基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測(cè)量

亞云啟，羅昭強(qiáng)，袁隆基，戴恩賢，沈國(guó)彬

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基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測(cè)量

亞云啟1，羅昭強(qiáng)1，袁隆基2，戴恩賢1，沈國(guó)彬1

（1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，浙江 寧波 315048； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

針對(duì)垃圾焚燒爐火焰溫度的測(cè)量問題，利用便攜式光纖光譜儀對(duì)某臺(tái)35 t/h的垃圾焚燒爐的火焰光譜進(jìn)行了采集。分析結(jié)果表明：Gauss函數(shù)、Lorenz函數(shù)以及兩者的組合函數(shù)中，兩者的組合函數(shù)在提取特征譜線上最為準(zhǔn)確，Lorenz函數(shù)在提取效果上最差；由于原子特征光譜法在測(cè)溫理論上的不成熟，導(dǎo)致該方法在應(yīng)用上具有很大的局限性；利用非線性最小二乘法對(duì)基于多項(xiàng)式擬合分離出的光譜基線、移除特征譜線后的光譜曲線以及未經(jīng)處理的原始光譜曲線進(jìn)行擬合來計(jì)算火焰溫度，其中對(duì)直接移除特征譜線的火焰光譜進(jìn)行尋優(yōu)的結(jié)果比其他兩種要準(zhǔn)確；通過對(duì)7個(gè)樣例光譜的分析發(fā)現(xiàn)，垃圾火焰在650~900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)滿足灰體特性。

城市垃圾；焚燒爐；非線性最小二乘法；原子特征光譜法；火焰溫度測(cè)量

垃圾焚燒技術(shù)因?yàn)槠涓咝У某鞘欣幚砟芰σ约叭紵鶐淼臒嵝б媸艿搅藦V泛的關(guān)注[1]。但由于我國(guó)對(duì)垃圾焚燒技術(shù)研究的起步較晚，大型垃圾焚燒爐大都從國(guó)外引進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于垃圾焚燒爐內(nèi)垃圾燃燒的機(jī)理以及熱力過程的研究并不完善[2]。對(duì)燃燒火焰的輻射特性和溫度的研究對(duì)于了解燃燒機(jī)理有著非常重要的指導(dǎo)作用[3-5]。但由于垃圾成分、形狀、尺寸、物性等問題使得不能將燃煤相關(guān)的輻射特性簡(jiǎn)單的套用到垃圾燃燒的研究之中，并且很少對(duì)垃圾焚燒爐火焰溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。Yan等人[6]利用基于光譜法和圖像法對(duì)1臺(tái)46 t/h的垃圾焚燒爐火焰的溫度和發(fā)射率開展了研究，表明鈉（Na）、鉀（K）在可見光波段內(nèi)存在較強(qiáng)的原子特征輻射，除了Na、K的特征輻射以外，火焰輻射滿足灰體輻射特性。在應(yīng)用基于灰體特性假設(shè)的火焰溫度測(cè)量理論中，原子的特征譜線會(huì)影響溫度的測(cè)量，同時(shí)Na、K的特征輻射光譜也可以應(yīng)用到輻射測(cè)溫之中。王勇青等[7]利用輻射法和原子發(fā)射光譜法對(duì)煉鋼轉(zhuǎn)爐口的火焰溫度進(jìn)行了測(cè)量，表明特征光譜法測(cè)溫原理與特征譜線的數(shù)學(xué)模型、譜線躍遷概率、能級(jí)的簡(jiǎn)并及火焰的光學(xué)厚度有關(guān)。陳曉斌等[8]利用測(cè)量火焰中的K原子發(fā)射譜線的相對(duì)強(qiáng)度比來獲得火焰溫度，并試驗(yàn)證明了該方法的可行性。本文利用光纖光譜儀對(duì)某臺(tái)35 t/h的垃圾焚燒爐火焰進(jìn)行采集，并分別利用原子特征光譜法和非線性最小二乘法對(duì)垃圾火焰溫度進(jìn)行檢測(cè)。

1 光譜儀采集系統(tǒng)

垃圾焚燒爐光譜儀采集現(xiàn)場(chǎng)示意如圖1所示。利用光譜儀系統(tǒng)在某臺(tái)35 t/h的城市垃圾焚燒爐中開展實(shí)驗(yàn)。該焚燒爐為單汽包自然循環(huán)水管爐排鍋爐，爐排采用二段爐排型，逆推14級(jí)，順推6級(jí)，其中逆推爐排的傾斜角為25°，順推爐排的傾斜角度為10°。

圖1 垃圾焚燒爐光譜儀采集系統(tǒng)示意

光譜儀的型號(hào)為AvaSpec-ULS2048-USB2，其測(cè)量波長(zhǎng)的范圍為200~1 100 nm，積分時(shí)間的范圍為1.1~600 ms。光譜儀的分辨率為0.1 nm。測(cè)量時(shí)，光譜儀的探頭對(duì)準(zhǔn)垃圾焚燒爐內(nèi)火焰，并采集一段時(shí)間內(nèi)的垃圾焚燒火焰光譜進(jìn)行分析。同時(shí)值得注意的是采用光譜法所得到的火焰光譜信號(hào)只是電壓信號(hào)，為了得到火焰輻射光譜的絕對(duì)輻射信號(hào)，必須對(duì)光譜儀進(jìn)行標(biāo)定。

2 基于輻射法的垃圾焚燒爐火焰溫度測(cè)量

2.1 測(cè)溫原理

一個(gè)給定波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度能夠通過有發(fā)射率項(xiàng)的Plank定輻射定律得到:

式中，為Plank常數(shù)，為光速，為玻爾茲曼常數(shù)，為波長(zhǎng)，為溫度，(,)為給定波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，()為波長(zhǎng)為的發(fā)射率，I(,)為給定波長(zhǎng)和溫度下的黑體輻射強(qiáng)度。

在·T≤2 000 μm·K時(shí)，Plank定律可以用維恩定律表示，其表達(dá)式為

式中：e為波長(zhǎng)的發(fā)射率，灰體輻射時(shí)該值在灰體波段范圍內(nèi)為一個(gè)定值，即e=；為檢測(cè)區(qū)域的視場(chǎng)平均溫度。

對(duì)式(2)取對(duì)數(shù)得到式(3)：

令=ln()，=1/，并代入式(3)可以得到

接著利用最小二乘法原理，建立(,)如下：

在求解上述非線性擬合時(shí)，經(jīng)常使用麥夸特（Levenberg-Marquardt）算法。其主要原理是通過迭代算法計(jì)算待求解式中殘差的平方判斷是否達(dá)到最優(yōu)的解，當(dāng)殘差最小時(shí)則得到的結(jié)果即為擬合公式的最優(yōu)解。

2.2 垃圾焚燒火焰的光譜分離

利用光譜儀采集到7個(gè)時(shí)刻的垃圾燃燒火焰輻射光譜如圖2所示。從圖2可以看出，垃圾焚燒火焰存在著非常強(qiáng)的特征輻射。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）原子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)查詢可知，波長(zhǎng)在590 nm處的特征譜線來自堿金屬Na，在766.5 nm和769.9 nm處的特征譜線來自堿金屬K，在779.4 nm和793.8 nm處的特征譜線來自堿金屬銣（Rb）。特征譜線的形成主要是由于燃料中的堿金屬化合物在燃燒過程中會(huì)發(fā)生分解，生成了堿金屬離子，并且堿金屬離子中的部分電子在高溫環(huán)境下發(fā)生能量能級(jí)躍遷，并由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，其中一部分高能級(jí)的電子又躍遷到低能級(jí)并釋放出光子，產(chǎn)生輻射譜線。

圖2 7個(gè)垃圾焚燒火焰的樣例光譜

火焰輻射光譜由連續(xù)光譜和非連續(xù)光譜組成[9]。非連續(xù)光譜的存在對(duì)于輻射法測(cè)溫會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此需要將連續(xù)光譜和非連續(xù)光譜進(jìn)行分離。在利用原子光譜法測(cè)溫時(shí)，特征譜線是由窄波段的連續(xù)光譜和非連續(xù)光譜的疊加，同樣需要對(duì)非連續(xù)光譜進(jìn)行分離，以獲得光譜基線以及Na、K原子的特征譜線。作者采用了基于多項(xiàng)式擬合的分離方法對(duì)光譜進(jìn)行分離并獲得連續(xù)光譜[10]，標(biāo)定后的光譜曲線及其分離結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，分離出的基線與標(biāo)定后的火焰光譜具有非常高的重合性，說明該分離方法的準(zhǔn)確性。

在利用原子特征光譜法測(cè)溫時(shí)，關(guān)鍵是要找到特征原子波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的光譜輻射強(qiáng)度，而由于光譜儀測(cè)量精度的限制無法完全找到。因此需要對(duì)特征光譜所對(duì)應(yīng)的窄波段進(jìn)行擬合以獲得特征原子特征譜線展寬下擬合函數(shù)，進(jìn)而求出特征光譜所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度。上述方法可以獲得特征譜線展寬內(nèi)的連續(xù)光譜，再將連續(xù)光譜進(jìn)行移除即可獲得原子的特征譜線。特征原子光譜法測(cè)溫的本質(zhì)仍然是雙色法，選取特征波長(zhǎng)非常接近的2個(gè)原子將會(huì)減小發(fā)射率的影響進(jìn)而提高測(cè)溫的準(zhǔn)確性[11]。本文選取K所對(duì)應(yīng)的2個(gè)特征波長(zhǎng)進(jìn)行分析。

Gauss函數(shù)、Lorenz函數(shù)或者是兩者的線性組合在數(shù)學(xué)上可以表示K的特征譜線展寬，具體表達(dá)式如下：

圖3 標(biāo)定后的光譜曲線及多項(xiàng)式擬合獲得的光譜基線

以樣例光譜S1為例分析K的特征譜線展寬的表達(dá)式，2種不同函數(shù)下的展寬擬合結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：Lorenz函數(shù)的提取效果最差；利用Gauss和Lorenz函數(shù)的組合形式獲得的擬合表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)明顯高于分別利用2種函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)，說明2個(gè)函數(shù)的組合更適合對(duì)K的2個(gè)譜線進(jìn)行提??；雖然Gauss和Lorenz函數(shù)的組合形式并非線性，但卻能提高展寬的提取精度。因此，在利用特征原子光譜法測(cè)溫時(shí)本文將利用2個(gè)函數(shù)的組合表達(dá)式對(duì)K的2個(gè)特征波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度進(jìn)行提取。求得的3個(gè)表達(dá)式如式(9)、式(10)和式(11)所示。

圖4 樣例S1的特征譜線展寬的擬合結(jié)果

2.3 基于原子特征光譜法的垃圾焚燒火焰溫度測(cè)量

從垃圾焚燒火焰光譜中可以看出，垃圾火焰中存在著非常強(qiáng)的堿金屬輻射，而同一元素2個(gè)不同原子發(fā)射譜線的強(qiáng)度比和溫度之間存在著相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)需要選取較近的2個(gè)波長(zhǎng)以消除發(fā)射率的影響[12]。堿金屬K在766.5 nm和769.9 nm處的2個(gè)特征波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值可以實(shí)現(xiàn)火焰的測(cè)量。該測(cè)溫原理的基礎(chǔ)是小體積元內(nèi)K的特征原子服從玻爾茲曼分布函數(shù)，具體的溫度表達(dá)式如下：

式中，為躍遷概率，為能級(jí)簡(jiǎn)并度，為測(cè)量強(qiáng)度，為激發(fā)能。

式(12)中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過NIST數(shù)據(jù)庫(kù)得到。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 通過NIST查詢的相關(guān)特征原子光譜值

Tab.1 The related characteristic atomic spectral values queried by NIST

利用上述提取堿金屬K的2個(gè)特征波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度，并通過計(jì)算可以得到的值為125.3 K，與實(shí)際的溫差偏差很大，也證實(shí)了文獻(xiàn)[7]的結(jié)論。為了進(jìn)一步分析測(cè)溫誤差的來源，本文采用定量分析的方法來分析Δ、1/2、對(duì)測(cè)溫的影響。文獻(xiàn)[7]給出了Δ的變化對(duì)測(cè)溫的影響，表明Δ的微小誤差就會(huì)造成極大的溫度測(cè)量誤差。本文利用Gauss和Lorenz組合的函數(shù)獲得2個(gè)特征波長(zhǎng)下所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度1與2之間的比值，首先假設(shè)1/2分布在1.0~2.0之間，相鄰2個(gè)點(diǎn)的間隔為0.001，進(jìn)而求出1/2的變化與溫度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 I1/I2與溫度之間的變化關(guān)系

從圖5可以看出：當(dāng)1/2在1.0~1.8時(shí)，其溫度變化大約在500 K；當(dāng)1/2的比值超過1.8后，溫度變化急劇增加。為了分析1/2在垃圾焚燒時(shí)的波動(dòng)范圍，論文選取1 245組樣例光譜進(jìn)行分析，通過Gauss和Lorenz組合函數(shù)提取2個(gè)特征波長(zhǎng)下K的輻射強(qiáng)度的比值1/2，其比值分布如圖6所示。

圖6 1 245組樣例光譜所獲得的I1/I2比值分布

從圖6可以看出，1/2比值分布在1.2~1.4之間。通過圖5該區(qū)間溫度變化局部放大圖可以看出，其溫度變化大約有50 K，說明在穩(wěn)定燃燒時(shí)1/2的變化并不是原子特征光譜法測(cè)溫偏差的來源。而值可能會(huì)造成計(jì)算偏差的產(chǎn)生，但Δ、的選取依賴于NIST數(shù)據(jù)庫(kù)，具有較高的可信度。并且從上述討論中可以發(fā)現(xiàn)，1/2值的波動(dòng)并不會(huì)對(duì)測(cè)溫的準(zhǔn)確性造成影響，因此造成原子特征光譜法測(cè)溫不準(zhǔn)確的原因，可能在于K的2個(gè)特征光譜的發(fā)射率并不能簡(jiǎn)單的認(rèn)為相等，或者該測(cè)溫理論并不完善。

3 基于非線性擬合的垃圾焚燒火焰溫度測(cè)量

本文采用非線性擬合計(jì)算垃圾火焰溫度，該方法是基于灰體特性假設(shè)，即在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射率的值不變，在進(jìn)行非線性擬合時(shí)采用麥夸特迭代算法進(jìn)行計(jì)算。為了分析利用非線性擬合對(duì)不同光譜處理方法所獲得光譜的擬合效果，分別對(duì)原始光譜的擬合結(jié)果、移除Na、K、Rb特征譜線后的光譜擬合結(jié)果以及上述獲得的光譜基線的擬合結(jié)果進(jìn)行了比較。以S1樣例光譜為例，并以550~900 nm波段作為計(jì)算波段，不同光譜處理方法所獲得的擬合結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，對(duì)采用移除堿金屬Na、K、Rb特征譜線后獲得的光譜進(jìn)行非線性二乘法擬合后，其相關(guān)系數(shù)高于其他2種光譜處理方法，表明移除堿金屬特征譜線后直接對(duì)移除光譜后的剩余譜線進(jìn)行擬合更適合垃圾火焰溫度的計(jì)算。同時(shí)堿金屬特征譜線的存在會(huì)對(duì)非線性二乘法擬合產(chǎn)生較大的影響。表2給出了其中5個(gè)樣例光譜的非線性擬合結(jié)果。

表2 5個(gè)樣例光譜的非線性擬合結(jié)果

Tab.2 Non-linear fitting results for the five sample spectra

通過假設(shè)灰體模型獲得火焰的溫度值后，若將該溫度值代入式(1)中，可獲得550~900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射率分布曲線，其中7個(gè)樣例光譜的發(fā)射率分布曲線如圖8所示。從圖8可以看出，Na、K等堿金屬的存在會(huì)影響發(fā)射率分布，因此在利用非線性擬合求解時(shí)需要對(duì)Na、K等影響區(qū)進(jìn)行精細(xì)移除。同時(shí)大約在550~650 nm波段內(nèi)發(fā)射率的分布并不滿足灰體特性，而大約在650~900 nm波段內(nèi)發(fā)射率的分布滿足灰體特性。

圖8 7個(gè)樣例光譜的發(fā)射率分布

4 結(jié) 論

1）利用Gauss函數(shù)和Lorenz函數(shù)組合函數(shù)提取K的2個(gè)特征譜線比分別用2個(gè)函數(shù)提取效果要好，且Lorenz的提取效果最差。

2）原子光譜法測(cè)溫結(jié)果不準(zhǔn)確的原因，可能在于K的2個(gè)特征光譜的發(fā)射率并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為相等，或者該方法測(cè)溫理論并不完善。

3）對(duì)采取移除堿金屬Na、K、Rb特征譜線后獲得的光譜進(jìn)行非線性二乘法擬合后，其相關(guān)系數(shù)要高于其他2種光譜處理方法，表明移除堿金屬特征譜線后直接對(duì)移除光譜后的剩余譜線進(jìn)行擬合更適合垃圾火焰溫度的計(jì)算。

4）垃圾焚燒火焰在650~900 nm波段之間滿足灰體特性。

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Flame temperature measurement of MSW incinerator based on atomic characteristic spectrometry and radiation

YA Yunqi1, LUO Zhaoqiang1, YUAN Longji2, DAI Enxian1, SHEN Guobin1

(1. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China; 2. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In view of the measurement of flame temperature of municipal solid waste (MSW) incinerator, a portable fiber spectrometer was employed to collect flame spectra of a 35 t/h MSW incinerator. Firstly, the accuracy of the Gauss function, the Lorenz function and the combination of the two functions in extracting the characteristic lines was discussed, which shows that the combination function is the most accurate and the Lorenz function is the worst. Then, the application of atomic spectroscopy in temperature measurement was discussed, which shows that the method has great limitations due to the immature temperature theory. By using the method of nonlinear least squares method, the spectral baseline separated by a method based on polynomial fitting, the spectral curve after removal of the characteristic spectral line and the original spectral curve without processing were optimized to calculate the flame temperature, and it shows that the optimizing result of the flame spectrum of which the characteristic spectrum was directly removed is the most accurate. The analysis of seven samples spectra shows that the waste flame meets the gray body characteristics’ requirements in the wavelength range of 650~900 nm.

municipal solid waste, incinerator, nonlinear least squares method, atomic characteristic spectrometry, flame temperature measurement

TK311

A

10.19666/j.rlfd.201806179

亞云啟, 羅昭強(qiáng), 袁隆基, 等. 基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測(cè)量[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(3): 102-108. YA Yunqi, LUO Zhaoqiang, YUAN Longji, et al. Flame temperature measurement of MSW incinerator based on atomic characteristic spectrometry and radiation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 102-108.

2018-06-20

亞云啟(1989—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榛鹧姹O(jiān)測(cè)和燃燒診斷技術(shù)，yayunqi@cumt.edu.cn。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）