数值最低时对应的烟气温度及组分浓度，从而实现烟气中二氧化碳浓度在线检测。
10.作为进一步优选的，不同温度及组分浓度下二氧化碳和水蒸气的平均吸收系数的计算方式如下：
11.基于气体辐射特性数据库和逐线法获取不同温度、组分浓度以及不同波长λ下气体i的光谱吸收系数κ
a,λ,i
，从而得到不同温度、组分浓度下气体i在各光谱区间δλj内的平
均吸收系数时，气体为二氧化碳，i＝2时，气体为水蒸气；光谱区间δλj为红外光谱测量装置的各采集区间。
12.作为进一步优选的，气体i在各光谱区间δλj内的平均吸收系数的计算方式如下：
[0013][0014]
其中，l为烟气宽度，λj为光谱区间δλj的长度。
[0015]
作为进一步优选的，烟气的平均吸收系数与温度、组分浓度的关系式的确定方式如下：
[0016]
根据平均吸收系数得到不同温度、组分浓度下烟气在各光谱区间δλj内的平均吸收系数并采用最小二乘法拟合得到烟气的平均吸收系数与温度、组分浓度的关系式。
[0017]
作为进一步优选的，气体光谱辐射模型为：
[0018][0019]
其中，为温度为t，烟气中二氧化碳、水蒸气浓度为x1、x2时，烟气在光谱区间δλj内气体层向外出射的理论光谱辐射强度；f为关联函数；为温度为t、波长为λ
c,j
时的黑体光谱辐射强度，λ
c,j
为光谱区间δλj的中心波长；为温度为t，烟气中二氧化碳、水蒸气浓度为x1、x2时，烟气在光谱区间δλj内的平均吸收系数。
[0020]
作为进一步优选的，气体光谱辐射模型具体为：
[0021][0022]
其中，为烟气在光谱区间δλj内气体层向外出射的理论光谱辐射强度，为波长为λ
c,j
时的黑体光谱辐射强度，为烟气在光谱区间δλj内的平均吸收系数，l为烟气宽度。
[0023]
作为进一步优选的，所述目标函数如下式所示：
[0024][0025]
式中，为目标函数值，n为光谱区间的总数量，为采集的第j个光谱区间δλj的实际光谱辐射强度，为烟气在第j个光谱区间δλj内气体层向外出射的理论光谱辐射强度。
[0026]
作为进一步优选的，所述优化算法为粒子群优化算法。
[0027]
按照本发明的第二方面，提供了一种烟气中二氧化碳浓度在线检测系统，其包括
处理器，所述处理器用于执行上述烟气中二氧化碳浓度在线检测方法。
[0028]
按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述烟气中二氧化碳浓度在线检测方法。
[0029]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0030]
1.本发明通过构建气体光谱辐射特性与气体温度、浓度之间的关系，以及辐射传热模型，得到气体温度、浓度与其所发射的理论光谱辐射强度分布之间的关系；进而利用理论光谱辐射强度与采集的发射光谱，基于优化求解算法，计算得到烟气中二氧化碳浓度。本发明不需要外加光源发射装置，也不需进行发射和接收装置之间光路的对准，可减少外部干扰，提高检测效果，同时方法简单、收集高效，可普遍应用在燃煤电厂的工业现场。
[0031]
2.本发明通过气体辐射特性数据库得到高光谱分辨率的吸收系数，然后将其转化为与所采用的光谱采集装置对应的低分辨率光谱区间，同时根据二氧化碳和水蒸气的吸收系数计算烟气的平均吸收系数；与已有的测量方法(例如基于傅立叶变换红外吸收光谱采集技术的气体浓度测量方法)相比较，该方法实现了低分辨率光谱采集技术测量气体浓度、温度的目标，降低了测量技术的要求和成本，且提高了测量效率。
附图说明
[0032]
图1为本发明实施例烟气中二氧化碳浓度在线检测方法流程图；
[0033]
图2为本发明实施例红外光谱测量装置采集实际光谱辐射强度示意图；
[0034]
图3为本发明实施例最优估计后实际光谱强度与理论强度对照图。
具体实施方式
[0035]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036]
本发明实施例提供的一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0037]
s1、建立气体辐射特性数据库：从气体辐射特性数据库中获取二氧化碳和水蒸气高光谱分辨率的光谱辐射特性分布，同时基于所采用的低光谱分辨率的红外光谱采集装置的采集区间，拟合得到各采集区间下气体光谱辐射特性与气体温度、浓度之间的关系，并建立对应的低光谱分辨率气体辐射特性数据库。
[0038]
具体的，步骤s1包括：
[0039]
s11、烟气中气体层的发射光谱辐射强度在中红外波段主要来自于燃烧过程所产生的大量二氧化碳和水蒸气，基于气体辐射特性数据库以及逐线法计算获取不同浓度以及温度下，在波长λ下二氧化碳和水蒸气高分辨率的光谱吸收系数κ
a,λ,i
(i＝1为co2，i＝2为h2o)。
[0040]
s12、由于实际所采用的低分辨率的光谱采集装置无法反映出气体发射光谱的详细分布特征，因此需将其转化到光谱区间δλj中，δλj为光谱采集装置采集的第j个光谱区
间。
[0041]
根据步骤s11得到光谱吸收系数κ
a,λ,i
，计算气体在光谱区间δλj内的平均吸收系数，如下式所示：
[0042][0043]
式中，为气体i在光谱区间δλj内的平均吸收系数，l为烟气宽度；λj为光谱区间δλj长度，即光谱区间δλj波长上下限差的绝对值。
[0044]
进一步的，实际计算时，对于所采集的n个光谱区间，根据式(1)可得到不同温度以及浓度下在各光谱区间内气体的平均吸收系数。进而采用最小二乘法拟合得到各光谱区间内气体的平均吸收系数与气体温度、浓度之间的关系，建立与所采用的光谱采集装置对应的低分辨率气体辐射特性数据库。
[0045]
s2、构建气体光谱辐射模型：结合步骤s1中建立的低光谱分辨率气体辐射数据库，对于具有不同压力以及厚度的气体层，进一步建立光谱辐射模型，得到气体温度、浓度与其所发射的光谱辐射强度分布之间的关系。
[0046]
具体的，步骤s2包括：
[0047]
s21、烟气的光谱吸收系数等于各组分吸收系数之和，因此烟气在的光谱区间δλj内的平均吸收系数可通过下式计算得到：
[0048][0049]
式中，是烟气在的光谱区间δλj内的平均吸收系数，和分别为co2和h2o在光谱区间δλj内的平均吸收系数，两者可以根据步骤s1中所建立的低分辨率气体辐射特性数据库得到。
[0050]
s22、对于温度分布为t，在光谱区间δλj内的平均吸收系数为的气体层，气体层厚度为l且考虑气流内部的自吸收作用但忽略气体对入射辐射的散射作用，同时假设在各光谱区间内气体向外发射的光谱黑体辐射强度不变。可进一步建立气体层向外出射的理论光谱辐射强度与黑体光谱辐射强度和平均吸收系数之间的关系f：
[0051][0052]
s3、气体发射光谱采集：将光谱测量装置放置于烟气气流外侧，采集烟气沿垂直于气流方向所发射的在各光谱区间内的实际光谱辐射强度
[0053]
s4、气体浓度计算：根据步骤s3中所采集到的气体发射的实际光谱辐射强度以及步骤s2中所构建的气体光谱辐射模型计算气体温度和组分浓度。以所采集得到的实际光谱辐射强度与通过气体光谱辐射模型计算得到的理论光谱辐射强度的差值为目标函数，采用优化算法得到目标函数的最低值，进而得到烟气中二氧化碳浓度。
[0054]
具体的，步骤s4包括：
[0055]
s41：基于气体光谱辐射模型，当烟气气流的温度t，烟气组分co2和h2o的浓度分别
x1和x2时，即可得到在第j个光谱区间内烟气出射的理论辐射强度同时根据测量得到的实际光谱辐射强度可设立计算烟气气流的温度以及浓度的目标函数，如下式所示：
[0056][0057]
式中，为目标函数值，n为光谱区间的总数量。
[0058]
s42：以式(4)为目标函数，采用优化算法对烟气气流中的温度和组分浓度进行迭代求解，得到目标函数值的最低值，与其对应的气体温度以及组分浓度(t,x1,x2)为计算得到的烟气温度和组分浓度值，从而得到烟气中二氧化碳浓度。
[0059]
以下为具体实施例：
[0060]
(1)建立气体辐射特性数据库：
[0061]
碳氢扩散火焰中气体层的辐射主要来自于燃烧过程所产生的大量h2o和co2。燃尽气体的吸收系数κ
a,λ
等于h2o线吸收系数co2线吸收系数之和。其中，对于单一组分的气体而言，气体的光谱辐射特性与气体分子的直径等参数相关，这些参数可以在数据库hitemp 2010中得到。本发明根据所采用中红外光谱仪的测量波段区间(2500～4500nm)以及数据库hitemp 2010中给出的相关参数，采用逐线法计算得到h2o和co2理论上在不同温度和不同浓度下光谱吸收系数随波长的分布。
[0062]
基于所采用的低分辨率的红外光谱采集装置的每一个波段区间范围，采用最小二乘法拟合得到在各光谱区间内燃尽气体中h2o和co2的平均光谱吸收系数关于气体组分浓度与燃尽气体温度之间的拟合公式。本发明采用二元四阶的拟合方法，对于第i个光谱区间，得到h2o或co2的拟合关系式为：
[0063][0064]
式中，为气体组分i在第j个光谱区间的平均光谱吸收系数，t
gas
为气体的温度，xi为气体组分i的浓度，a
0,j
、a
1,j
、a
2,j
等是第i个光谱区间最小二乘法的拟合系数。表1中列举了在不同的光谱区间内co2平均光谱吸收系数拟合关系式的拟合系数值。
[0065]
表1不同的光谱区间内co2平均光谱吸收系数拟合关系式的拟合系数值
[0066] 2995
–
3006nm3496
–
3507nm3998
–
4009nm4499
–
4510nma08.7576e-8-2.6898e-7-2.6578e-6-3.46710e-6a17.7321e-139.19281e-12-1.0847e-11-3.52885e-11a24.7532e-121.8076e-125.33860e-11-8.42858e-8a
3-1.8215e-14-3.0601e-14-2.30971e-134.52390e-13a
4-4.3460e-9-4.6203e-82.48077e-81.46164e-7a
5-2.9043e-8-9.6853e-9-2.89422e-71.94939e-4a67.8985e-111.8363e-101.59010e-9-3.28106e-10a75.7789e-65.8499e-53.12353e-5-4.55751e-5
a84.6771e-51.2773e-53.93891e-40.32712
[0067]
(2)构建气体光谱辐射模型：
[0068]
将所测量的燃尽气体中气体温度和组分浓度考虑为均匀的，考虑气流内部的自吸收作用但忽略气体对入射辐射的散射作用，燃尽气体的宽度为l，同时，假设在各光谱区间δλj内气体向外发射的光谱黑体辐射强度不变。那么燃尽气流沿垂直气流流向的方向出射的光谱辐射强度可表示为
[0069][0070]
式中，为波长为λ
c,j
时的黑体光谱辐射强度，λ
c,j
为光谱区间δλj的中心波长；为烟气在光谱区间δλj内的平均吸收系数，l是气体层的宽度。
[0071]
其中，黑体光谱辐射强度通过下式计算得到：
[0072][0073]
式中，c1和c2是常数，分别为3.7418
×
10-16
wm2和1.4388cmk。
[0074]
(3)气体发射光谱采集：
[0075]
采用中红外光谱仪测量燃尽气流中气体发射光谱，中红外光谱仪的型号为sm301，采集的光谱区间为2500～4500nm，光谱分辨率约为20nm。光谱仪将入射辐射所携带的光信号转化为电信号，在测量实验之前，需要基于准确的辐射光源对光谱仪所采集的电信号值标定为辐射强度值。因而，本发明首先采用高温黑体炉对光谱仪进行了标定，得到了光谱仪的电信号值与辐射强度之间的关系。然后，将光谱测量设备放置于燃尽气体外侧，采集垂直于气流方向内高温气体在红外波段的发射光谱辐射强度i
δλ,mea
，采集示意图如图2所示，采集的积分时间设定为50ms。所发射的光谱辐射强度分布。同时，测量得到燃尽气流的厚度l。
[0076]
(4)气体浓度计算：
[0077]
结合粒子群优化算法(pso)和步骤(2)中所建立的光谱辐射模型计算气体的温度和气体分数。该算法通过目标函数引入待优化问题，搜索空间内随机分布的粒子，多次迭代得到全局最优位置，即所计算问题的最优解。迭代过程中，利用上次迭代的极值来更新粒子的随机位置，并展开下一次迭代。迭代公式为：
[0078]vn,t+1
＝v
n,t
+b1r1(p
n,t-y
n,t
)+b2r2(p
g,t-y
n,t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0079]yn,t+1
＝y
n,t
+v
n,t+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0080]
式中，b1、b2为学习因子，取b1＝b2＝2.0；r1、r2为区间[0，1]内的随机数；v
n,t
为第n个粒子在第t次迭代的速度向量；y
n,t
为第n个粒子在第t次迭代的位置向量，由于本实例中需要求解燃尽气体温度和其中co2、h2o的浓度，因而p
n,t
为个体极值，即第n个粒子本身所找到的最优解；为全局极值，即整个种群找到的最优解。此外，计算的目标函数如式(4)所示。
[0081]
根据步骤(2)中采集得到的火焰燃尽气体出射的光谱辐射强度分布，并将其引入至pso算法中迭代求解，即可得到燃尽气体的温度以及co2、h2o的浓度。测量得到的气体温度
以及组分浓度对应的理论光谱辐射强度与采集得到的光谱辐射强度分布如图3所示。由图可知，理论光谱强度曲线和实际光谱强度曲线拟合得很好。同时，经过计算得到的火焰温度为1312k，co2和h2o的温度分别为13.6％和21.2％。
[0082]
本发明首先从气体辐射特性数据库中获取二氧化碳和水蒸气高分辨率的光谱辐射特性，并拟合采集区间下气体光谱辐射特性与气体温度、浓度之间的关系，建立与所采用的光谱采集装置对应的低分辨率气体辐射特性数据库，然后基于建立的数据库，进一步建立气体光谱辐射模型，得到气体温度、浓度与其所发射的光谱辐射强度分布之间的关系，再采集烟气中高温气体所发射的光谱辐射强度分布，最后利用气体光谱辐射模型与采集的发射光谱，基于优化求解算法，计算得到烟气中二氧化碳浓度。本发明不需要外加光源发射装置，结构简单，收集高效，可普遍应用在燃煤电厂的工业现场，具有很大的发展前景。
[0083]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：烟气包括二氧化碳和水蒸气，分别获取不同温度及组分浓度下二氧化碳和水蒸气的平均吸收系数，进而得到烟气的平均吸收系数与烟气温度及组分浓度的关系；构建气体光谱辐射模型，即气体层向外出射的理论光谱辐射强度与烟气的平均吸收系数之间的关系式，从而得到气体层向外出射的理论光谱辐射强度与烟气温度及组分浓度之间的关系；通过红外光谱测量装置实时采集烟气沿垂直于气流方向所发射的实际光谱辐射强度；以实际光谱辐射强度和气体层向外出射的理论光谱辐射强度的差值构建目标函数；采用优化算法对目标函数进行迭代求解，得到目标函数值最低时对应的烟气温度及组分浓度，从而实现烟气中二氧化碳浓度在线检测。2.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，不同温度及组分浓度下二氧化碳和水蒸气的平均吸收系数的计算方式如下：基于气体辐射特性数据库和逐线法获取不同温度、组分浓度以及不同波长λ下气体i的光谱吸收系数κ
a,λ,i
，从而得到不同温度、组分浓度下气体i在各光谱区间δλ
j
内的平均吸收系数时，气体为二氧化碳，i＝2时，气体为水蒸气；光谱区间δλ
j
为红外光谱测量装置的各采集区间。3.如权利要求2所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，气体i在各光谱区间δλ
j
内的平均吸收系数的计算方式如下：其中，l为烟气宽度，λ
j
为光谱区间δλ
j
的长度。4.如权利要求2所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，烟气的平均吸收系数与温度、组分浓度的关系式的确定方式如下：根据平均吸收系数得到不同温度、组分浓度下烟气在各光谱区间δλ
j
内的平均吸收系数并采用最小二乘法拟合得到烟气的平均吸收系数与温度、组分浓度的关系。5.如权利要求2所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，气体光谱辐射模型为：其中，为温度为t，烟气中二氧化碳、水蒸气浓度为x1、x2时，烟气在光谱区间δλ
j
内气体层向外出射的理论光谱辐射强度；f为关联函数；为温度为t、波长为λ
c,j
时的黑体光谱辐射强度，λ
c,j
为光谱区间δλ
j
的中心波长；为温度为t，烟气中二氧化碳、水蒸气浓度为x1、x2时，烟气在光谱区间δλ
j
内的平均吸收系数。6.如权利要求5所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，气体光谱辐射
模型具体为：其中，为烟气在光谱区间δλ
j
内气体层向外出射的理论光谱辐射强度，为波长为λ
c,j
时的黑体光谱辐射强度，为烟气在光谱区间δλ
j
内的平均吸收系数，l为烟气宽度。7.如权利要求1所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，所述目标函数如下式所示：式中，为目标函数值，n为光谱区间的总数量，为采集的第j个光谱区间δλ
j
的实际光谱辐射强度，为烟气在第j个光谱区间δλ
j
内气体层向外出射的理论光谱辐射强度。8.如权利要求1-7任一项所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法，其特征在于，所述优化算法为粒子群优化算法。9.一种烟气中二氧化碳浓度在线检测系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一项所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的烟气中二氧化碳浓度在线检测方法。

技术总结
本发明属于烟气二氧化碳浓度测定领域，并具体公开了一种烟气中二氧化碳浓度在线检测方法及系统，其包括：分别获取不同温度及浓度下二氧化碳和水蒸气的平均吸收系数，得到烟气平均吸收系数与温度及浓度的关系式；构建气体层向外出射的理论光谱辐射强度与烟气平均吸收系数间的关系式，得到理论光谱辐射强度与气体温度及浓度间关系；通过红外光谱测量装置实时采集烟气沿垂直于气流方向所发射的实际光谱辐射强度；以实际光谱辐射强度和理论光谱辐射强度的差值构建目标函数；采用优化算法对目标函数进行求解，得到目标函数值最低时对应的二氧化碳和水蒸气的温度及浓度。本发明不需要外加光源发射装置即可实现二氧化碳浓度测量，结构简单、收集高效。收集高效。收集高效。


技术研发人员：娄春 周颖 张仲侬
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/10/19