CN105891139A - 轧钢加热炉内co2和co气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于轧钢加热炉气体检测技术领域，具体涉及一种轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，包括光谱仪和辐射背景单元；所述加热炉的炉壁上开设有第一通光窗口，所述第一通光窗口外侧设有光学导入装置，光学导入装置与第一通光窗口之间设有透红外波段耐高温材料制成的窗片，光学导入装置的外端与光谱仪相连；所述辐射背景单元由耐高温材料制成，辐射背景单元安装在第一通光窗口的对侧炉壁上，并与第一通光窗口正对设置。本发明具有检测精度高、可靠性好、响应速度快、非接触式在线监测、寿命长等诸多优势，可以满足轧钢加热炉内高温CO、CO₂气体检测的需求，为控制炉内燃料配比，提高燃烧效率提供可靠的数据保证。

Description

轧钢加热炉内CO2和CO气体检测装置

技术领域

本发明属于轧钢加热炉气体检测技术领域，具体涉及一种轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置。

背景技术

工业燃烧是一个复杂的多相反应过程，获取燃烧产物浓度的连续在线监测数据对燃烧过程控制与分析、提高燃烧效率、控制污染物的排放、节能减排均有重要意义。而CO₂和CO是碳氢燃料燃烧的最主要产物，被称为燃烧效率指示性气体，其组份浓度对于评价诸如燃烧程度、燃烧效率和热释放量等参量起关键性作用。

轧钢加热炉内CO₂作为燃烧过程中最主要的辐射参与气体，其浓度对于热力系统中辐射交换热量有较大影响；通过准确测量最终产物中二氧化碳浓度并与投入燃料对比，可以评价燃烧效率并能为高温燃烧炉的优化设计提供数据依据；二氧化碳的释放规律与燃料的燃烧特性之间有着密切关系，检测燃烧反应过程中的二氧化碳浓度变化规律可以用于燃料燃烧特性的研究。

轧钢加热炉内CO作为燃烧不完全产物，对其进行在线准确的监控，对控制燃烧具有重要意义，同时，CO气体的浓度也会影响钢铁表面的氧化程度。因此，为提高轧钢加热炉燃烧效率、节约煤气，同时降低钢铁氧化损失，必须对加热炉内CO₂和CO气体浓度进行实时精确测量，为精确控制空燃比提供CO₂和CO气体浓度实时在线监测数据。

而轧钢加热炉内燃烧是一个高温、瞬态、快速的过程，燃烧气体浓度随着时间和空间位置的变化而变化。传统的气体浓度测量方法无法进行非接触式测量，难以在高温环境下长期稳定运行，且这些方法需要对气体进行采样分析，无法实现在线测量，因此具有迟滞性，难以适应浓度随时间快速变化的情况；同时采样分析方法只能进行点测量，难以得到浓度的空间分布或平均分布。现有测量方法难以满足实际生产需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何实时、精准的对轧钢加热炉内的CO₂和CO气体进行非接触式检测。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：一种轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，包括光谱仪和辐射背景单元；所述加热炉的炉壁上开设有第一通光窗口，所述第一通光窗口外侧设有光学导入装置，光学导入装置与第一通光窗口之间设有透红外波段耐高温材料制成的窗片，光学导入装置的外端与光谱仪相连，加热炉内出射的平行红外辐射信号经光学导入装置汇聚后入射到光谱仪内；所述辐射背景单元由耐高温材料制成，辐射背景单元安装在第一通光窗口的对侧炉壁上，并与第一通光窗口正对设置。

优选的，所述辐射背景单元所在侧的炉壁上还设有用于对辐射背景单元进行降温的冷却装置。

优选的，所述窗片内侧和辐射背景单元内侧均设有吹扫单元，所述吹扫单元包括设置于窗片内侧和辐射背景单元内侧的气体喷嘴，所述气体喷嘴与气源相连。

优选的，所述光学导入装置包括抛物面主镜、双曲面副镜以及镜筒，所述双曲面副镜与第一通光窗口正对设置，所述抛物面主镜背对第一通光窗口设置，所述双曲面副镜的中心设有通光孔，加热炉内出射的平行红外辐射信号首先入射到双曲面副镜上，然后经双曲面副镜反射到抛物面主镜，再由抛物面主镜反射进入通光孔，最后进入光谱仪内。

优选的，所述第一通光窗口对侧的炉壁上设有第二通光窗口，第二通光窗口外侧设有罩盖，所述罩盖通过法兰和螺栓与加热炉外壁固接，所述辐射背景单元安装在罩盖内，所述辐射背景单元侧的气体喷嘴安装在罩盖侧壁上，所述罩盖外壁上设有冷却水套。

优选的，所述光学导入装置的镜筒与第一通光窗口之间设有短管，所述短管两端通过法兰与镜筒和加热炉外壁固接，所述窗片安装在短管内，所述窗片侧的喷嘴安装在短管的管壁上。

优选的，气体喷嘴与气源之间的管路上设有流量控制阀、过滤器和流量计。

优选的，所述辐射背景单元为钢板或陶瓷板。

优选的，所述气源为氮气或空气。

本发明的优点在于：本发明在轧钢加热炉的炉壁上开设通光窗口，并通过光谱仪对炉内气体进行非接触式测量，具有检测精度高、可靠性好、响应速度快、非接触式在线监测、寿命长等诸多优势，可以满足轧钢加热炉内高温CO、CO₂气体检测的需求，为炉内燃料配比，提高燃烧效率提供可靠的数据保证。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，即靠近炉膛的一侧为内侧，远离炉膛的一侧为外侧。

如图1所示，一种轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，包括光谱仪11和辐射背景单元12；加热炉10的炉壁上开设有第一通光窗口14，所述第一通光窗口14外侧设有光学导入装置，光学导入装置与第一通光窗口14之间设有透红外波段耐高温材料制成的窗片181，光学导入装置的外端与光谱仪11相连，加热炉10内出射的平行红外辐射信号经光学导入装置汇聚后入射到光谱仪11内；所述辐射背景单元12由耐高温材料制成，辐射背景单元12安装在第一通光窗口14的对侧炉壁上，并与第一通光窗口14正对设置。本发明在轧钢加热炉10的炉壁上开设通光窗口，并通过光谱仪10对炉内气体进行实时检测，具有检测精度高、可靠性好、响应速度快、非接触式在线监测、寿命长等诸多优势，可以满足轧钢加热炉内高温CO、CO₂气体检测的需求，为炉内燃料配比，提高燃烧效率提供可靠的数据保证。

进一步的，所述辐射背景单元12所在侧的炉壁上还设有用于对辐射背景单元12进行降温的冷却装置。冷却装置可以将辐射背景单元12的温度控制在800℃附近。轧钢炉内CO和CO₂气体与辐射背景单元12之间存在等效温度差，傅里叶变换红外光谱仪能够检测到待测气体的发射或吸收红外光谱，通过对光谱图中分子光谱精细结构进行分析，即可精确反演炉内CO和CO₂气体浓度。

进一步的，所述窗片181内侧即靠近炉膛的一侧和辐射背景单元12内侧均设有吹扫单元，所述吹扫单元包括设置于窗片181内侧和辐射背景单元12内侧的气体喷嘴20a、20b，所述气体喷嘴20a、20b与气源相连。所述气体喷嘴20a、20b与气源之间的管路上设有流量控制阀21、过滤器22和流量计23，所述气源为氮气或空气。为了防止加热炉10内粉尘及其它污染物污染光学镜面，吹扫单元利用压缩空气或氮气进行连续吹扫，以便在光学镜片与加热炉气体间形成一帘保护气流，防止粉尘等沉积在光学镜面。

优选的，所述光学导入装置包括抛物面主镜131、双曲面副镜132以及镜筒13，所述双曲面副镜132与第一通光窗口14正对设置，所述抛物面主镜131背对第一通光窗口14设置，所述双曲面副镜132的中心设有通光孔133，加热炉10内出射的平行红外辐射信号首先入射到双曲面副镜132上，然后经双曲面副镜132反射到抛物面主镜131，再由抛物面主镜131反射进入通光孔133，最后进入光谱仪11内。

优选的，所述第一通光窗口14对侧的炉壁上设有第二通光窗口15，第二通光窗口15外侧设有罩盖16，所述罩盖16通过法兰和螺栓与加热炉10外壁固接，所述辐射背景单元12安装在罩盖16内，所述辐射背景单元12侧的气体喷嘴20b安装在罩盖16侧壁上，所述罩盖16外壁上设有冷却水套17，该冷却水套17即为所述的冷却装置。

优选的，所述光学导入装置的镜筒13与第一通光窗口14之间设有短管18，所述短管18两端通过法兰与镜筒13和加热炉10外壁固接，所述窗片181安装在短管18内，所述窗片181侧的气体喷嘴20a安装在短管18的管壁上。

优选的，所述辐射背景单元12为钢板或陶瓷板。

本发明的工作原理如下：

轧钢加热炉10内高温CO和CO₂气体检测系统主要基于FTIR技术，当轧钢炉内待测气体与辐射背景之间存在温度差时，傅里叶变换红外光谱仪能够检测到待测气体的发射或吸收红外光谱，通过对轧钢加热炉10内高温CO和CO₂气体的“指纹”特征光谱的测量与分析，实现炉内CO和CO₂气体的定量快速在线监测。

傅里叶变换红外光谱本质上是气体的红外“指纹”特征谱，对其目标组分进行定量分析的理论基础是Lambert-Beer定律。但实际上，使用FTIR技术进行光谱测量时不能忽略非线性偏离Beer定律的情况，本发明采用不依靠隐含非线性Beer定律的非线性最小二乘分析方法对高温炉内CO和CO₂气体进行浓度反演。

对于测量光谱I_m，假定它不仅非线性地依赖于各吸收组分的浓度{c}，同时还非线性的依赖于温度、压力等环境参量和分辨率R、切趾函数δ以及光源入射角θ等仪器参数，其数学表达式为：

$I_m(\mathrm{\ν}:R,\mathrm{\δ},\mathrm{\θ},\{c\},\{k\left\}\right)=I_0(\mathrm{\ν},\{k\left\}\right)\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\mathrm{\τ}(\mathrm{\ν}-x:\{c\left\}\right)f(x:R,\mathrm{\δ},\mathrm{\θ})dx---\left(1\right)$

为了求得待定参数即待测组分的浓度，需要输入初始参数进行迭代，直至优值函数减少到最小，定义优值函数为：

${\mathrm{\χ}}^2(R,\mathrm{\δ},\{c\},\{a\left\}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\[I_d\left({\mathrm{\ν}}_n\right)-I_m(\mathrm{\ν}:R,\mathrm{\δ},\{c\},\{a\left\}\right)\]}^2---\left(2\right)$

按照上述数学分析，输入待测组分初始浓度值，将校准光谱与实测光谱进行多次迭代运算，直至优值函数最小为止。

该系统基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术，结合先进的光机设计、高温气体吸收光谱解析技术、计算机软硬件技术，具有测量精度高、可靠性好、响应速度快、非接触式在线监测、寿命长等诸多优势，可以满足轧钢加热炉内高温CO、CO₂气体非接触式、在线检测的需求，为炉内燃料配比，提高燃烧效率提供可靠的数据保证。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：包括光谱仪(11)和辐射背景单元(12)；加热炉(10)的炉壁上开设有第一通光窗口(14)，所述第一通光窗口(14)外侧设有光学导入装置，光学导入装置与第一通光窗口(14)之间设有透红外波段耐高温材料制成的窗片(181)，光学导入装置的外端与光谱仪(11)相连，加热炉(10)内出射的平行红外辐射信号经光学导入装置汇聚后入射到光谱仪(11)内；所述辐射背景单元(12)由耐高温材料制成，辐射背景单元(12)安装在第一通光窗口(14)的对侧炉壁上，并与第一通光窗口(14)正对设置。

2.根据权利要去1所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述辐射背景单元(12)所在侧的炉壁上还设有用于对辐射背景单元(12)进行降温的冷却装置。

3.根据权利要求1所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述窗片(181)内侧即靠近炉膛的一侧和辐射背景单元(12)内侧均设有吹扫单元，所述吹扫单元包括设置于窗片(181)内侧和辐射背景单元(12)内侧的气体喷嘴(20a、20b)，所述气体喷嘴(20a、20b)与气源相连。

4.根据权利要求1所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述光学导入装置包括抛物面主镜(131)、双曲面副镜(132)以及镜筒(13)，所述双曲面副镜(132)与第一通光窗口(14)正对设置，所述抛物面主镜(131)背对第一通光窗口(14)设置，所述双曲面副镜(132)的中心设有通光孔(133)，加热炉(10)内出射的平行红外辐射信号首先入射到双曲面副镜(132)上，然后经双曲面副镜(132)反射到抛物面主镜(131)，再由抛物面主镜(131)反射进入通光孔(133)，最后进入光谱仪(11)内。

5.根据权利要求1所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述第一通光窗口(14)对侧的炉壁上设有第二通光窗口(15)，第二通光窗口(15)外侧设有罩盖(16)，所述罩盖(16)通过法兰和螺栓与加热炉(10)外壁固接，所述辐射背景单元(12)安装在罩盖(16)内，所述辐射背景单元(12)侧的气体喷嘴(20b)安装在罩盖(16)侧壁上，所述罩盖(16)外壁上设有冷却水套(17)。

6.根据权利要求4所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述光学导入装置的镜筒(13)与第一通光窗口(14)之间设有短管(18)，所述短管(18)两端通过法兰与镜筒(13)和加热炉(10)外壁固接，所述窗片(181)安装在短管(18)内，所述窗片(181)侧的气体喷嘴(20a)安装在短管(18)的管壁上。

7.根据权利要去3所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述气体喷嘴(20a、20b)与气源之间的管路上设有流量控制阀(21)、过滤器(22)和流量计(23)。

8.根据权利要求1所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述辐射背景单元(12)为钢板或陶瓷板。

9.根据权利要求3所述的轧钢加热炉内CO₂和CO气体检测装置，其特征在于：所述气源为氮气或空气。