CN113252649B - 基于化学发光的NOx排放预测方法 - Google Patents

基于化学发光的NOx排放预测方法 Download PDF

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Abstract

基于化学发光的NOx排放预测方法，先搭建由燃烧器、滤光片和ICCD相机构成的测试装置，在ICCD相机的镜头前加装CH*激发态粒子对应波段的滤波片，ICCD相机透过滤波片对碳氢化合物‑空气预混气体燃烧生成的火焰进行拍摄，得到CH*化学发光图像及CH*化学发光总强度。然后在燃烧器上加装燃烧筒，使得火焰在燃烧筒内燃烧，燃烧筒的出口处安装有烟气分析仪，通过烟气分析仪对燃烧筒内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量，将测量得到的NOx数据统一转化为15%氧气条件下NOx的摩尔分数后与CH*化学发光总强度进行拟合，即可得到基于CH*化学发光的NOx排放预测公式，对NOx排放进行预测。

Description

基于化学发光的NOx排放预测方法
技术领域
本发明涉及燃烧污染物的测量领域，特别涉及一种基于化学发光的NOx排放预测方法。
背景技术
燃烧产生的污染物排放对环境的影响越来越大，日益受到人们的重视。以航空发动机为例，为了降低对环境的影响，国际民航组织（ICAO）的航空环境保护委员会（CAEP）从1986年开始制定了名为CAEP/1~CAEP/11的一系列排放标准，其中对NOx排放量的限制日趋严格，而对其他污染物的限制没有变化。这是由于NOx对环境的危害最大且日益突出，另外相较于其他污染物，其控制也最为困难。
在燃烧过程中，NOx排放主要受自由基浓度和燃烧温度两个因素影响。自由基提供产生NOx的必要反应物，而燃烧温度则控制生成NOx的反应速率，且温度越高，生成速率越快。而燃烧中的化学发光，来自于关键化学反应中产生的激发态自由基的辐射跃迁，与放热率息息相关。换言之，化学发光与自由基、燃烧温度直接关联，而自由基和燃烧温度又是NOx生成的决定性因素。因此，化学发光与NOx之间必然存在本质上的联系。
然而，目前还没有利用化学发光对NOx排放进行预测的相关方法公开，是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于化学发光的NOx排放预测方法。本发明利用化学发光对NOx排放进行预测，只需要相机及其配件即可完成，具有高效率、低成本、操作方便的显著优势。
为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：
基于化学发光的NOx排放预测方法，包括以下步骤：
第一步，搭建第一测试装置；
第一测试装置包括供气系统、燃烧器、Edmund 65198滤光片和ICCD相机，供气系统为燃烧器提供碳氢化合物-空气预混气体，碳氢化合物-空气预混气体在燃烧器的炉盘上由火花塞引燃；ICCD相机设置在燃烧器的炉盘一侧，且在ICCD相机的镜头前加装CH*激发态粒子对应波段的滤波片，ICCD相机透过滤波片对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的火焰进行拍摄，得到碳氢化合物-空气燃烧时产生的CH*化学发光图像；
第二步，利用第一测试装置，由火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体，控制ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的n组工况下的火焰进行拍摄，每组工况得到m幅CH*化学发光图像，基于每组工况得到的CH*化学发光图像得到每组工况对应的CH*化学发光总强度，即n个CH*化学发光总强度；
第三步，在第一测试装置的基础上搭建第二测试装置，在第一测试装置中的燃烧器上加装燃烧筒，使得火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体产生的火焰在燃烧筒内燃烧，燃烧筒的出口处安装有烟气分析仪，通过烟气分析仪对燃烧筒内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量；
第四步，利用第二测试装置，由火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体，采用与第二步相同的n组工况，控制烟气分析仪对尾气中的NOx数据进行测量，将测量得到的n组工况各自对应的NOx数据统一转化为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数；
第五步，将第四步得到的n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数与第二步得到的n个CH*化学发光总强度进行线性拟合，得到基于CH*化学发光的NOx排放量的预测公式，实现对NOx排放的预测。
进一步地，本发明第一测试装置还包括计算机，计算机与ICCD相机连接，控制ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的火焰进行拍摄。第二测试装置还包括计算机，计算机与烟气分析仪连接，控制烟气分析仪对燃烧筒内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量。
进一步地，本发明中的碳氢化合物-空气预混气体是指甲烷-空气预混气体。
进一步地，本发明第一测试装置中的滤波片为中心波长为430 nm的Edmund 65198滤光片。
进一步地，本发明中的燃烧器采用旋流预混双级燃烧器。第二步中，ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的旋流火焰进行拍摄。
进一步地，本发明中的烟气分析仪采用德图350烟气分析仪。
进一步地，本发明第二步中，基于CH*化学发光图像得到CH*化学发光总强度的方法是：利用ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的n组工况下的火焰进行拍摄，每组工况得到m幅CH*化学发光图像；在Matlab软件中，利用mean函数对每组工况对应的m幅CH*化学发光图像分别进行平均，得到平均的CH*化学发光图像；再利用iradon函数，对平均的CH*化学发光图像进行逆变换，转化为CH*化学发光图像的径向分布；最后，利用sum函数，对CH*化学发光图像的径向分布逐像素进行相加，即得到n个CH*化学发光总强度。
进一步地，本发明第四步中利用下式将测量得到的n组NOx数据统一转化为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数：
Figure 746925DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 94730DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 35004DEST_PATH_IMAGE003
分别是通过烟气分析仪测量得到的NOx和O2的摩尔分数，而
Figure 823969DEST_PATH_IMAGE004
是15%氧气条件下NOx的摩尔分数。
进一步地，本发明第五步中对15%氧气条件下NOx的摩尔分数与CH*化学发光总强度通过Matlab的曲线拟合工具箱进行线性拟合，拟合函数选择polynomial函数，多项式次数选择1，得到基于CH*化学发光的NOx排放量的预测公式为：
Figure 854414DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 564881DEST_PATH_IMAGE006
为第二步得到的CH*化学发光总强度，
Figure 105584DEST_PATH_IMAGE007
为基于CH*化学发光的NOx排放量的预测值。
拟合的判定系数R2越接近1，代表拟合优度越高。其计算公式为：
Figure 76951DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 880959DEST_PATH_IMAGE009
为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数的平均值。上述拟合的R2为0.994，表明拟合优度很高，可以实现对NOx排放量的准确预测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明给出的基于化学发光的NOx排放预测方法，成本低廉、操作便捷，只需要通过ICCD相机和配套滤光片采集火焰的CH*发光图像即可完成，化学发光的拍摄具有实时高效的优点，可实现对NOx排放的在线测量。
本发明克服了尾气分析系统笨重昂贵、占地空间大的缺点。
本发明给出的基于化学发光的NOx排放预测方法，适用范围广泛，无论是航空发动机、船用发动机，还是地面燃气轮机，只要是需要测量燃烧NOx排放的地方，都可以采用本发明提供的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一实施例中整个测试装置的组成示意图；
图2是本发明一实施例中15%氧气条件下NOx的摩尔分数与CH*化学发光总强度进行线性拟合的示意图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步的说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本实施例提供一种基于化学发光的NOx排放预测方法，包括以下步骤：
第一步，搭建第一测试装置。
参照图1，本实施例中整个测试装置的组成，包括供气系统（图中未示出）、旋流预混双级燃烧器1、燃烧筒2、ICCD相机3、Edmund 65198滤光片4、德图350烟气分析仪5以及计算机6。
其中第一测试装置包括供气系统、旋流预混双级燃烧器1、ICCD相机3、Edmund65198滤光片4以及计算机6。
供气系统为旋流预混双级燃烧器1提供碳氢化合物-空气预混气体，本实施例中碳氢化合物-空气预混气体为甲烷-空气预混气体。甲烷-空气预混气体在预混双级燃烧器1的炉盘上由火花塞引燃；ICCD相机3设置在预混双级燃烧器1的炉盘一侧，固定ICCD相机3与旋流预混双级燃烧器1的相对位置，ICCD相机镜头对准旋流预混双级燃烧器1生成的旋流预混火焰。在ICCD相机3的镜头前加装Edmund 65198滤光片4，ICCD相机镜头透过Edmund 65198滤光片4对旋流预混火焰的CH*化学发光进行拍摄，得到CH*化学发光图像。ICCD相机3与计算机6相连，所述计算机6控制ICCD相机3进行拍摄，ICCD相机3拍摄到的图像传输给计算机6，由计算机6对图像进行处理。
第二步，利用第一测试装置，由火花塞点火引燃甲烷-空气预混气体，产生在开放条件下燃烧的甲烷-空气预混旋流火焰，计算机6控制ICCD相机3对甲烷-空气预混气体燃烧生成的n组工况下的火焰进行拍摄，每组工况得到m幅CH*化学发光图像，ICCD相机3将拍摄到的CH*化学发光图像传回计算机6中进行处理。在Matlab软件中，利用mean函数对每组工况对应的m幅CH*化学发光图像分别进行平均，得到平均的CH*化学发光图像；再利用iradon函数，对平均的CH*化学发光图像进行逆变换，转化为CH*化学发光图像的径向分布；最后，利用sum函数，对CH*化学发光图像的径向分布逐像素进行相加，即得到n个CH*化学发光总强度。
第三步，在第一测试装置的基础上搭建第二测试装置，在第一测试装置中的旋流预混双级燃烧器1上加装燃烧筒2，使得火花塞点火引燃甲烷-空气预混气体产生的火焰在燃烧筒2内燃烧，燃烧筒2的出口处安装有德图350烟气分析仪5，德图350烟气分析仪5与计算机6相连，所述计算机6控制德图350烟气分析仪5在燃烧筒2的出口处对燃烧筒2内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量，德图350烟气分析仪5测量得到的数据传输给计算机6，由计算机6对数据进行处理。第四步，利用第二测试装置，由火花塞点火引燃甲烷-空气预混气体，采用与第二步相同的n组工况，计算机6控制烟气分析仪对尾气中的NOx数据进行测量，测量数据储存在计算机6中。将测量得到的n组工况各自对应的NOx数据统一转化为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数，转化公式为：
Figure 954089DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 298482DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 999722DEST_PATH_IMAGE012
分别是通过烟气分析仪测量得到的NOx和O2的摩尔分数，而
Figure 364844DEST_PATH_IMAGE013
是15%氧气条件下NOx的摩尔分数。
第五步，将第四步得到的n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数与第二步得到的n个CH*化学发光总强度通过Matlab的曲线拟合工具箱进行线性拟合，拟合函数选择polynomial函数，多项式次数选择1，得到基于CH*化学发光的NOx排放量的预测公式为：
Figure 581062DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 666830DEST_PATH_IMAGE015
为第二步得到的CH*化学发光总强度，
Figure 580166DEST_PATH_IMAGE016
为基于CH*化学发光的NOx排放量的预测值。
拟合的判定系数R2越接近1，代表拟合优度越高,其计算公式为：
Figure 116189DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 288544DEST_PATH_IMAGE018
为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数的平均值。上述拟合的R2为0.994，表明拟合优度很高，可以实现对NOx排放量的准确预测。参照图2，为本发明一实施例中15%氧气条件下NOx的摩尔分数与CH*化学发光总强度进行线性拟合的示意图。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，包括：
第一步，搭建第一测试装置；
第一测试装置包括供气系统、燃烧器、Edmund 65198滤光片和ICCD相机，供气系统为燃烧器提供碳氢化合物-空气预混气体，碳氢化合物-空气预混气体在燃烧器的炉盘上由火花塞引燃；ICCD相机设置在燃烧器的炉盘一侧，且在ICCD相机的镜头前加装所述Edmund65198滤光片，ICCD相机透过Edmund 65198滤光片对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的火焰进行拍摄，得到碳氢化合物-空气燃烧时产生的CH*化学发光图像；
第二步，利用第一测试装置，由火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体，控制ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的n组工况下的火焰进行拍摄，每组工况得到m幅CH*化学发光图像，基于每组工况得到的CH*化学发光图像得到每组工况对应的CH*化学发光总强度，即n个CH*化学发光总强度，其中基于每组工况得到的CH*化学发光图像得到每组工况对应的CH*化学发光总强度，方法如下：
在Matlab软件中，利用mean函数对每组工况对应的m幅CH*化学发光图像分别进行平均，得到平均的CH*化学发光图像；
再利用iradon函数，对平均的CH*化学发光图像进行逆变换，转化为CH*化学发光图像的径向分布；
最后，利用sum函数，对CH*化学发光图像的径向分布逐像素进行相加，即得到n个CH*化学发光总强度；
第三步，在第一测试装置的基础上搭建第二测试装置，在第一测试装置中的燃烧器上加装燃烧筒，使得火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体产生的火焰在燃烧筒内燃烧，燃烧筒的出口处安装有烟气分析仪，通过烟气分析仪对燃烧筒内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量；
第四步，利用第二测试装置，由火花塞点火引燃碳氢化合物-空气预混气体，采用与第二步相同的n组工况，控制烟气分析仪对尾气中的NOx数据进行测量，将测量得到的n组工况各自对应的NOx数据统一转化为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数；
第五步，将第四步得到的n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数与第二步得到的n个CH*化学发光总强度进行线性拟合，得到基于CH*化学发光的NOx排放量的预测公式，实现对NOx排放的预测。
2.根据权利要求1所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，第一测试装置还包括计算机，计算机与ICCD相机连接，控制ICCD相机对碳氢化合物-空气预混气体燃烧生成的火焰进行拍摄。
3.根据权利要求2所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，第二测试装置中计算机与烟气分析仪连接，控制烟气分析仪对燃烧筒内燃烧所产生尾气中的NOx数据进行测量。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，碳氢化合物-空气预混气体为甲烷-空气预混气体。
5.根据权利要求4所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，第一测试装置中的Edmund 65198滤光片为中心波长为430 nm的Edmund 65198滤光片。
6.根据权利要求5所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，所述燃烧器为旋流预混双级燃烧器。
7.根据权利要求4所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，烟气分析仪采用德图350烟气分析仪。
8.根据权利要求1所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，第四步中利用下式将测量得到的n组NOx数据统一转化为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数：
Figure 167680DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 950828DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 585072DEST_PATH_IMAGE003
分别是通过烟气分析仪测量得到的NOx和O2的摩尔分数，
Figure 885603DEST_PATH_IMAGE004
是15%氧气条件下NOx的摩尔分数。
9.根据权利要求1所述的基于化学发光的NOx排放预测方法，其特征在于，第五步中对15%氧气条件下NOx的摩尔分数与CH*化学发光总强度通过Matlab的曲线拟合工具箱进行线性拟合，拟合函数选择polynomial函数，多项式次数选择1，得到基于CH*化学发光的NOx排放量的预测公式为：
Figure 921693DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 141321DEST_PATH_IMAGE006
为第二步得到的CH*化学发光总强度，
Figure 262861DEST_PATH_IMAGE007
为基于CH*化学发光的NOx排放量的预测值；
拟合的判定系数R2越接近1，代表拟合优度越高，其计算公式为：
Figure 101504DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 848225DEST_PATH_IMAGE009
为n个15%氧气条件下NOx的摩尔分数的平均值。
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