CN112394014A - 实时烟气氨逃逸浓度监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置及方法。该装置可以包括信号发生组件、第一光纤耦合器、烟气取样组件、气体吸收池、第二光纤耦合组件、数据处理设备：信号发生组件连接第一光纤耦合器，向第一光纤耦合器发出光信号；烟气取样组件将烟气传送至气体吸收池；第一光纤耦合器将光信号进行分光处理，分别发送至气体吸收池与第二光纤耦合组件；数据处理设备接收气体吸收池与第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理。本发明采用烟气取样组件，具有工作稳定性强、测量响应时间短的优点，通过不等臂结构的光纤延时自外差测量方案，能够显著提高低浓度测量精确度，并获得较低的检测下限。
Description
技术领域
本发明涉及工业烟气脱硝技术优化控制领域，更具体地，涉及一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置及方法。
背景技术
工业烟气脱硝过程中氨逃逸是固定污染源氨排放主要来源。近年来，随着氮氧化物排放控制标准日益提高，选择性催化还原(SCR)脱硝技术在火电机组中被广泛采用。将氨喷入烟气中，NH3作为重要还原剂能够将氮氧化物NOX还原为N2，然而脱硝过程中氨逃逸会导致环境污染及设备损坏。在过去二十年间，中国已经成为世界上最大的氨排放国家。NH3的危害主要有以下几点：(1)NH3直接排放到大气中，会造成环境污染，尤其会加速大气中雾霾颗粒物形成；(2)对火电机组而言，在SCR反应过程中，NH3会与烟气中SO3和H2O反应生成具有高粘性和腐蚀性的硫酸氢氨NH4HSO4，影响脱硝系统的脱硝效率，引起空气预热器腐蚀和堵塞，对火电机组安全运行带来严重威胁。(3)逃逸氨还会腐蚀催化剂模块，造成催化剂失活和堵塞，大大减少催化剂使用寿命。为了能够在保证脱硝效率的基础上实现精细喷氨，减少氨排放带来的环境污染，保障火电机组安全经济运行，研制高分辨率、高灵敏度和低检测限的在线NH3气体在线监测设备十分迫切。
可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是近年发展起来的、先进的、非接触式的气体在线检测技术，其采用带宽极窄的激光扫描待测气体分子的吸收谱线，然后通过分析被气体分子吸收后的激光强度得到待测气体的温度和浓度。目前，基于TDLAS技术进行痕量气体检测的常用方法主要有直接吸收法和波长调制法。直接测量技术在痕量气体浓度测量时，光强的变化非常小，很容易淹没在噪声当中，导致测量结果误差很大。
因此，有必要开发一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置及方法。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置及方法，其采用抽取式测量装置，解决了由于烟气管道形变、抖动造成的监测仪表的发射单元与接收单元的光路偏离中心位置而影响仪表正常工作的问题，具有工作稳定性强、测量响应时间短的优点，通过不等臂结构的光纤延时自外差测量方案，在实现基于波长调制技术对气体浓度测量的同时，能够显著提高低浓度测量精确度，并获得较低的检测下限。
根据本发明的一方面，提出了一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其特征在于，包括信号发生组件、第一光纤耦合器、烟气取样组件、气体吸收池、第二光纤耦合组件、数据处理设备：
所述信号发生组件连接所述第一光纤耦合器，向所述第一光纤耦合器发出光信号；
烟气取样组件将烟气传送至所述气体吸收池；
所述第一光纤耦合器将所述光信号进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件；
所述数据处理设备接收所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理。
优选地，信号发生组件包括信号发生器、激光控制器、量子级联激光器：
所述信号发生器产生周期性信号用以驱动所述量子级联激光器；
激光控制器控制调节所述量子级联激光器的温度和电流，用来控制所述量子级联激光器输出中远红外波长在待测气体分子特征吸收谱线中心频率进行扫描。
优选地，烟气取样组件包括取样探杆、过滤网、脱水除尘处理装置与反吹灰系统。
优选地，所述第一光纤耦合器将所述光信号按照分光比为50:50进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件。
优选地，所述第二光纤耦合组件包括第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、长臂光纤与短臂光纤：
光信号进入所述第二光纤耦合器后按照分光比为50:50进行分光处理，分别经过所述长臂光纤延时与所述短臂光纤后送入所述第三光纤耦合器发生干涉。
根据本发明的另一方面，提出了一种实时烟气氨逃逸浓度监测方法。所述方法可以包括：
通过烟气取样，将烟气传送至气体吸收池；
针对光信号进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与第二光纤耦合组件；
所述光信号在所述第二光纤耦合组件中，通过不等臂结构进行光纤延时自外差测量；
将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理，确定烟气氨逃逸浓度。
优选地，将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理包括：
记录光纤延时自外差系统的干涉图；
通过光纤延时自外差系统的干涉图，计算动态波长与动态线宽；
计算拍频信号功率谱密度函数的线宽，获得激光器输出光波的线宽值；
根据激光器输出光波的线宽值，确定二次谐波幅值信号，进而确定烟气氨逃逸浓度。
优选地，通过公式(1)计算动态波长：
其中，λ1、λ2分别表示在调谐过程中的某一瞬时长臂与短臂输出波长值，c为真空中光速，Δζ(t)为任意时刻t的拍频，α为使用QCL激光器进行实验过程的修正系数。
优选地，通过公式(2)计算动态线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，β为动态线宽的修正系数。
优选地，通过公式(3)计算拍频信号功率谱密度函数的线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，γ为实验修正系数。
本发明的有益效果在于：
(1)中远红外量子级联激光器是一种基于半导体耦合量子阱子带间电子跃迁辐射发光的单极型光源，输出功率较大，作为传感光源具有信噪比高的优势。且NH3在中远红外吸收强度相对较高，可以大幅度提高TDLAS系统NH3浓度测量精度。
(2)采用抽取式烟气取样组件，解决了由于烟气管道形变、抖动造成的监测仪表的发射单元与接收单元的光路偏离中心位置而影响仪表正常工作的问题，具有工作稳定性强、测量响应时间短、不易产生冷凝水、内部保洁度高、可在线进行标定、透光强度稳定和测点选择灵活等优点。
(3)建立一种激光器高频动态调谐特性数字模型，采用不等臂结构的光纤延时自外差(FDSHI)测量方案，实现QCL激光器动态调谐特性的测量。在实现基于波长调制技术对气体浓度测量的同时，能够显著提高低浓度测量精确度，并获得较低的检测下限。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置的框图。
图2示出了根据本发明的实时烟气氨逃逸浓度监测方法的步骤的流程图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的光纤延时自外差法光波干涉的示意图。
附图标号说明：
1、信号发生器；2、激光控制器；3、量子级联激光器；4、第一光纤耦合器；5、烟气取样组件；5-1、取样探杆；5-2、过滤网；5-3、脱水除尘处理装置；5-4、反吹灰系统；6、气体吸收池；7、第二光纤耦合器；8、第三光纤耦合器；9、长臂光纤；10、短臂光纤；11、数据处理设备。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置，包括信号发生组件、第一光纤耦合器、烟气取样组件、气体吸收池、第二光纤耦合组件、数据处理设备：
信号发生组件连接第一光纤耦合器，向第一光纤耦合器发出光信号；
烟气取样组件将烟气传送至气体吸收池；
第一光纤耦合器将光信号进行分光处理，分别发送至气体吸收池与第二光纤耦合组件；
数据处理设备接收气体吸收池与第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理。
在一个示例中，信号发生组件包括信号发生器、激光控制器、量子级联激光器：
信号发生器产生周期性信号用以驱动量子级联激光器；
激光控制器控制调节量子级联激光器的温度和电流，用来控制量子级联激光器输出中远红外波长在待测气体分子特征吸收谱线中心频率进行扫描。
在一个示例中，烟气取样组件包括取样探杆、过滤网、脱水除尘处理装置与反吹灰系统。
在一个示例中，第一光纤耦合器将光信号按照分光比为50:50进行分光处理，分别发送至气体吸收池与第二光纤耦合组件。
在一个示例中，第二光纤耦合组件包括第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、长臂光纤与短臂光纤：
光信号进入第二光纤耦合器后按照分光比为50:50进行分光处理，分别经过长臂光纤延时与短臂光纤后送入第三光纤耦合器发生干涉。
具体地，实时烟气氨逃逸浓度监测装置包括信号发生组件、第一光纤耦合器、烟气取样组件、具有Herriott长光程的气体吸收池、第二光纤耦合组件、数据处理设备。
信号发生组件连接第一光纤耦合器，向第一光纤耦合器发出光信号；信号发生组件包括信号发生器、激光控制器、量子级联激光器：信号发生器产生周期性信号用以驱动量子级联激光器；激光控制器控制调节量子级联激光器的温度和电流，用来控制量子级联激光器输出中远红外波长在待测气体分子特征吸收谱线中心频率进行扫描。量子级联激光器辐射中远红外波段激光，与近红外吸收光谱相比，气体分子在中红外波段(4-10μm)吸收强度要大得多
烟气取样组件将烟气传送至气体吸收池；烟气取样组件包括取样探杆、过滤网、脱水除尘处理装置与反吹灰系统。气体吸收池由防震底座、池体、凹面反射镜、平面反射镜、窗片、标准光纤接头、气体进出口、加热带、温度传感器和压力传感器等组成。
第一光纤耦合器将光信号按照分光比为50:50进行分光处理，分别发送至气体吸收池与第二光纤耦合组件；第二光纤耦合组件包括第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、长臂光纤与短臂光纤：光信号进入第二光纤耦合器后按照分光比为50:50进行分光处理，分别经过长臂光纤延时与短臂光纤后送入第三光纤耦合器发生干涉。采用不等臂结构产生差频信号，长臂光纤选用3km单模光纤做延时，相比传统外差系统，减少了声光调制器(AOM)，而使得光路系统更加简单。光纤延迟时间τd满足两个条件：一是大于激光的相干时间τc；二是大于注入电流的调谐周期TI。
数据处理设备接收气体吸收池与第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理，数据处理设备包括放大电路、锁相电路、显示电路及任意能够进行数据计算处理的电路。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
实施例1
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置的框图。
如图1所示，该实时烟气氨逃逸浓度监测装置，包括信号发生组件、第一光纤耦合器4、烟气取样组件5、具有Herriott长光程的气体吸收池6、第二光纤耦合组件、数据处理设备11。
信号发生组件连接第一光纤耦合器4，向第一光纤耦合器4发出光信号；信号发生组件包括信号发生器1、激光控制器2、量子级联激光器3：信号发生器1产生周期性信号用以驱动量子级联激光器3；激光控制器2控制调节量子级联激光器3的温度和电流，用来控制量子级联激光器3输出中远红外波长在待测气体分子特征吸收谱线中心频率进行扫描。量子级联激光器3辐射中远红外波段激光，与近红外吸收光谱相比，气体分子在中红外波段(4-10μm)吸收强度要大得多。
烟气取样组件5将烟气传送至气体吸收池6；烟气取样组件5包括取样探杆5-1、过滤网5-2、脱水除尘处理装置5-3与反吹灰系统5-4：采用SP-34H型号烟气采样探杆，主气路采用钛合金，SS316Ti不锈钢以及特氟龙，有效减少被测气体吸附。配置一个过滤网5-2和一个数字温控仪，可实现采样管路设置恒温加热。取样探杆5-1采用2米长度，实现取样探杆5-1、过滤网5-3一体化设计，具有结构紧凑，体积小的特点。
脱水除尘处理装置5-3包括制冷介质容器、烟气管、半导体制冷装置、冷凝水槽。将半导体制冷装置附设在制冷介质容器壁上，烟气管置于制冷介质容器内，制冷介质容器内的制冷介质为防冻液。
反吹灰系统5-4包括尘气进口管，滤袋，反吹控制阀，反吹风管，净气出口气控阀，排烟机，烟囱，以及净气出口管。烟尘经尘气进口管进入，通过反吹控制阀，控制经过滤袋，经过反吹风管，由净气出口管排出。烟尘由排烟机经烟囱排出。
气体吸收池6由防震底座、池体、凹面反射镜、平面反射镜、窗片、标准光纤接头、气体进出口、加热带、温度传感器和压力传感器等组成。
第一光纤耦合器4将光信号按照分光比为50:50进行分光处理，分别发送至气体吸收池6与第二光纤耦合组件；第二光纤耦合组件包括第二光纤耦合器7、第三光纤耦合器8、长臂光纤9与短臂光纤10：光信号进入第二光纤耦合器7后按照分光比为50:50进行分光处理，分别经过长臂光纤9延时与短臂光纤10后送入第三光纤耦合器8发生干涉。采用不等臂结构产生差频信号，长臂光纤9选用3km单模光纤做延时，相比传统外差系统，减少了声光调制器(AOM)，而使得光路系统更加简单。光纤延迟时间τd满足两个条件：一是大于激光的相干时间τc；二是大于注入电流的调谐周期TI。
数据处理设备11接收气体吸收池6与第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理，数据处理设备11包括放大电路、锁相电路、显示电路及任意能够进行数据计算处理的电路。
图2示出了根据本发明的实时烟气氨逃逸浓度监测方法的步骤的流程图。
在该实施例中，根据本发明的实时烟气氨逃逸浓度监测方法可以包括：步骤101，通过烟气取样，将烟气传送至气体吸收池；步骤102，针对光信号进行分光处理，分别发送至气体吸收池与第二光纤耦合组件；步骤103，光信号在第二光纤耦合组件中，通过不等臂结构进行光纤延时自外差测量；以及步骤104，将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理，确定烟气氨逃逸浓度。
在一个示例中，将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理包括：
记录光纤延时自外差系统的干涉图；
通过光纤延时自外差系统的干涉图，计算动态波长与动态线宽，因过程选用QCL种类激光器进行实验，因此在动态波长及动态线宽的计算过程中分别加入修正系数α及β，以达到修正实验结果，提高测量灵敏度的作用；
计算拍频信号功率谱密度函数的线宽，获得激光器输出光波的线宽值，因过程选用QCL种类激光器进行实验，因此在拍频信号功率谱密度函数的线宽计算过程中加入修正系数γ，以达到修正实验结果，提高测量灵敏度的作用；
根据激光器输出光波的线宽值，确定二次谐波幅值信号，进而确定烟气氨逃逸浓度。
在一个示例中，通过公式(1)计算动态波长：
其中，λ1、λ2分别表示在调谐过程中的某一瞬时长臂与短臂输出波长值，c为真空中光速，Δζ(t)为任意时刻t的拍频，α为使用QCL激光器进行实验过程的修正系数。
在一个示例中，通过公式(2)计算动态线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，β为动态线宽的修正系数。
在一个示例中，通过公式(3)计算拍频信号功率谱密度函数的线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，γ为实验修正系数。
图3示出了根据本发明的一个实施例的光纤延时自外差法光波干涉的示意图。
具体地，记录光纤延时自外差系统的干涉示意图，如图3所示。其中虚线表示图1中产生的长臂光纤输出光，实线表示图1中产生的短臂光纤输出光。二者在t0-t1时间段内发生干涉。
图3中，各个时间含义为：
t0表示长臂光纤输出光波1与短臂光纤输出波2同时到达检测器，拍频达到稳定值；t1表示短臂光纤输出光波停止调谐，对应于电流调谐锯齿波的下降沿；t2表示长臂光纤输出光波开始调谐，对应于电流调谐锯齿波的上升沿；λ1、λ2分别表示在调谐过程中的某一瞬时长臂光纤与短臂光纤输出波长值，即能发生干涉的波长差。
在时间间隔(t1～t2)内，来自于长臂光纤的光波尚处于调谐的上升沿中，而来自于短臂光纤的光波已经处于下一个调谐周期的上升沿，为干涉杂乱区；只有在时间间隔(t0～t1)内，长臂光纤输出光波1与短臂光纤输出光波2产生干涉而出现稳定的拍频信号，可以通过测量任意t时刻二者的拍频谱得到激光器调谐过程中的动态波长值和动态线宽值。
由图3可见，在任意t时刻发生干涉的拍频为：
式中，c为真空中光速，Δζ(t)为任意时刻的拍频，由于电流调谐过程中存在非线性，所以拍频随时间不断变化(实际是拍频随注入电流增大而逐渐变小)。所以，二极管激光器输出瞬态波长值可以表示为公式(1)。
考虑到电流调谐的非线性，可见，由光纤延时自外差系统差拍信号的拍频值，结合调谐初始时刻波长值，根据上式可以递推得到任意t时刻的动态波长值。
当激光器注入电流超过一定值以后，动态单模半导体激光器达到受激状态时的输出光波，一般用一个振幅稳定而相位随机扰动的准单色模型表示：
E(t)＝E0expj[ω0t+φ(t)] (5)
其中，E0为激光器输出光波的振幅，ω0为光波中心角频率(腔谐振频率)，φ(t)表示相位的随机扰动，它导致谱线加宽。可以证明，二极管激光器的输出谱线为Lorenzian线型，其光功率谱密度函数可表示为：
其中，τc为激光器光波的相干时间，可见，二极管激光器的功率谱密度曲线呈Lorenzian线型分布，其光功率在角频率ω＝ω0处达到最大值，并随着频率的增大而逐渐衰减。根据频率、角频率及相干时间的换算关系，可得激光器输出光谱线的半高全宽(FWHM)即线宽为公式(2)。
进一步推导出检测器接收到的差拍信号光电流振幅为：
Es(t)＝E(t)+αE(t-τd)eiΩt (7)
其中，α表示两路光纤传输光的振幅之比，τd表示FDSHI系统光纤延迟时间，Ω表示差拍信号的拍频，由于检测器是平方率检测，所以得到拍频信号的光电流强度为：
检测器得到的差拍信号光电流的自相关函数为：
对上式光电流的自相关函数求Fourier变换，可知随着τd的增加，拍频信号峰值函数形状逐渐转变为Lorentzian线型，当τd＞＞τc(一般取τd＞＞τc时完全转变为Lorentzian线型)，得到函数表达式：
此时，和光源光谱曲线相同，差拍信号的光电流功率谱密度曲线也为Lorentzian线型，且拍频信号功率谱密度函数的FWHM为公式(3)。
由公式(2)和公式(3)可知，延时自外差法测得的拍频信号功率谱密度曲线的半高全宽为激光器线宽的2倍，即可以通过测量拍频谱FWHM得到激光器输出光波的线宽。
拍频信号功率谱密度曲线的半高全宽为激光器线宽的2倍，从而得到激光器输出光波的线宽值Δν。根据线宽值、实验及经验值，确定调制系数m取2.2，根据公式(6)则可确定调制幅度a的数值：
在激光器低频扫描吸收谱线的基础上，再对激光器注入一个频率为ω的高频正弦调制信号，此时激光的瞬时频率为：
其中
为平均扫描频率，a为调制信号的幅度。
根据调制系数确定二次谐波幅值信号。在吸收率α(ν)<10％的弱吸收情况下，对Beer-Lambert定律进行一阶泰勒级数近似，结果如下：
根据公式(13)可得到二次谐波的示意图。
其中，
为吸收信号的各次谐波信号幅值，其表达式如下：
则有二次谐波幅值即将k＝2代入上式得H2。由于二次谐波信号的幅值与气体浓度成正比，利用这一关系，即可通过二次谐波信号的幅值与标定实验相结合得到待测气体浓度的绝对值。
为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出一个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
实施例2
将量子级联激光器中心频率调谐到10.3μm的频率波段，通过探测器对出射光谱进行光电转换，通过分析数据处理电路显示模块中NH3气体吸收特征谱线，利用波长调制法及2f/1f等TDLAS技术手段对NH3气体进行高精度分析。为了验证本装置和测量方法的准确性，同时采用国际标准办法对NH3浓度进行同步测量。
采用本发明装置和测量方法对某电厂脱硝出口处NH3浓度进行了测量，机组负荷维持在600MW。光学分析模块采用10.3μm量子级联激光器作为光源输出，穿过气室分别连接相应的光电探测器，气室中待测气体由烟囱中烟气经过滤、脱水、除尘等处理后得到。之后信号经探测器进行光电转换后由Labview程序进行处理。检测出该工况下，NH3平均浓度为20.27mg/Nm3。采用国际标准办法得到NH3浓度为20.35mg/Nm3。
采用本发明装置和测量方法对某电厂脱硝出口处NH3浓度进行了测量，机组负荷维持在400MW。光学分析模块采用10.5μm量子级联激光器作为光源输出，穿过气室分别连接相应的光电探测器，气室中待测气体由烟囱中烟气经过滤、脱水、除尘等处理后得到。之后信号经探测器进行光电转换后由Labview程序进行处理。检测出该工况下，NH3平均浓度为17.22mg/Nm3。采用国际标准办法得到NH3浓度为18.34mg/Nm3。
采用本发明装置和测量方法对某电厂脱硝出口处NH3浓度进行了测量，机组负荷维持在300MW。光学分析模块采用10.3μm量子级联激光器作为光源输出，穿过气室分别连接相应的光电探测器，气室中待测气体由烟囱中烟气经过滤、脱水、除尘等处理后得到。之后信号经探测器进行光电转换后由Labview程序进行处理。检测出该工况下，NH3平均浓度为12.97mg/Nm3。采用国际标准办法得到NH3浓度为11.01mg/Nm3。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其特征在于，包括信号发生组件、第一光纤耦合器、烟气取样组件、气体吸收池、第二光纤耦合组件、数据处理设备：
所述信号发生组件连接所述第一光纤耦合器，向所述第一光纤耦合器发出光信号；
烟气取样组件将烟气传送至所述气体吸收池；
所述第一光纤耦合器将所述光信号进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件；
所述数据处理设备接收所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件传送出的光信号进行计算处理。
2.根据权利要求1所述的实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其中，信号发生组件包括信号发生器、激光控制器、量子级联激光器：
所述信号发生器产生周期性信号用以驱动所述量子级联激光器；
激光控制器控制调节所述量子级联激光器的温度和电流，用来控制所述量子级联激光器输出中远红外波长在待测气体分子特征吸收谱线中心频率进行扫描。
3.根据权利要求1所述的实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其中，烟气取样组件包括取样探杆、过滤网、脱水除尘处理装置与反吹灰系统。
4.根据权利要求1所述的实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其中，所述第一光纤耦合器将所述光信号按照分光比为50:50进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与所述第二光纤耦合组件。
5.根据权利要求1所述的实时烟气氨逃逸浓度监测装置，其中，所述第二光纤耦合组件包括第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、长臂光纤与短臂光纤：
光信号进入所述第二光纤耦合器后按照分光比为50:50进行分光处理，分别经过所述长臂光纤延时与所述短臂光纤后送入所述第三光纤耦合器发生干涉。
6.一种实时烟气氨逃逸浓度监测方法，其特征在于，包括：
通过烟气取样，将烟气传送至气体吸收池；
针对光信号进行分光处理，分别发送至所述气体吸收池与第二光纤耦合组件；
所述光信号在所述第二光纤耦合组件中，通过不等臂结构进行光纤延时自外差测量；
将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理，确定烟气氨逃逸浓度。
7.根据权利要求6所述的实时烟气氨逃逸浓度监测方法，其中，将传送出的光信号通过数据处理设备进行计算处理包括：
记录光纤延时自外差系统的干涉图；
通过光纤延时自外差系统的干涉图，计算动态波长与动态线宽；
计算拍频信号功率谱密度函数的线宽，获得激光器输出光波的线宽值；
根据激光器输出光波的线宽值，确定二次谐波幅值信号，进而确定烟气氨逃逸浓度。
8.根据权利要求7所述的实时烟气氨逃逸浓度监测方法，其中，通过公式(1)计算动态波长：
其中，λ1、λ2分别表示在调谐过程中的某一瞬时长臂与短臂输出波长值，c为真空中光速，Δζ(t)为任意时刻t的拍频，α为使用QCL激光器进行实验过程的修正系数。
9.根据权利要求7所述的实时烟气氨逃逸浓度监测方法，其中，通过公式(2)计算动态线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，β为动态线宽的修正系数。
10.根据权利要求7所述的实时烟气氨逃逸浓度监测方法，其中，通过公式(3)计算拍频信号功率谱密度函数的线宽：
其中，τc为激光器光波的相干时间，γ为实验修正系数。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1648637A (zh) * | 2005-01-29 | 2005-08-03 | 山西大学 | 一种光纤气体传感器 |
| CN1952646A (zh) * | 2005-10-18 | 2007-04-25 | 北京理工大学 | 一种光纤气体浓度测量仪 |
| CN200979173Y (zh) * | 2006-10-10 | 2007-11-21 | 江南大学 | 烟气预处理装置 |
| CN201001995Y (zh) * | 2007-02-09 | 2008-01-09 | 山东十方新能源有限公司 | 填埋气脱水除尘装置 |
| JP2010266303A (ja) * | 2009-05-14 | 2010-11-25 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計 |
| CN104215606A (zh) * | 2014-09-18 | 2014-12-17 | 清华大学 | 基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率测量装置及方法 |
| CN108896510A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-11-27 | 华南理工大学 | 一种scr出口氨气浓度平面分布在线检测系统及方法 |
| CN109406438A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-03-01 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 |
| CN111829981A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-10-27 | 上海大学 | 一种基于tdlas的气体外差检测装置及检测方法 |
-
2020
- 2020-11-02 CN CN202011204649.7A patent/CN112394014A/zh active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1648637A (zh) * | 2005-01-29 | 2005-08-03 | 山西大学 | 一种光纤气体传感器 |
| CN1952646A (zh) * | 2005-10-18 | 2007-04-25 | 北京理工大学 | 一种光纤气体浓度测量仪 |
| CN200979173Y (zh) * | 2006-10-10 | 2007-11-21 | 江南大学 | 烟气预处理装置 |
| CN201001995Y (zh) * | 2007-02-09 | 2008-01-09 | 山东十方新能源有限公司 | 填埋气脱水除尘装置 |
| JP2010266303A (ja) * | 2009-05-14 | 2010-11-25 | Fuji Electric Systems Co Ltd | レーザ式ガス分析計 |
| CN104215606A (zh) * | 2014-09-18 | 2014-12-17 | 清华大学 | 基于波长调制光谱技术的脱硝氨逃逸率测量装置及方法 |
| CN108896510A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-11-27 | 华南理工大学 | 一种scr出口氨气浓度平面分布在线检测系统及方法 |
| CN109406438A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-03-01 | 宁波海尔欣光电科技有限公司 | 光源封装体和用于检测气体的浓度的系统 |
| CN111829981A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-10-27 | 上海大学 | 一种基于tdlas的气体外差检测装置及检测方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 刘景旺: "DFB激光器的调谐动态特性及测量方法研究", 《中国优秀博硕士论文全文数据库（博士）信息科技辑》 * |
| 王姝: "浅析锅(窑)炉烟气高湿度造成烟、粉尘测试结果偏低的解决措施", 《工业设计》 * |
| 王胤等: "基于量子级联激光的高精度在线烟气氨分析仪的性能测试研究", 《电力科技与环保》 * |
| 郭景晨: "激光抽取式氨逃逸在线监测设备在电厂脱硝系统上的应用", 《重庆电力高等专科学校学报》 * |
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