CN215866381U

CN215866381U - 一种基于tdlas的烟气中二氧化碳浓度测量系统

Info

Publication number: CN215866381U
Application number: CN202122114189.5U
Authority: CN
Inventors: 安航; 周贤; 彭烁
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2031-09-02

Abstract

本实用新型公开了一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，包括激光控制测量模块和数据分析模块，激光测量模块包括激光控制器、激光器、激光准直器和光电探测器，激光控制器用于控制激光器的温度和输入电流；激光器设置在激光控制器的下游，用于发射出激光；激光准直器设置在激光器的下游，用于使激光变为平行光；光电探测器设置在激光准直器的下游，用于将激光信号转化为电压信号或电流信号；数据分析模块包括数据采集卡和数据处理系统，数据采集卡用于采集电压信号或电流信号；数据处理系统用于处理采集卡采集的数据。本实用新型涉及的测量系统将TDLAS技术应用于火电厂烟气中二氧化碳浓度的测量，具有响应快、精度高、检测极限低的优点。

Description

一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统

技术领域

本实用新型属于碳排放监测技术领域，具体涉及一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统。

背景技术

全球气候问题越来越引起人们的高度关注，以低能耗、低排放、低污染为特征的“低碳经济”成为全球政治经济博弈的热点。我国电力供应主要以火电为主，这也决定了电力行业的二氧化碳排放量比较大。

近期，我国在推行实现“30/60”双碳目标方面不断推行新举措、新行动。2021年7月正式上线碳排放权交易市场。发电行业作为碳排放权交易市场首批启动行业，被列入重点排放单位的企业超过了2000家，这也对火电厂的二氧化碳排放监测提出了更高的要求。

燃煤、燃气电厂的二氧化碳排放监测主要采用排放因子法，此技术较为成熟、完善。但我国燃煤电厂普遍存在掺烧的情况，并且装机容量、工艺技术、碳含量实测条件等因素也会对排放因子法产生较大影响，国家提供的缺省值难以适用于所有电厂，其代表性一直存在争论。目前，在线监测技术(CEMS)快速发展，且大部分电厂满足配备CEMS的条件。因此，有必要提出二氧化碳排放在线监测法，以准确计量二氧化碳排放量，助力碳排放权交易市场的健康发展。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的装机容量、工艺技术、碳含量实测条件对排放因子法产生较大影响，排放因子法不适用于所有电厂的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统。

为达到上述目的，本实用新型提出了一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，包括：激光控制测量模块和数据分析模块，数据分析模块用于处理激光控制模块测得的数据，激光测量模块包括激光控制器、激光器、激光准直器和光电探测器，激光控制器用于控制激光器的温度和输入电流；激光器设置在激光控制器的下游，用于发射出激光；激光准直器设置在激光器的下游，用于使激光变为平行光；光电探测器设置在激光准直器的下游，用于将激光信号转化为电压信号或电流信号；数据分析模块包括数据采集卡和数据处理系统，数据采集卡用于采集电压信号或电流信号；数据处理系统用于处理采集卡采集的数据。

本实用新型将TDLAS技术方法应用于火电厂烟气中二氧化碳浓度的测量，具有响应快、精度高、检测极限低的优点，可适用于各种类型火力发电厂、不同组成烟气中的二氧化碳浓度监测；本实用新型能够连续在线监测二氧化碳浓度，实现二氧化碳浓度的实时监测。本实用新型的激光准直器将激光器发出的光变为平行光，使得通过烟气的光束达到最大能量密度，提高了检测灵敏度。本实用新型的激光控制器通过改变激光器的输入电流实现波长的快速调谐和波长调制；通过控制激光器的温度使得激光器的温度在设定的温度范围内，以保障激光器的正常工作。

进一步地，平行光入射到烟气中，烟气中的二氧化碳对平行光进行选择性吸收。

进一步地，激光器为法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔表面发射激光器或外腔调谐半导体激光器中的一种。

进一步地，光电探测器集成有锁相放大器，锁相放大器用于对输入信号进行前置放大和滤波处理。

本实用新型通过锁相放大器对输入信号进行前置放大和滤波处理，从而将其它噪声信号进行有效剔除，提高测量精度。

进一步地，数据处理系统基于预先标定好的二氧化碳浓度与二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的二氧化碳吸收谱线计算出实际烟气中的二氧化碳浓度。

进一步地，烟气为火力发电厂尾部烟道中的气体，火力发电厂包括燃煤电厂、燃机电厂、IGCC电站、生物质发电电厂、垃圾焚烧发电电厂。

本实用新型的工作流程按如下步骤进行：

(1)在电厂的尾部烟道选择合适的监测点，安装温度测试仪器，测试烟气的温度；

(2)启动测量系统，用激光控制器控制激光器的温度和输入电流，激光从激光器中发出，激光经激光准直器后变为平行光，并入射到烟道；

(3)烟道烟气中的二氧化碳对入射的平行光进行选择性吸收，二氧化碳对不同波长的平行光的吸收强度不同，呈现二氧化碳吸收峰的形态；

(4)经二氧化碳吸收后的平行光入射到光电探测器，光电探测器将激光的光信号转化为电压信号或电流信号；

(5)数据采集卡对电压信号或电流信号进行采集，并将电压信号或电流信号传输到数据处理系统；

(6)数据处理系统基于预先标定好二氧化碳浓度的烟气在不同温度下与二氧化碳吸收谱线、光谱吸收率在全波数域积分值的对应关系，根据测量得到的二氧化碳吸收谱线计算出光谱吸收率在全波数域积分值，进而计算出相应温度的实际烟气中二氧化碳的浓度；

(7)数据处理系统输出显示测得的二氧化碳浓度值。

相对于现有技术，本实用新型的技术效果为：本实用新型涉及的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统将TDLAS技术方法应用于火电厂烟气中二氧化碳浓度的测量，具有响应快、精度高、检测极限低的优点，可适用于各种类型火力发电厂、不同组成烟气中的二氧化碳浓度监测；本实用新型能够连续在线监测二氧化碳浓度，实现二氧化碳浓度的实时监测。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参照附图描述根据本实用新型实施例提出的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统。

如图1所示，该基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，包括：激光控制测量模块和数据分析模块，数据分析模块用于处理激光控制模块测得的数据，激光测量模块包括激光控制器、激光器、激光准直器和光电探测器，激光控制器用于控制激光器的温度和输入电流；激光器设置在激光控制器的下游，用于发射出激光；激光准直器设置在激光器的下游，用于使激光变为平行光；光电探测器设置在激光准直器的下游，用于将激光信号转化为电压信号或电流信号；数据分析模块包括数据采集卡和数据处理系统，数据采集卡用于采集电压信号或电流信号；数据处理系统用于处理采集卡采集的数据。

本实用新型采用基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测定二氧化碳吸收谱线，即二氧化碳激光控制测量模块基于TDLAS技术完成。激光测量模块包括激光控制器、激光器、激光准直器和光电探测器。激光控制器用于控制激光器的温度和输入电流，激光控制器通过改变激光器的输入电流实现波长的快速调谐和波长调制；通过控制激光器的温度使得激光器的温度在设定的温度范围内，以保障激光器的正常工作。激光器设置在激光控制器的下游，用于发射出激光，激光器包括法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔表面发射激光器和外腔调谐半导体激光器，本实施例采用分布反馈式半导体激光器，中心波长1580nm。激光准直器设置在激光器的下游，用于使激光变为平行光，平行光入射到烟气中，烟气中的二氧化碳对平行光进行选择性吸收，二氧化碳对不同波长的平行光的吸收强度不同，呈现二氧化碳吸收峰的形态。经二氧化碳吸收后的平行光入射到光电探测器，光电探测器设置在激光准直器的下游，用于将激光信号转化为电压信号或电流信号，在一定的波长范围内光电探测器对激光信号有很高的信噪比，波长范围500～2000nm，峰值范围1550～1600nm。光电探测器集成有锁相放大器，锁相放大器用于对输入信号进行前置放大和滤波处理。

数据分析模块包括数据采集卡和数据处理系统，数据采集卡用于采集电压信号或电流信号；数据处理系统用于处理采集卡采集的数据。数据采集卡将采集的电压信号或电流信号传输到数据处理系统，数据处理系统先将电信号转化为二氧化碳吸收光谱，再由吸收光谱计算二氧化碳浓度。数据处理系统基于预先标定好的二氧化碳浓度与二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的二氧化碳吸收谱线计算出实际烟气中的二氧化碳浓度。烟气为火力发电厂尾部烟道中的气体，火力发电厂包括燃煤电厂、燃机电厂、IGCC电站、生物质发电电厂、垃圾焚烧发电电厂。

本实用新型的工作流程按如下步骤进行：

(7)数据处理系统输出显示测得的二氧化碳浓度值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，包括激光控制测量模块和数据分析模块，所述数据分析模块用于处理所述激光控制模块测得的数据，所述激光测量模块包括激光控制器、激光器、激光准直器和光电探测器，所述激光控制器用于控制所述激光器的温度和输入电流；所述激光器设置在所述激光控制器的下游，用于发射出激光；所述激光准直器设置在所述激光器的下游，用于使所述激光变为平行光；所述光电探测器设置在所述激光准直器的下游，用于将激光信号转化为电压信号或电流信号；所述数据分析模块包括数据采集卡和数据处理系统，所述数据采集卡用于采集所述电压信号或所述电流信号；所述数据处理系统用于处理所述数据采集卡采集的数据。

2.如权利要求1所述的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，所述平行光入射到烟气中，所述烟气中的二氧化碳对所述平行光进行选择性吸收。

3.如权利要求1或2所述的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，所述激光器为法珀激光器、分布反馈式半导体激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔表面发射激光器或外腔调谐半导体激光器中的一种。

4.如权利要求3所述的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，所述光电探测器集成有锁相放大器，所述锁相放大器用于对输入信号进行前置放大和滤波处理。

5.如权利要求4所述的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，所述数据处理系统基于预先标定好的二氧化碳浓度与二氧化碳吸收谱线的对应关系，根据测量得到的所述二氧化碳吸收谱线计算出实际烟气中的所述二氧化碳浓度。

6.如权利要求2所述的基于TDLAS的烟气中二氧化碳浓度测量系统，其特征在于，所述烟气为火力发电厂尾部烟道中的气体，所述火力发电厂包括燃煤电厂、燃机电厂、IGCC电站、生物质发电电厂和垃圾焚烧发电电厂。