CN103354900A - 借助激光的气体分析 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种壳体中的处于高于1200℃温度下的气态气氛中的如CO,NO,NO2的分子的浓度的测量装置，所述分子具有在4至8μm之间的波长的吸收线，所述装置包括发射器(2)，所述发射器发射波长对应于所述吸收线波长的激光辐射，所述发射器(2)发射所述激光辐射穿过第一窗口(4)且随后穿过所述气氛(7)，所述窗口(4)由固体材料制成，在所述激光辐射的所述波长上，对于1mm的材料厚度而言，所述材料具有大于50%的透射率，所述激光辐射在经过所述气氛(7)后由分析器(11)分析，所述分析器确定所述激光辐射被所述气态气氛(7)中的所述分子吸收的吸收量，所述窗口(4)必要时通过插入物置于所述壳体的壁(6,10)上或壁(6,10)中，以阻碍热气氛(7)从壳体逸出。本发明允许在其上安装了本发明的设备的正常运行期间连续测量。根据本发明的装置可配备玻璃熔炉并在熔炉(1)的正常运行期间连续测量热气氛(7)中的气态物类浓度。这允许在运行期间调节熔炉的燃烧器。
Description
技术领域
本发明涉及在热气氛中的气体浓度分析的领域，该热气氛为例如熔炉的尤其玻璃熔炉的热气氛。
背景技术
由玻璃熔炉的每个燃烧器所产生的燃烧气体（CO, NO, NO2……）的浓度的测量通常通过萃取技术实现。根据此技术，空气按时地由冷却高温计通过穿过壁或在蓄热器室后部中的管道吸出。此空气随后被过滤、干燥并由电化感应器分析。该气体浓度的测量可随后用于调节燃烧。由于在高温计中的水蒸气冷却和凝结问题，该萃取测量仅能够在受限的时间期间执行。这阻碍了燃烧气体的连续测量且因此阻碍了在熔炉中对燃烧的有效和连续的控制。
作为用于热气体测量的此萃取技术的备选解决方案，当前有在感兴趣的分子物类的吸收线附近使用一个或更多发射激光的想法。特别是对于在玻璃熔炉的那些典型温度下（通常高于1200℃）测量NO, NO2, CO或其他气态物类，提议用一种特定类型的半导体激光器，被称为量子级联激光器，其在中红外区光谱范围中（3μm至24μm）发射。为实现测量，光束被传送通过包含待分析的热气氛的壳体的壁（尤其熔炉或烟导管的壁）以便穿过此气氛。术语“壳体”应在广义上理解，指待分析气氛的任何容器。例如，此壳体可以是将燃烧的烟传送至熔炉外部的导管，换言之例如在熔炉与蓄热器之间进行连接且交替充当至燃烧器的空气引导导管和烟的收集导管的导管。一旦已知吸收长度、温度和压力，即从对于每个波长的透射测量获得（兰玻－比尔定律）感兴趣的分子物类的浓度。对于“壁”，应在广义上被理解为任何壁，即壳体的任何物理边界（包括熔炉的顶部），假设激光光线可以经过壳体的热气氛而此光束不遇到过于强烈地吸收它的阻碍。优选地，激光光线通过根据本发明的窗口进入且又使其通过根据本发明的窗口离开，激光在这两个窗口之间仅遭遇壳体的热气氛，如果激光穿过玻璃熔炉，则激光穿过玻璃上方的气态气氛。此气氛可包含细小的微粒。
根据本发明的激光解决方案允许在其上安装了它的设备的正常运行期间连续地测量。特别地，根据本发明的装置可装备玻璃熔炉且在熔炉正常运行期间连续地测量热气氛中的气态物类的浓度。特别地，此熔炉可连续运行。激光辐射不一定在要监控系统（例如像熔炉）的运行期间连续地存在。实际上，气体浓度的变化是足够缓慢的，为此间隔一秒或几秒的测量对于评估气体浓度的变化来说是充分足够的。这样的测量由脉冲激光执行。
特别地，根据本发明的装置可应用于分析任何类型的玻璃熔炉的气氛，例如带有架空燃烧器或浸没燃烧器的熔融熔炉；具有回路的熔炉；具有横向燃烧器的熔炉，该熔炉可能配备蓄热器或换热器；和玻璃成型熔炉，例如用于形成平板玻璃的浮法玻璃熔炉。
一般而言，这致使具有置于包含待分析气体的壳体的壁中的两个窗口，用于一个或更多激光光线的射入和输出。在中红外区中工作对窗口的设计强加了制约。特别地，这致使窗口在这些波长上是足够透明的且其承受气态气氛的高温。具有非常低热膨胀的材料例如熔融石英不构成理想的材料，因为它在这些波长上不是非常透明。
US 3 154 821教导了一种用于检测熔炉内部的装置，其包括窗口，该窗口包含两片平行的玻璃板，水流过它们的中间间隙。作为现有技术的其他文档，可引用JP 3274385 (A),、JP 8014522 (A)、US 2004156420和US 7 283 243。US 5 984 998教导了一种壳体中的燃烧气体的分析装置，其涉及激光光线，该装置距壳体一定距离且由热防护板保护。
发明内容
本发明提出一种光学系统，其允许传输在中红外区中的至少一束激光辐射通过包含热气氛的壳体的壁，特别用于实现测量诸如像CO、NO、NO2的燃烧气体的浓度。此连续的计量允许优化燃烧且从而改善熔炉的能量效率和有害气体的减少。该系统包括在测量光谱范围上相对透明的窗口，所述窗口可通过冷却水/空气的双重系统来冷却以便于长时间承受壳体（例如熔炉）的正常运行条件，这需要良好的耐高温和耐热冲击性。该窗口特别地可置于壳体的壁上或壁中，必要时借助插入物。因此，该窗口可特别地结合在插入物中，所述插入物被置于壳体的壁上或壁中。全靠这种类型的光学插入物，向壳体的内部通过同一窗口或不同窗口射出一束或更多激光，同时保持壁中的孔的密封是可能的。此孔的密封阻止热气氛的气体（可能有害的）从壳体的内部离开。测量长度可准确地确定，该长度基本相当于进入窗口和离开窗口之间的距离。因此，气体浓度的值是精确的。术语"密封"尤其表示壳体内部的气氛的气体通过配备窗口的孔被约束离开。根据情况，此密封可是部分的或完全的。
因此，本发明首先涉及一种用于处于高于1200℃温度下的气态气氛中的分子的浓度的测量装置，所述分子具有在4到8μm之间的波长的吸收线，所述装置包括发射器，发射器发射具有对应于吸收线波长的波长的激光辐射，所述发射器发射激光辐射通过第一窗口且随后通过所述气氛，所述窗口由固体材料制成，在激光辐射的波长上，对于1mm的厚度而言，该材料具有大于50%且优选地大于80%的透射率，激光辐射在经过所述气氛之后由分析器分析，该分析器确定激光辐射被气态气氛中的分子吸收的吸收量。刚才所述不表示该窗口必需具有1mm的厚度，其仅涉及在对于1mm材料厚度的这种情况下，限定材料的固有的透射率值。实际上，透射率随厚度而降低且对于指定的厚度，可以指定固有值。窗口可具有例如在0.5至20mm之间的厚度。厚度越小，窗口越易碎。厚度越大，透射率越低。对于内部气氛处于接近大气压的压力下的玻璃熔炉而言，窗口厚度在2至5mm的范围（包括边界）是通常适合的。一般而言，根据本发明的装置包括两个由固体材料制成的窗口，在激光辐射的波长上，对于1mm的厚度而言，该固体材料具有大于50%且优选地大于80%的透射率。激光光线在经过热气氛前穿过第一窗口。在经过热气氛后，激光光线穿过第二窗口。因此，第一窗口是激光的发射窗口且第二窗口是激光的接纳窗口。一般而言，这两个窗口被挑选成由同样的材料制成。
有利地，激光光线足够密集以便射出的信号不被沿其路程上的微粒的偶尔出现所干扰。因此，优选地垂直于激光光线的窗口的横截面具有至少10cm2及甚至至少15cm2的面积。窗口的面积足够让整个激光光线从其通过。特别是关于窗口处于激光光线穿过热气氛后的接纳位置，所述窗口优选地具有比激光光线横截面的面积大至少30%及甚至大至少50%的面积。实际上，取决于热气氛的组分、温度以及沿激光光线的路程上存在的微粒的变动，熔炉的热气氛可轻微地使激光光线的方向倾斜。因此，接纳窗口越大，收集整个激光光线的机会越大。例如，在25至100cm2之间的窗口面积通常是合适的。激光光线的波长取决于所想要确定浓度的分子的性质。以下的表格提供了激光光线的波长以根据所想要的分子而使用。
该窗口可特别地由氟化钙（CaF2），蓝宝石(Al2O3) 或硒化锌 (ZnSe)制成。在本发明的范围内，该三个上述复合物有利地是单晶复合物。在单晶复合物的情况下，激光光线优选地对于CaF2和ZnSe垂直于晶体平面<111>，且对于蓝宝石垂直于晶体平面 <0001> （C轴线）而穿过该单晶。
窗口面向包含待分析热气氛的壳体的壁中的孔安置（即在其轴线上）。因此，发射的激光光线穿过窗口且随后穿过壁中的孔。壁中的孔可能例如是为了清洁壳体而配备的孔或可能是特别为了测量而配备的孔。
该窗口优选地通过注射到窗口和热气氛之间的相对于窗口材料的惰性气体（例如，空气或氮气）流来保护免受气态气氛的影响。此惰性气体的注入防止窗口被来自壳体内部的灰尘覆盖，且确保了长时期使用而不清洁的可能性。
窗口可结合在插入物中，所述插入物固定在壁上（在壁中的孔的部位），优选地呈密封方式以便防止壳体的热气氛通过相对窗口安置的孔逸出。特别地，此密封尤其可借助形成插入物和壳体之间的连接的耐火粘结剂来获得。然而，如果壳体中的气氛基本处在大气压下，理想的密封不是强制必需的。因此本发明还涉及一种配备根据本发明的装置的壳体，该装置以至少部分密封或甚至完全密封的方式安装在该壳体上。
特别地，窗口可固定在插入物的金属部分中。此金属部分包括用于通过激光光线的孔。金属部分的这个孔因此穿过整个金属部分。插入物可包括用于被容纳在壳体的壁的厚度中的管状部分。管状部分的中空区域（管状部分的管的内部）构成用于激光光线穿过的孔。此管状部分尤其可连接至包括窗口的另一部分上。这两部分之间的连接可通过法兰实现。插入物的管状部分将遭受接近于熔炉内主导的温度影响，且因此必须由耐此温度且耐热冲击的材料制成。有利地，此材料比构成金属部分的金属更耐火，该金属部分可能由普通钢制成。其可能是耐火陶瓷（尤其是莫来石）或耐火混凝土或耐火金属。该插入物可包括相对于窗口材料的惰性气体的进口，惰性气体在使用条件下保护窗口免受壳体的热气氛的影响。因此，此气体流到达窗口（朝向壳体内部的窗口的表面）和待分析的热气氛之间。低流率（例如0.1至50Nm3/h）的此气体可随后被引向热气氛且与其混合而不以可觉察的方式改变壳体内部的气态组分。因此，该窗口可结合在插入物的金属部分中，所述金属部分包括用于通过激光辐射的孔，且必要时，包括冷却水箱。窗口阻塞金属部分的孔且可由激光光线穿过。激光光线因此可除窗口之外不遭遇任何固体材料而穿过整个插入物。用于保护窗口的惰性气体的进口可位于冷却水箱和窗口之间。还有可能将其反转，即将冷却水箱安置在惰性气体的进口和窗口之间。因此，该插入物可包括与金属部分连成一体的陶瓷部分，所述陶瓷部分为管状且让激光辐射沿其轴线经过，管状部分的轴线穿过金属部分的孔，插入物被定向成使得陶瓷部分被引导朝向气态气氛。因此，本发明还涉及一种插入物，其包括由氟化钙或蓝宝石或硒化锌制成的窗口，包括孔的金属部分以及由比金属部分更耐火的材料制成的管状部分，该管状部分与金属部分形成一体，窗口结合在金属部分中，堵塞其孔，管状部分的轴线穿过金属部分的孔且穿过窗口，金属部分可能包括水箱，金属部分可能包括在窗口和管状部分之间、通向金属部分中的孔的气体进口。
可以使激光光线穿过熔炉的炉膛容积，所述激光辐射这样从第一侧面壁（侧壁）到面向第一壁的第二侧面壁穿过。还可使该激光光线穿过在上游壁和下游壁之间的熔炉的整个气氛。然而，取决于熔炉的类型，激光光线的所需要的路线可能稍稍过长，使得射出的光线稍稍过于稀薄。实际上，激光在热气氛中经过的距离优选地在从1至3米的距离范围内（包括边界）。这可以是根据本发明的两个窗口之间的距离，激光光线的发射窗口和激光光线的接纳窗口，两个窗口围绕着待分析的气态气氛。因此可能有兴趣将激光光线置于烟至少部分被收集的部位，如烟囱或燃烧器导管，即形成蓄热器和熔炉之间的连接的导管，所述导管(英文为"port")交替地用作燃烧器的空气发送导管和用作将烟传输至蓄热器的烟出口导管。当然，在这种情况下，根据本发明的激光测量仅在导管用于回收烟时（且不是在导管用作作为燃烧器的助燃剂的空气的发送时）执行。根据本发明的该激光装置还可置于在熔炉和换热器之间的烟导管(英文为"fumes duct")中。
本发明还涉及一种通过根据本发明的装置测量处于高于1200℃且通常低于1700℃的温度下的气态气氛中的分子浓度的方法。此分子可尤其为 CO或 NO 或 NO2。几种分子可同时分析。为了这样做，通常利用几个激光源，每个激光源都有一种待分析的分子的吸收线，随后使不同的激光光线穿过待分析的热气氛。在经过热气氛之前，不同的激光光线可混合成单个光束。
本发明还涉及一种在配备燃烧器的玻璃熔炉中加热玻璃的方法，其中燃烧的烟通过根据本发明的测量方法分析。
具体实施方式
图1展示了配备根据本发明的装置的熔炉1。发射在3至24μm波长范围中的激光发射器2发射激光辐射3穿过固定在插入物5中的窗口4，所述插入物5穿过熔炉1的侧壁6。该激光辐射3穿过熔炉的热气氛7且通过置于穿过熔炉的侧壁10面向侧壁6的插入物9中的窗口8从此气氛中再出来。该离开的激光光线随后由分析器11使用，以从激光辐射的吸收值来确定在熔炉的气氛7中指定气体的浓度。该激光辐射从发射器至分析器通过一组镜子12被定向和移位。
图2展示了根据本发明的光学插入物。其包括由耐火水泥 (Licofest MW95C或 Licofest H195C)制成的管状部分20和金属部分21。这两部分通过法兰系统22保持连接成一体。耐火水泥部分20是用来插入熔炉壁的厚度中的。此管状部分的中空区域（接近轴线）用于通过激光光线。金属部分21为窗口23提供支撑及冷却，窗口23例如可由具有50mm的直径和3mm的厚度的氟化钙(CaF2)的圆柱形单晶制成。此金属部分包括用于激光光线通过的孔(接近于轴线)。窗口23阻塞金属部分的孔并被激光光线穿过。该窗口23通过水箱24并通过空气冷却系统被保护免受熔炉的热气体影响。水箱是环型的，即它环绕金属部分的孔而不阻塞接近插入物的轴线的中部。通过管道25给水箱供水，水通过管道26再出来。空气通过管道27注入。在窗口23前注入的空气的流率为例如大约5 Nm3/h。注入的空气随后传入熔炉的热气氛中。这使得避免来自熔炉的灰尘累积在插入物中。来自插入物且注入熔炉中的空气的量相对于熔炉的内部气氛的体积是可以忽略的。空气进口通向金属部分的孔中且位于窗口和管状部分之间。在此图中，用于保护窗口的空气进口置于气态的气氛和水箱之间。也可以进行反转，即将保护空气进口放置成最接近窗口23且将水箱放置在空气进口和气态气氛之间。图2的插入物可用于发射激光光线或用于接纳激光光线。
图3展示了从上方观察的具有回路的熔炉，其可在本发明的范围内使用。此熔炉包含上游面31、两个侧面32和32' 及下游面33。其配有两个相同的蓄热器34和34'，它们被并置且两者都置于上游面后方。每个蓄热器都置于上游面一半的后方。为了引入可玻璃化材料，在侧壁32和32' 中设置了凹窝36和36'。这些凹窝被置于侧壁上游的第一个三分之一中。浸没在熔融浴中的坝35设置在熔炉的下游一半中。在图3的情况下，火焰从上游面的一半1a发出。其在熔炉的气氛中形成回路，以向上游面的另外一半1b返回。烟随后经过置于上游面的一半1b后方的蓄热器34'。根据本发明的装置的激光光线38经过在熔炉和蓄热器34' 之间的导管且用于分析燃烧气体。根据图4,当在蓄热器34' 中的耐火砖足够热时，熔炉的运行反转。在这种情况下，火焰从上游面的一半1b发出且烟的热量在另一个蓄热器34中回收。随后操作根据本发明的另一个装置产生激光光线39且安置以经过在熔炉和蓄热器34' 之间的导管。火焰的助燃剂是在经过蓄热器34' 时被再加热的空气。玻璃流过设置在熔炉的下游面33中的孔37。燃料注入器未示出。
图5展示了从上方观察的具有横向火焰的熔炉。可玻璃化材料通过在侧壁中位于上游的凹窝15和15' 引入。多个横向燃烧器16配置在侧壁中。烟通过导管18被收集且被引向换热器17。玻璃通过出口18回收。可以想到，换热器按照热交换器模式运行，烟经过管道，从而再加热经过另一个管道且供给横向燃烧器的空气。根据本发明的装置的激光19经过导管18以分析燃烧气体。
图6展示了具有横向燃烧器和蓄热器的熔炉41。该熔炉41包括上游壁43、下游壁44和两个侧壁45和 45'。可玻璃化材料从上游壁43通过未示出常规装置引入。熔融的可玻璃化材料从上游端向下游端流动，如由箭头所示。玻璃经过调节器(braise)47，该调节器47用于进入未示出的转换单元前的热学条件且可以是用于生产平板玻璃的浮法玻璃设备。熔炉41穿过其两个侧壁配备两行各四个相继运行的架空燃烧器。每个架空燃烧器都包括至少一个燃料注入器，燃料注入器通过管道68和68'以及热空气进口69和 69'供给气体。可以看到每个侧壁的前两个燃烧器在熔炉的上游的第一个三分之一中（此第一个三分之一的边界由横向的虚线48指示）。开口 69和69'轮流地充当热空气进口和烟收集器。它们各自连接至蓄热器 50、50'。当壁45中的注入器运行时，壁45' 中的那些注入器不运行。烟经过面向它们的侧壁45' 中的导管69'且热量在蓄热器50中被收回。几十分钟后，熔炉的运行反转，即壁45中的燃烧器的运行停止（通过停止通过管道8的燃料气体及停止通过导管69的空气）且壁45' 中的架空燃烧器通过向它们的注入器通过管道68'供给气体和给导管69'供给热空气而被启动。因为被蓄热器50再加热，所以空气是热的。几十分钟后，再反转熔炉的运行，依此类推（反转循环的重复）。随着时间过去，蓄热器50接纳由位于壁45'中的燃烧器发射的烟，燃烧气体可由根据本发明的其激光光线经过导管69的一系列装置70分析。根据本发明的装置可置于每个导管69中。随着时间过去，蓄热器50' 接纳由位于壁45中的燃烧器发射的烟，燃烧气体可由根据本发明的其激光光线经过导管69'的一系列装置70'分析。根据本发明的装置可置于每个导管69'中。从而通过此系统为每个燃烧器提供单独的气体分析，这使每个燃烧器能被单独调节。
在玻璃熔炉上的真实条件下执行的实验表明窗口在安装插入物时不会破裂且很好地保持了其透射率。该窗口安装在如在图2中所示的带有水箱和通过冷空气在窗口前吹扫的插入物中。对于1500℃的熔炉温度，在试验期间测量的窗口的温度为60℃。
Claims (20)
1. 一种壳体中的处于高于1200℃温度下的气态气氛中的分子的浓度的测试装置，所述分子具有在4至8μm之间波长的吸收线，所述装置包括激光辐射的发射器，所述激光辐射具有对应于所述吸收线的波长的波长，所述发射器发射所述激光辐射穿过第一窗口且随后穿过所述气氛，所述窗口由固体材料制成，所述固体材料在所述激光辐射的所述波长上对于1mm的材料厚度而言具有大于50%的透射率，所述激光辐射在穿过所述气氛后由分析器分析，所述分析器确定所述激光辐射被所述气态气氛中的所述分子吸收的吸收量，所述窗口必要时通过插入物置于所述壳体的壁上或壁中，以阻碍所述壳体的所述热气氛从所述壳体逸出。
2. 根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，在所述激光辐射的所述波长上且对于1mm的厚度而言，所述材料的透射率大于80%。
3. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述窗口由关于所述窗口的材料的惰性气体流保护免受所述气态气氛的影响，所述惰性气体流注入所述窗口和所述热气氛之间。
4. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述窗口结合在置于所述壳体的壁上或壁中的插入物中。
5. 根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述窗口结合在所述插入物的金属部分中，所述金属部分包括用于通过所述激光辐射的孔且必要时包括冷却水箱。
6. 根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述插入物包括与所述金属部分连成一体的陶瓷部分，所述陶瓷部分是管状的且允许所述激光辐射沿其轴线通过，所述管状部分的所述轴线经过所述金属部分的所述孔，所述插入物定向成以便所述陶瓷部分指向所述气态气氛。
7. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述第一窗口由氟化钙或蓝宝石或硒化锌制成。
8. 根据前一权利要求所述的装置，其特征在于，所述第一窗口是单晶的。
9. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述第一窗口具有在0.5至20mm之间的厚度。
10. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述激光辐射具有其面积大于10cm2甚至大于15cm2的横截面。
11. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，激光光线在经过所述气氛后经过第二窗口，所述第二窗口具有比所述激光光线的横截面的面积大至少30%或甚至大至少50%的面积。
12. 根据前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述激光辐射经过1m至3m之间的所述气态气氛。
13. 一种插入物，其包括由氟化钙或蓝宝石或硒化锌制成的窗口，包括孔的金属部分和由比所述金属部分更耐火的材料制成的管状部分，所述管状部分与所述金属部分连成一体，所述窗口结合在所述金属部分中，阻塞所述金属部件的孔，所述管状部分的轴线穿过所述金属部分的所述孔且穿过所述窗口，所述金属部分能够包括水箱，所述金属部分能够包括在所述窗口和所述管状部分之间通向所述金属部分的所述孔的气体进口。
14. 一种壳体，尤其是一种玻璃熔炉或连接到玻璃熔炉用于烟的导管，其配备根据在先装置权利要求之一中所述的装置。
15. 根据前一权利要求所述的壳体，其特征在于，所述装置以密封的方式安装在所述壳体上。
16. 根据前述两个权利要求的任一项所述的壳体，其特征在于，所述壳体是连接玻璃熔炉至蓄热器或换热器的用于烟的导管。
17. 一种通过根据在先装置权利要求之一中所述的装置测量在壳体中处于高于1200℃的温度下的气态气氛中的分子的浓度的方法，所述分子具有在4至8μm之间的波长的吸收线，由所述装置的所述发射器发射波长与所述吸收线波长相当的激光辐射穿过第一窗口且随后穿过所述气氛，所述窗口由固体材料制成，在所述激光辐射的所述波长上，对于1mm的材料厚度而言，所述材料具有大于50%的透射率，所述激光辐射在经过所述气氛后由分析器分析，所述分析器确定所述激光辐射被所述气态气氛中的所述分子吸收的吸收量。
18. 根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，所述气态气氛处于低于1700℃的温度下。
19. 根据前述两个权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述分子是CO或NO或NO2。
20. 一种在配备燃烧器的玻璃熔炉中加热玻璃的方法，其中燃烧的烟通过根据在先方法权利要求之一中所述的测量方法分析。
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