基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測量

亞云啟，羅昭強，袁隆基，戴恩賢，沈國彬

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基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測量

亞云啟1，羅昭強1，袁隆基2，戴恩賢1，沈國彬1

（1.寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波 315048； 2.中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116）

針對垃圾焚燒爐火焰溫度的測量問題，利用便攜式光纖光譜儀對某臺35 t/h的垃圾焚燒爐的火焰光譜進行了采集。分析結果表明：Gauss函數、Lorenz函數以及兩者的組合函數中，兩者的組合函數在提取特征譜線上最為準確，Lorenz函數在提取效果上最差；由于原子特征光譜法在測溫理論上的不成熟，導致該方法在應用上具有很大的局限性；利用非線性最小二乘法對基于多項式擬合分離出的光譜基線、移除特征譜線后的光譜曲線以及未經處理的原始光譜曲線進行擬合來計算火焰溫度，其中對直接移除特征譜線的火焰光譜進行尋優的結果比其他兩種要準確；通過對7個樣例光譜的分析發現，垃圾火焰在650~900 nm波長范圍內滿足灰體特性。

城市垃圾；焚燒爐；非線性最小二乘法；原子特征光譜法；火焰溫度測量

垃圾焚燒技術因為其高效的城市垃圾處理能力以及燃燒所帶來的熱效益受到了廣泛的關注[1]。但由于我國對垃圾焚燒技術研究的起步較晚，大型垃圾焚燒爐大都從國外引進設計技術，對于垃圾焚燒爐內垃圾燃燒的機理以及熱力過程的研究并不完善[2]。對燃燒火焰的輻射特性和溫度的研究對于了解燃燒機理有著非常重要的指導作用[3-5]。但由于垃圾成分、形狀、尺寸、物性等問題使得不能將燃煤相關的輻射特性簡單的套用到垃圾燃燒的研究之中，并且很少對垃圾焚燒爐火焰溫度場進行測量。Yan等人[6]利用基于光譜法和圖像法對1臺46 t/h的垃圾焚燒爐火焰的溫度和發射率開展了研究，表明鈉（Na）、鉀（K）在可見光波段內存在較強的原子特征輻射，除了Na、K的特征輻射以外，火焰輻射滿足灰體輻射特性。在應用基于灰體特性假設的火焰溫度測量理論中，原子的特征譜線會影響溫度的測量，同時Na、K的特征輻射光譜也可以應用到輻射測溫之中。王勇青等[7]利用輻射法和原子發射光譜法對煉鋼轉爐口的火焰溫度進行了測量，表明特征光譜法測溫原理與特征譜線的數學模型、譜線躍遷概率、能級的簡并及火焰的光學厚度有關。陳曉斌等[8]利用測量火焰中的K原子發射譜線的相對強度比來獲得火焰溫度，并試驗證明了該方法的可行性。本文利用光纖光譜儀對某臺35 t/h的垃圾焚燒爐火焰進行采集，并分別利用原子特征光譜法和非線性最小二乘法對垃圾火焰溫度進行檢測。

1 光譜儀采集系統

垃圾焚燒爐光譜儀采集現場示意如圖1所示。利用光譜儀系統在某臺35 t/h的城市垃圾焚燒爐中開展實驗。該焚燒爐為單汽包自然循環水管爐排鍋爐，爐排采用二段爐排型，逆推14級，順推6級，其中逆推爐排的傾斜角為25°，順推爐排的傾斜角度為10°。

圖1 垃圾焚燒爐光譜儀采集系統示意

光譜儀的型號為AvaSpec-ULS2048-USB2，其測量波長的范圍為200~1 100 nm，積分時間的范圍為1.1~600 ms。光譜儀的分辨率為0.1 nm。測量時，光譜儀的探頭對準垃圾焚燒爐內火焰，并采集一段時間內的垃圾焚燒火焰光譜進行分析。同時值得注意的是采用光譜法所得到的火焰光譜信號只是電壓信號，為了得到火焰輻射光譜的絕對輻射信號，必須對光譜儀進行標定。

2 基于輻射法的垃圾焚燒爐火焰溫度測量

2.1 測溫原理

一個給定波長的輻射強度能夠通過有發射率項的Plank定輻射定律得到:

式中，為Plank常數，為光速，為玻爾茲曼常數，為波長，為溫度，(,)為給定波長的輻射強度，()為波長為的發射率，I(,)為給定波長和溫度下的黑體輻射強度。

在·T≤2 000 μm·K時，Plank定律可以用維恩定律表示，其表達式為

式中：e為波長的發射率，灰體輻射時該值在灰體波段范圍內為一個定值，即e=；為檢測區域的視場平均溫度。

對式(2)取對數得到式(3)：

令=ln()，=1/，并代入式(3)可以得到

接著利用最小二乘法原理，建立(,)如下：

在求解上述非線性擬合時，經常使用麥夸特（Levenberg-Marquardt）算法。其主要原理是通過迭代算法計算待求解式中殘差的平方判斷是否達到最優的解，當殘差最小時則得到的結果即為擬合公式的最優解。

2.2 垃圾焚燒火焰的光譜分離

利用光譜儀采集到7個時刻的垃圾燃燒火焰輻射光譜如圖2所示。從圖2可以看出，垃圾焚燒火焰存在著非常強的特征輻射。根據美國國家標準與技術研究院（NIST）原子光譜數據庫查詢可知，波長在590 nm處的特征譜線來自堿金屬Na，在766.5 nm和769.9 nm處的特征譜線來自堿金屬K，在779.4 nm和793.8 nm處的特征譜線來自堿金屬銣（Rb）。特征譜線的形成主要是由于燃料中的堿金屬化合物在燃燒過程中會發生分解，生成了堿金屬離子，并且堿金屬離子中的部分電子在高溫環境下發生能量能級躍遷，并由低能級躍遷到高能級，其中一部分高能級的電子又躍遷到低能級并釋放出光子，產生輻射譜線。

圖2 7個垃圾焚燒火焰的樣例光譜

火焰輻射光譜由連續光譜和非連續光譜組成[9]。非連續光譜的存在對于輻射法測溫會產生較大的影響，因此需要將連續光譜和非連續光譜進行分離。在利用原子光譜法測溫時，特征譜線是由窄波段的連續光譜和非連續光譜的疊加，同樣需要對非連續光譜進行分離，以獲得光譜基線以及Na、K原子的特征譜線。作者采用了基于多項式擬合的分離方法對光譜進行分離并獲得連續光譜[10]，標定后的光譜曲線及其分離結果如圖3所示。從圖3可以看出，分離出的基線與標定后的火焰光譜具有非常高的重合性，說明該分離方法的準確性。

在利用原子特征光譜法測溫時，關鍵是要找到特征原子波長所對應的光譜輻射強度，而由于光譜儀測量精度的限制無法完全找到。因此需要對特征光譜所對應的窄波段進行擬合以獲得特征原子特征譜線展寬下擬合函數，進而求出特征光譜所對應的輻射強度。上述方法可以獲得特征譜線展寬內的連續光譜，再將連續光譜進行移除即可獲得原子的特征譜線。特征原子光譜法測溫的本質仍然是雙色法，選取特征波長非常接近的2個原子將會減小發射率的影響進而提高測溫的準確性[11]。本文選取K所對應的2個特征波長進行分析。

Gauss函數、Lorenz函數或者是兩者的線性組合在數學上可以表示K的特征譜線展寬，具體表達式如下：

圖3 標定后的光譜曲線及多項式擬合獲得的光譜基線

以樣例光譜S1為例分析K的特征譜線展寬的表達式，2種不同函數下的展寬擬合結果如圖4所示。從圖4可以看出：Lorenz函數的提取效果最差；利用Gauss和Lorenz函數的組合形式獲得的擬合表達式的相關系數明顯高于分別利用2種函數擬合的相關系數，說明2個函數的組合更適合對K的2個譜線進行提取；雖然Gauss和Lorenz函數的組合形式并非線性，但卻能提高展寬的提取精度。因此，在利用特征原子光譜法測溫時本文將利用2個函數的組合表達式對K的2個特征波長所對應的輻射強度進行提取。求得的3個表達式如式(9)、式(10)和式(11)所示。

圖4 樣例S1的特征譜線展寬的擬合結果

2.3 基于原子特征光譜法的垃圾焚燒火焰溫度測量

從垃圾焚燒火焰光譜中可以看出，垃圾火焰中存在著非常強的堿金屬輻射，而同一元素2個不同原子發射譜線的強度比和溫度之間存在著相應的函數關系，同時需要選取較近的2個波長以消除發射率的影響[12]。堿金屬K在766.5 nm和769.9 nm處的2個特征波長所對應的強度值可以實現火焰的測量。該測溫原理的基礎是小體積元內K的特征原子服從玻爾茲曼分布函數，具體的溫度表達式如下：

式中，為躍遷概率，為能級簡并度，為測量強度，為激發能。

式(12)中的相關數據可以通過NIST數據庫得到。具體數據見表1。

表1 通過NIST查詢的相關特征原子光譜值

Tab.1 The related characteristic atomic spectral values queried by NIST

利用上述提取堿金屬K的2個特征波長所對應的輻射強度，并通過計算可以得到的值為125.3 K，與實際的溫差偏差很大，也證實了文獻[7]的結論。為了進一步分析測溫誤差的來源，本文采用定量分析的方法來分析Δ、1/2、對測溫的影響。文獻[7]給出了Δ的變化對測溫的影響，表明Δ的微小誤差就會造成極大的溫度測量誤差。本文利用Gauss和Lorenz組合的函數獲得2個特征波長下所對應的強度1與2之間的比值，首先假設1/2分布在1.0~2.0之間，相鄰2個點的間隔為0.001，進而求出1/2的變化與溫度之間的關系如圖5所示。

圖5 I1/I2與溫度之間的變化關系

從圖5可以看出：當1/2在1.0~1.8時，其溫度變化大約在500 K；當1/2的比值超過1.8后，溫度變化急劇增加。為了分析1/2在垃圾焚燒時的波動范圍，論文選取1 245組樣例光譜進行分析，通過Gauss和Lorenz組合函數提取2個特征波長下K的輻射強度的比值1/2，其比值分布如圖6所示。

圖6 1 245組樣例光譜所獲得的I1/I2比值分布

從圖6可以看出，1/2比值分布在1.2~1.4之間。通過圖5該區間溫度變化局部放大圖可以看出，其溫度變化大約有50 K，說明在穩定燃燒時1/2的變化并不是原子特征光譜法測溫偏差的來源。而值可能會造成計算偏差的產生，但Δ、的選取依賴于NIST數據庫，具有較高的可信度。并且從上述討論中可以發現，1/2值的波動并不會對測溫的準確性造成影響，因此造成原子特征光譜法測溫不準確的原因，可能在于K的2個特征光譜的發射率并不能簡單的認為相等，或者該測溫理論并不完善。

3 基于非線性擬合的垃圾焚燒火焰溫度測量

本文采用非線性擬合計算垃圾火焰溫度，該方法是基于灰體特性假設，即在一定波長范圍內發射率的值不變，在進行非線性擬合時采用麥夸特迭代算法進行計算。為了分析利用非線性擬合對不同光譜處理方法所獲得光譜的擬合效果，分別對原始光譜的擬合結果、移除Na、K、Rb特征譜線后的光譜擬合結果以及上述獲得的光譜基線的擬合結果進行了比較。以S1樣例光譜為例，并以550~900 nm波段作為計算波段，不同光譜處理方法所獲得的擬合結果如圖7所示。從圖7可以看出，對采用移除堿金屬Na、K、Rb特征譜線后獲得的光譜進行非線性二乘法擬合后，其相關系數高于其他2種光譜處理方法，表明移除堿金屬特征譜線后直接對移除光譜后的剩余譜線進行擬合更適合垃圾火焰溫度的計算。同時堿金屬特征譜線的存在會對非線性二乘法擬合產生較大的影響。表2給出了其中5個樣例光譜的非線性擬合結果。

表2 5個樣例光譜的非線性擬合結果

Tab.2 Non-linear fitting results for the five sample spectra

通過假設灰體模型獲得火焰的溫度值后，若將該溫度值代入式(1)中，可獲得550~900 nm波長范圍內的發射率分布曲線，其中7個樣例光譜的發射率分布曲線如圖8所示。從圖8可以看出，Na、K等堿金屬的存在會影響發射率分布，因此在利用非線性擬合求解時需要對Na、K等影響區進行精細移除。同時大約在550~650 nm波段內發射率的分布并不滿足灰體特性，而大約在650~900 nm波段內發射率的分布滿足灰體特性。

圖8 7個樣例光譜的發射率分布

4 結 論

1）利用Gauss函數和Lorenz函數組合函數提取K的2個特征譜線比分別用2個函數提取效果要好，且Lorenz的提取效果最差。

2）原子光譜法測溫結果不準確的原因，可能在于K的2個特征光譜的發射率并不能簡單地認為相等，或者該方法測溫理論并不完善。

3）對采取移除堿金屬Na、K、Rb特征譜線后獲得的光譜進行非線性二乘法擬合后，其相關系數要高于其他2種光譜處理方法，表明移除堿金屬特征譜線后直接對移除光譜后的剩余譜線進行擬合更適合垃圾火焰溫度的計算。

4）垃圾焚燒火焰在650~900 nm波段之間滿足灰體特性。

［1］ JIAO F, ZHANG L, DONG Z, et al. Study on the species of heavy metals in MSWI fly ash and their leaching behavior[J]. Fuel Processing Technology, 2016, 152: 108-115.

［2］ 李季, 楊學民, 林偉剛. 城市生活垃圾焚燒體系化學熱力學平衡分析[J]. 燃料化學學報, 2003, 31(6): 584-588. LI Ji, YNAG Xuemin, LIN Weigang. Thermodynamics equilibrium analysis of municipal solid wastes incineration system[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2003, 31(6): 584-588.

［3］ DRAPER T S, ZELTNER D, TREE D R, et al. Two- dimensional flame temperature and emissivity measurements of pulverized oxy-coal flames[J]. Applied Energy, 2012, 95(2): 38-44.

［4］ OLESCHKO H, SCHIMROSCZYK A, LIPPERT H, et al. Influence of coal composition on the release of Na-, K-, Cl-, and S-species during the combustion of brown coal[J]. Fuel, 2007, 86(15): 2275-2282.

［5］ ZHOU H C, LOU C, CHENG Q, et al. Experimental investigations on visualization of three-dimensional temperature distributions in a large-scale pulverized-coal- fired boiler furnace[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2005, 30(1): 1699-1706.

［6］ YAN W J, ZHOU H C, JIANG Z W, et al. Experiments on measurement of temperature and emissivity of municipal solid waste (MSW) combustion by spectral analysis and image processing in visible spectrum[J]Energy & Fuels, 2013, 27(11): 6754-6762.

［7］ 王勇青, 陳延如, 趙琦, 等. 基于輻射法和原子發射光譜法的轉爐口火焰溫度測量[J]. 光譜學與光譜分析, 2017, 37(4): 1243-1249.WANG Yongqing, CHEN Yanru, ZHAO Qi, et al. On-line measurement of converter combustion flame with radiation thermometry and AES[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2017, 37(4): 1243-1249.

［8］ 陳曉斌, 蔡小舒, 范學良, 等. 原子發射雙譜線法測火焰溫度的實驗研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2009, 29(12): 3177-3180. CHEN Xiaobin, CAI Xiaoshu, FAN Xueliang, et al. Experimental study on flame temperature measure- ment by double line of atomic emission spectro- scopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(12): 3177-3180.

［9］ SBARBARO D, ARIAS L, TORRES S. Removing baseline flame’s spectrum by using advanced recovering spectrum techniques[J]. Applied Optics, 2012, 51(25): 6111-6.

［10］ YAN W J, YA Y Q, DU F, et al. Spectrometer-based line-of-sight temperature measurements during alkali-pulverized coal combustion in a power station boiler[J]. Energies, 2017, 10(9): 1375.

［11］ 李巖峰, 郝曉劍. 原子發射光譜雙譜線測溫技術[J]. 電子質量, 2013(7): 78-81. LI Yanfeng, HAO Xiaojian. The temperature measuring technology of double line of atomic emission spectro- scopy[J]. Electronics Quality, 2013(7): 78-81.

［12］ 程智海, 蔡小舒, 岳俊, 等. 火焰特征輻射譜線測溫方法實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2007, 28(增刊2): 221-224. CHENG Zhihai, CAI Xiaoshu, YUE Jun, et al. The experiment study of flame temperature measurement by the characteristic emission spectrum[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(Suppl.2): 221-224.

Flame temperature measurement of MSW incinerator based on atomic characteristic spectrometry and radiation

YA Yunqi1, LUO Zhaoqiang1, YUAN Longji2, DAI Enxian1, SHEN Guobin1

(1. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China; 2. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In view of the measurement of flame temperature of municipal solid waste (MSW) incinerator, a portable fiber spectrometer was employed to collect flame spectra of a 35 t/h MSW incinerator. Firstly, the accuracy of the Gauss function, the Lorenz function and the combination of the two functions in extracting the characteristic lines was discussed, which shows that the combination function is the most accurate and the Lorenz function is the worst. Then, the application of atomic spectroscopy in temperature measurement was discussed, which shows that the method has great limitations due to the immature temperature theory. By using the method of nonlinear least squares method, the spectral baseline separated by a method based on polynomial fitting, the spectral curve after removal of the characteristic spectral line and the original spectral curve without processing were optimized to calculate the flame temperature, and it shows that the optimizing result of the flame spectrum of which the characteristic spectrum was directly removed is the most accurate. The analysis of seven samples spectra shows that the waste flame meets the gray body characteristics’ requirements in the wavelength range of 650~900 nm.

municipal solid waste, incinerator, nonlinear least squares method, atomic characteristic spectrometry, flame temperature measurement

TK311

A

10.19666/j.rlfd.201806179

亞云啟, 羅昭強, 袁隆基, 等. 基于原子特征光譜法和輻射法的城市垃圾焚燒爐火焰溫度測量[J]. 熱力發電, 2019, 48(3): 102-108. YA Yunqi, LUO Zhaoqiang, YUAN Longji, et al. Flame temperature measurement of MSW incinerator based on atomic characteristic spectrometry and radiation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(3): 102-108.

2018-06-20

亞云啟(1989—)，男，碩士，主要研究方向為火焰監測和燃燒診斷技術，yayunqi@cumt.edu.cn。

（責任編輯 馬昕紅）