CN101413826B - 危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法。它是利用焚烧炉内高温烟气的红外热辐射特性，首先对焚烧系统进行三维网格划分建立辐射投影方程，然后通过在不同位置安装红外辐射能传感器得到红外辐射投影图像，并从红外辐射能图像中提取不同波长下的辐射投影值，最后结合焚烧系统内三维温度分布的重建算法，计算危废焚烧系统中回转窑和二燃室内温度的分布数据。本发明提出的基于红外辐射能图像的温度场分布重建方法，是一种非接触式在线温度测量方法。它以危废焚烧系统内高温烟气的红外辐射传递特性为基础，通过采集的红外辐射能图像，在线重建焚烧系统内温度的三维分布。

Description

危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法

技术领域

本发明涉及测量方法，尤其涉及一种危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法。

背景技术

危险废弃物焚烧处置技术的核心是通过高温热处理的方式去处废弃物中的有害物质，并达到充分减容和稳定灰渣的目的。而焚烧过程中温度分布及变化对于焚烧处置的效率，炉内结渣，以及污染物生成与排放，特别是二恶英等有机污染物的排放具有决定性作用。危废热解焚烧的焚烧炉为大型转动部件，常规接触式点测量方式检测点难以布置，并且无法真实的反映炉内温度场的分布情况，而采用热像仪等非接触测量方法只能得到焚烧炉内火焰的投影温度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法。

包括如下步骤：

1)在回转窑的头部、回转窑的尾部和二燃室的顶部安装红外辐射能传感器，传感器响应波长范围1～7μm，以非接触方式获取红外辐射能图像；

2)根据回转窑和二燃室结构尺寸进行X，Y，Z三个方向的网格划分，对所有网格进行编号为1...N；

3)对传感器视场角内每条投影射线进行编号为1...M，并采用光线跟踪算法计算每条投影射线在每个网格内的穿越距离，建立如下的系数矩阵：

其中Δs_i，k为第i条投影射线穿越第k个网格的距离；

4)从红外辐射能传感器输出的红外辐射能图像中按照编号提取每条射线在两个不同红外波长λ₁，λ₂下的辐射能投影值，并构造向量：

$G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T$ 和 $G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$

和

为第i个条射线在波长λ₁和λ₂处的辐射投影强度；

5)采用滤波反投影或正则化重建算法，求解如下的辐射投影方程，得到每个网格内两个波长下的红外发射辐射强度：

G＝H.S

式中： $G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$ S为网格穿越距离系数矩阵， $H_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_1,N}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $H_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_2,N}\end{array}\right]}^T,$

和

为第k个网格内烟气在波长λ₁和λ₂处的发射辐射强度；

6)根据每个网格内两个不同波长下的烟气发射辐射强度，采用如下的双波长温度计算公式得到系统各离散网格内的温度值；

$T_k=\frac{0.014388(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}}-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

式中T_k为第k个网格内的温度值；

7)采用OpenGL三维图形可视化技术，在线显示回转窑和二燃室内的所有网格内的温度值。

本发明提出的基于红外辐射能图像的温度场分布重建方法，是一种非接触式在线温度测量方法。它以危废焚烧系统内烟气的红外辐射传递特性为基础，通过采集的红外辐射能图像，在线重建焚烧系统内三维温度场的分布，响应时间短，精度高。

附图说明

图1是本发明的温度场分布重建的技术路线图；

图2是红外辐射图像传感器在危险废弃物焚烧系统中的布置位置示意图；

图3是红外辐射能图像采集测枪结构示意图；

图中：回转窑1、二燃室2、回转窑头部3、回转窑尾部4、二燃室顶部5、鸭嘴型冷却吹扫风出口6、红外石英隔热层7、红外辐射能图像传感器8、冷却风入口9、不锈钢外壳10、共地信号端11、12V直流电源端12、图像信号输出端13。

具体实施方式

危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布的非接触测量方法，技术路线如图1所示。具体包括如下步骤：

1)在回转窑1的头部3、回转窑1的尾部4和二燃室2的顶部5安装红外辐射能传感器，传感器响应波长范围1～7μm，以非接触方式获取红外辐射能图像；

2)根据回转窑和二燃室结构尺寸进行X，Y，Z三个方向的网格划分，每个网格的尺寸控制在小于0.5m×0.5m×0.5m，对所有网格进行编号为1...N；

3)根据传感器输出红外辐射能图像的分辨率，对辐射能传感器视角进行划分，图像中每个象素代表一条射线，所有射线均匀分布于传感器视角内，并对所有投影射线进行编号为1...M。采用光线跟踪算法，从第一个网格开始计算每条投影射线在每个网格内的穿越距离，如果射线没有穿越该网格，则穿越距离为0；如果射线穿越该网格，记为Δs_i，k，建立如下的系数矩阵：

其中Δs_i，k为第i条投影射线穿越第k个网格的距离；

4)从红外辐射能传感器输出的红外辐射能图像中按照编号提取每条射线在两个不同红外波长λ₁，λ₂下的辐射能投影值，并构造向量：

$G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T$ 和 $G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$

和

为第i个条射线在波长λ₁和λ₂处的辐射投影强度；

5)采用滤波反投影或正则化重建算法，通过迭代最优化求解如下的辐射投影方程，得到每个网格内两个波长下的红外发射辐射强度：

G＝H.S

式中： $G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& \·\·\·& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$ S为网格穿越距离系数矩阵， $H_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_1,N}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $H_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}& \·\·\·& H_{{\mathrm{\λ}}_2,N}\end{array}\right]}^T,$

和

为第k个网格内烟气的在波长λ₁和λ₂处的发射辐射强度；

6)根据每个网格内两个不同波长下的烟气发射辐射强度，采用如下的双波长温度计算公式得到系统各网格内的温度值；

$T_k=\frac{0.014388(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}}-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

式中T_k为第k个网格内的温度值；

7)采用OpenGL三维图形可视化技术，在线显示回转窑1和二燃室2内的所有网格内的温度值。

实施例

以危险废弃物焚烧处置工艺流程中普遍采用的两段式热解焚烧炉为测量对象，危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布非接触测量方法的步骤如下：

1)在危险废弃物焚烧系统的回转窑头部3、回转窑尾部4以及二燃室顶部5按照图2所示方式布置红外辐射能图像测枪，以非接触方式获取红外辐射能图像。测枪结构如图3所示。测枪必须穿过焚烧系统的耐火保温层，以确保60°以上的视场角，测枪采用压缩空气冷却，冷却风从冷却风入口9喷入测枪，冷却风不回用，从测枪前端鸭嘴型冷却吹扫风出口6直接进入焚烧系统。测枪前端安装红外石英隔热层7，红外辐射能图像传感器8安装在不锈钢外壳10内，采用12V直流供电，输出的辐射能图像信号通过图像信号输出端13与屏蔽视频线输入计算机内，在计算机内安装数字图像采集卡，用于图像的数模转换。

2)测量回转窑和二燃室结构参数，包括回转窑内径、长度和二燃室内径、高度，根据结构参数对回转窑和二燃室进行三维网格划分，单个网格几何尺寸小于0.5m×0.5m×0.5m。对所有网格进行编号。

3)根据传感器输出红外辐射图像的分辨率，对辐射能传感器视角进行划分，图像中每个像素定义为一条射线，所有射线均匀分布于传感器视角内，对所有投影射线进行编号，按照射线跟踪算法计算每条射线在每个网格内的穿越距离。计算时首先根据射线方向和网格坐标求得射线与网格的交点，两个交点间的距离就是穿越距离。如果网格没有与射线相交，则穿越距离为0。根据计算结果创建网格穿越距离系数矩阵。

4)对红外辐射能传感器输出的红外辐射图像进行分析，从图像的每个像素中提取每条射线在两个不同波长下的辐射能投影强度。

5)通过滤波反投影或者正则化重建模型，先假设一个结果，然后再通过迭代修正的方式计算得到每个网格中两个不同红外波长下的高温烟气辐射能发射强度。

6)通过双波长温度计算公式，根据各网格内的高温烟气辐射能发射强度计算得到每个网格内的温度值。

7)调用OpenGL三维图形显示算法，给出危废焚烧内三维温度场分布的等值图显示。

Claims (1)

1.一种危险废弃物热解焚烧炉内温度场分布的非接触测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在回转窑(1)的头部(3)、回转窑(1)的尾部(4)和二燃室(2)的顶部(5)安装红外辐射能传感器，传感器响应波长范围1～7μm，以非接触方式获取红外辐射能图像；

2)根据回转窑和二燃室结构尺寸进行X，Y，Z三个方向的网格划分，对所有网格进行编号为1L N；

3)对传感器视场角内每条投影射线进行编号为1L M，并采用光线跟踪算法计算每条投影射线在每个网格内的穿越距离，建立如下的系数矩阵：

$S=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\Δs}}_{\mathrm{1,1}}& {\mathrm{\Δs}}_{\mathrm{1,2}}& .& .& {\mathrm{\Δs}}_{1,N}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& {\mathrm{\Δs}}_{i,k}& .& .\\ .& .& .& .& .\\ {\mathrm{\Δs}}_{M,1}& {\mathrm{\Δs}}_{M,2}& .& .& {\mathrm{\Δs}}_{M,N}\end{array}\right]$

其中Δs_i，k为第i条投影射线穿越第k个网格的距离；

4)从红外辐射能传感器输出的红外辐射能图像中按照编号提取每条射线在两个不同红外波长λ₁，λ₂下的辐射能投影值，并构造向量： $G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T$ 和 $G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$

和

为第i个条射线在波长λ₁和λ₂处的辐射投影强度；

5)采用滤波反投影或正则化重建算法，求解如下的辐射投影方程，得到每个网格内两个波长下的红外发射辐射强度：

G＝H·S

式中： $G=G_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_1,i}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_1,M}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $G=G_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{g}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_2,i}& ...& g_{{\mathrm{\λ}}_2,M}\end{array}\right]}^T,$ S为网格穿越距离系数矩阵， $H=H_{{\mathrm{\λ}}_1}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_1,1}& ...& H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}& ...& H_{{\mathrm{\λ}}_1,N}\end{array}\right]}^T,$ 或者 $H=H_{{\mathrm{\λ}}_2}={\left[\begin{array}{ccccc}{H}_{{\mathrm{\λ}}_2,1}& ...& H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}& ...& H_{{\mathrm{\λ}}_2,N}\end{array}\right]}^T,$

和

为第k个网格内烟气在波长λ₁和λ₂处的发射辐射强度；

6)根据每个网格内两个不同波长下的烟气发射辐射强度，采用如下的双波长温度计算公式得到系统各网格内的温度值：

$T_k=\frac{0.014388(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1})}{\ln \frac{H_{{\mathrm{\λ}}_1,k}}{H_{{\mathrm{\λ}}_2,k}}-5\ln \frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1}}$

式中T_k为第k个网格内的温度值；

7)采用OpenGL三维图形可视化技术，在线显示回转窑(1)和二燃室(2)内的所有网格内的温度值。

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