軋鋼加熱爐內(nèi)CO₂和CO氣體檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于軋鋼加熱爐氣體檢測技術領域，具體涉及一種軋鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，包括光譜儀和輻射背景單元；所述加熱爐的爐壁上開設有第一通光窗口，所述第一通光窗口外側設有光學導入裝置，光學導入裝置與第一通光窗口之間設有透紅外波段耐高溫材料制成的窗片，光學導入裝置的外端與光譜儀相連；所述輻射背景單元由耐高溫材料制成，輻射背景單元安裝在第一通光窗口的對側爐壁上，并與第一通光窗口正對設置。本發(fā)明具有檢測精度高、可靠性好、響應速度快、非接觸式在線監(jiān)測、壽命長等諸多優(yōu)勢，可以滿足軋鋼加熱爐內(nèi)高溫CO、CO2氣體檢測的需求，為控制爐內(nèi)燃料配比，提高燃燒效率提供可靠的數(shù)據(jù)保證。
【專利說明】
軋鋼加熱爐內(nèi)C〇2和CO氣體檢測裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于乳鋼加熱爐氣體檢測技術領域，具體涉及一種乳鋼加熱爐內(nèi)C〇2和CO 氣體檢測裝置。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)燃燒是一個復雜的多相反應過程，獲取燃燒產(chǎn)物濃度的連續(xù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對 燃燒過程控制與分析、提高燃燒效率、控制污染物的排放、節(jié)能減排均有重要意義。而〇) 2和 CO是碳氫燃料燃燒的最主要產(chǎn)物，被稱為燃燒效率指示性氣體，其組份濃度對于評價諸如 燃燒程度、燃燒效率和熱釋放量等參量起關鍵性作用。
[0003] 乳鋼加熱爐內(nèi)CO2作為燃燒過程中最主要的輻射參與氣體，其濃度對于熱力系統(tǒng) 中輻射交換熱量有較大影響;通過準確測量最終產(chǎn)物中二氧化碳濃度并與投入燃料對比， 可以評價燃燒效率并能為高溫燃燒爐的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)依據(jù);二氧化碳的釋放規(guī)律與燃 料的燃燒特性之間有著密切關系，檢測燃燒反應過程中的二氧化碳濃度變化規(guī)律可以用于 燃料燃燒特性的研究。
[0004] 乳鋼加熱爐內(nèi)CO作為燃燒不完全產(chǎn)物，對其進行在線準確的監(jiān)控，對控制燃燒具 有重要意義，同時，CO氣體的濃度也會影響鋼鐵表面的氧化程度。因此，為提高乳鋼加熱爐 燃燒效率、節(jié)約煤氣，同時降低鋼鐵氧化損失，必須對加熱爐內(nèi)COdPCO氣體濃度進行實時 精確測量，為精確控制空燃比提供COdPCO氣體濃度實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0005] 而乳鋼加熱爐內(nèi)燃燒是一個高溫、瞬態(tài)、快速的過程，燃燒氣體濃度隨著時間和空 間位置的變化而變化。傳統(tǒng)的氣體濃度測量方法無法進行非接觸式測量，難以在高溫環(huán)境 下長期穩(wěn)定運行，且這些方法需要對氣體進行采樣分析，無法實現(xiàn)在線測量，因此具有遲滯 性，難以適應濃度隨時間快速變化的情況;同時采樣分析方法只能進行點測量，難以得到濃 度的空間分布或平均分布。現(xiàn)有測量方法難以滿足實際生產(chǎn)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于如何實時、精準的對乳鋼加熱爐內(nèi)的C〇2和CO氣 體進行非接觸式檢測。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術方案解決上述技術問題:一種乳鋼加熱爐內(nèi)C〇2和CO氣體檢 測裝置，包括光譜儀和輻射背景單元;所述加熱爐的爐壁上開設有第一通光窗口，所述第一 通光窗口外側設有光學導入裝置，光學導入裝置與第一通光窗口之間設有透紅外波段耐高 溫材料制成的窗片，光學導入裝置的外端與光譜儀相連，加熱爐內(nèi)出射的平行紅外輻射信 號經(jīng)光學導入裝置匯聚后入射到光譜儀內(nèi)；所述輻射背景單元由耐高溫材料制成，輻射背 景單元安裝在第一通光窗口的對側爐壁上，并與第一通光窗口正對設置。
[0008] 優(yōu)選的，所述輻射背景單元所在側的爐壁上還設有用于對輻射背景單元進行降溫 的冷卻裝置。
[0009] 優(yōu)選的，所述窗片內(nèi)側和輻射背景單元內(nèi)側均設有吹掃單元，所述吹掃單元包括 設置于窗片內(nèi)側和輻射背景單元內(nèi)側的氣體噴嘴，所述氣體噴嘴與氣源相連。
[0010]優(yōu)選的，所述光學導入裝置包括拋物面主鏡、雙曲面副鏡以及鏡筒，所述雙曲面副 鏡與第一通光窗口正對設置，所述拋物面主鏡背對第一通光窗口設置，所述雙曲面副鏡的 中心設有通光孔，加熱爐內(nèi)出射的平行紅外輻射信號首先入射到雙曲面副鏡上，然后經(jīng)雙 曲面副鏡反射到拋物面主鏡，再由拋物面主鏡反射進入通光孔，最后進入光譜儀內(nèi)。
[0011] 優(yōu)選的，所述第一通光窗口對側的爐壁上設有第二通光窗口，第二通光窗口外側 設有罩蓋，所述罩蓋通過法蘭和螺栓與加熱爐外壁固接，所述輻射背景單元安裝在罩蓋內(nèi)， 所述輻射背景單元側的氣體噴嘴安裝在罩蓋側壁上，所述罩蓋外壁上設有冷卻水套。
[0012] 優(yōu)選的，所述光學導入裝置的鏡筒與第一通光窗口之間設有短管，所述短管兩端 通過法蘭與鏡筒和加熱爐外壁固接，所述窗片安裝在短管內(nèi)，所述窗片側的噴嘴安裝在短 管的管壁上。
[0013] 優(yōu)選的，氣體噴嘴與氣源之間的管路上設有流量控制閥、過濾器和流量計。
[0014] 優(yōu)選的，所述輻射背景單元為鋼板或陶瓷板。
[0015]優(yōu)選的，所述氣源為氮氣或空氣。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明在乳鋼加熱爐的爐壁上開設通光窗口，并通過光譜儀 對爐內(nèi)氣體進行非接觸式測量，具有檢測精度高、可靠性好、響應速度快、非接觸式在線監(jiān) 測、壽命長等諸多優(yōu)勢，可以滿足乳鋼加熱爐內(nèi)高溫C0、C0 2氣體檢測的需求，為爐內(nèi)燃料配 比，提高燃燒效率提供可靠的數(shù)據(jù)保證。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0019] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關系為基 于附圖所示的方位或位置關系，即靠近爐膛的一側為內(nèi)側，遠離爐膛的一側為外側。
[0020] 如圖1所示，一種乳鋼加熱爐內(nèi)COdPCO氣體檢測裝置，包括光譜儀11和輻射背景 單元12;加熱爐10的爐壁上開設有第一通光窗口 14,所述第一通光窗口 14外側設有光學導 入裝置，光學導入裝置與第一通光窗口 14之間設有透紅外波段耐高溫材料制成的窗片181， 光學導入裝置的外端與光譜儀11相連，加熱爐10內(nèi)出射的平行紅外輻射信號經(jīng)光學導入裝 置匯聚后入射到光譜儀11內(nèi)；所述輻射背景單元12由耐高溫材料制成，輻射背景單元12安 裝在第一通光窗口 14的對側爐壁上，并與第一通光窗口 14正對設置。本發(fā)明在乳鋼加熱爐 10的爐壁上開設通光窗口，并通過光譜儀10對爐內(nèi)氣體進行實時檢測，具有檢測精度高、可 靠性好、響應速度快、非接觸式在線監(jiān)測、壽命長等諸多優(yōu)勢，可以滿足乳鋼加熱爐內(nèi)高溫 OKCO2氣體檢測的需求，為爐內(nèi)燃料配比，提高燃燒效率提供可靠的數(shù)據(jù)保證。
[0021] 進一步的，所述輻射背景單元12所在側的爐壁上還設有用于對輻射背景單元12進 行降溫的冷卻裝置。冷卻裝置可以將輻射背景單元12的溫度控制在800°C附近。乳鋼爐內(nèi)CO 和CO2氣體與輻射背景單元12之間存在等效溫度差，傅里葉變換紅外光譜儀能夠檢測到待 測氣體的發(fā)射或吸收紅外光譜，通過對光譜圖中分子光譜精細結構進行分析，即可精確反 演爐內(nèi)CO和CO2氣體濃度。
[0022] 進一步的，所述窗片181內(nèi)側即靠近爐膛的一側和輻射背景單元12內(nèi)側均設有吹 掃單元，所述吹掃單元包括設置于窗片181內(nèi)側和輻射背景單元12內(nèi)側的氣體噴嘴20a、 20b，所述氣體噴嘴20a、20b與氣源相連。所述氣體噴嘴20a、20b與氣源之間的管路上設有流 量控制閥21、過濾器22和流量計23,所述氣源為氮氣或空氣。為了防止加熱爐10內(nèi)粉塵及其 它污染物污染光學鏡面，吹掃單元利用壓縮空氣或氮氣進行連續(xù)吹掃，以便在光學鏡片與 加熱爐氣體間形成一簾保護氣流，防止粉塵等沉積在光學鏡面。
[0023] 優(yōu)選的，所述光學導入裝置包括拋物面主鏡131、雙曲面副鏡132以及鏡筒13,所述 雙曲面副鏡132與第一通光窗口 14正對設置，所述拋物面主鏡131背對第一通光窗口 14設 置，所述雙曲面副鏡132的中心設有通光孔133,加熱爐10內(nèi)出射的平行紅外輻射信號首先 入射到雙曲面副鏡132上，然后經(jīng)雙曲面副鏡132反射到拋物面主鏡131，再由拋物面主鏡 131反射進入通光孔133，最后進入光譜儀11內(nèi)。
[0024] 優(yōu)選的，所述第一通光窗口 14對側的爐壁上設有第二通光窗口 15，第二通光窗口 15外側設有罩蓋16,所述罩蓋16通過法蘭和螺栓與加熱爐10外壁固接，所述輻射背景單元 12安裝在罩蓋16內(nèi)，所述輻射背景單元12側的氣體噴嘴20b安裝在罩蓋16側壁上，所述罩蓋 16外壁上設有冷卻水套17，該冷卻水套17即為所述的冷卻裝置。
[0025]優(yōu)選的，所述光學導入裝置的鏡筒13與第一通光窗口 14之間設有短管18,所述短 管18兩端通過法蘭與鏡筒13和加熱爐10外壁固接，所述窗片181安裝在短管18內(nèi)，所述窗片 181側的氣體噴嘴20a安裝在短管18的管壁上。
[0026]優(yōu)選的，所述輻射背景單元12為鋼板或陶瓷板。
[0027] 本發(fā)明的工作原理如下：
[0028] 乳鋼加熱爐10內(nèi)高溫⑶和⑶2氣體檢測系統(tǒng)主要基于FTIR技術，當乳鋼爐內(nèi)待測 氣體與輻射背景之間存在溫度差時，傅里葉變換紅外光譜儀能夠檢測到待測氣體的發(fā)射或 吸收紅外光譜，通過對乳鋼加熱爐10內(nèi)高溫CO和CO 2氣體的"指紋"特征光譜的測量與分析， 實現(xiàn)爐內(nèi)CO和CO2氣體的定量快速在線監(jiān)測。
[0029] 傅里葉變換紅外光譜本質(zhì)上是氣體的紅外"指紋"特征譜，對其目標組分進行定量 分析的理論基礎是Lambert-Beer定律。但實際上，使用FTIR技術進行光譜測量時不能忽略 非線性偏離Beer定律的情況，本發(fā)明采用不依靠隱含非線性Beer定律的非線性最小二乘分 析方法對高溫爐內(nèi)CO和CO 2氣體進行濃度反演。
[0030] 對于測量光譜Im，假定它不僅非線性地依賴于各吸收組分的濃度{c}，同時還非線 性的依賴于溫度、壓力等環(huán)境參量和分辨率R、切趾函數(shù)S以及光源入射角Θ等儀器參數(shù)，其 數(shù)學表達式為：
[0031] (1)
[0032] 為了求得待定參數(shù)即待測組分的濃度，需要輸入初始參數(shù)進行迭代，直至優(yōu)值函 數(shù)減少到最小，定義優(yōu)值函數(shù)為：
[0033] (2)
[0034] 按照上述數(shù)學分析，輸入待測組分初始濃度值，將校準光譜與實測光譜進行多次 迭代運算，直至優(yōu)值函數(shù)最小為止。
[0035] 該系統(tǒng)基于傅里葉變換紅外(FTIR)光譜技術，結合先進的光機設計、高溫氣體吸 收光譜解析技術、計算機軟硬件技術，具有測量精度高、可靠性好、響應速度快、非接觸式在 線監(jiān)測、壽命長等諸多優(yōu)勢，可以滿足乳鋼加熱爐內(nèi)高溫C0、C0 2氣體非接觸式、在線檢測的 需求，為爐內(nèi)燃料配比，提高燃燒效率提供可靠的數(shù)據(jù)保證。
[0036] 以上所述僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造，凡在本 發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明創(chuàng)造 的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種乳鋼加熱爐內(nèi)COdPCO氣體檢測裝置，其特征在于:包括光譜儀（II)和輻射背景 單元（12);加熱爐（10)的爐壁上開設有第一通光窗口（14)，所述第一通光窗口（14)外側設 有光學導入裝置，光學導入裝置與第一通光窗口（14)之間設有透紅外波段耐高溫材料制成 的窗片（181)，光學導入裝置的外端與光譜儀(11)相連，加熱爐（10)內(nèi)出射的平行紅外輻射 信號經(jīng)光學導入裝置匯聚后入射到光譜儀(11)內(nèi)；所述輻射背景單元（12)由耐高溫材料制 成，輻射背景單元（12)安裝在第一通光窗口（14)的對側爐壁上，并與第一通光窗口（14)正 對設置。2. 根據(jù)權利要去1所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述輻射背 景單元(12)所在側的爐壁上還設有用于對輻射背景單元(12)進行降溫的冷卻裝置。3. 根據(jù)權利要求1所述的乳鋼加熱爐內(nèi)COdPCO氣體檢測裝置，其特征在于:所述窗片 (181)內(nèi)側即靠近爐膛的一側和輻射背景單元（12)內(nèi)側均設有吹掃單元，所述吹掃單元包 括設置于窗片（181)內(nèi)側和輻射背景單元（12)內(nèi)側的氣體噴嘴（20a、20b)，所述氣體噴嘴 (20a、20b)與氣源相連。4. 根據(jù)權利要求1所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述光學導 入裝置包括拋物面主鏡（131)、雙曲面副鏡（132)以及鏡筒（13)，所述雙曲面副鏡（132)與第 一通光窗口（14)正對設置，所述拋物面主鏡（131)背對第一通光窗口（14)設置，所述雙曲面 副鏡（132)的中心設有通光孔（133)，加熱爐（10)內(nèi)出射的平行紅外輻射信號首先入射到雙 曲面副鏡（132)上，然后經(jīng)雙曲面副鏡（132)反射到拋物面主鏡（131)，再由拋物面主鏡 (131)反射進入通光孔(133)，最后進入光譜儀(11)內(nèi)。5. 根據(jù)權利要求1所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述第一通 光窗口（14)對側的爐壁上設有第二通光窗口（15)，第二通光窗口（15)外側設有罩蓋（16)， 所述罩蓋(16)通過法蘭和螺栓與加熱爐（10)外壁固接，所述輻射背景單元(12)安裝在罩蓋 (16)內(nèi)，所述輻射背景單元(12)側的氣體噴嘴(20b)安裝在罩蓋(16)側壁上，所述罩蓋(16) 外壁上設有冷卻水套(17)。6. 根據(jù)權利要求4所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述光學導 入裝置的鏡筒（13)與第一通光窗口（14)之間設有短管（18)，所述短管（18)兩端通過法蘭與 鏡筒（13)和加熱爐（10)外壁固接，所述窗片（181)安裝在短管（18)內(nèi)，所述窗片（181)側的 氣體噴嘴(20a)安裝在短管（18)的管壁上。7. 根據(jù)權利要去3所述的乳鋼加熱爐內(nèi)0)2和0)氣體檢測裝置，其特征在于:所述氣體噴 嘴(20a、20b)與氣源之間的管路上設有流量控制閥（21)、過濾器(22)和流量計(23)。8. 根據(jù)權利要求1所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述輻射背 景單元(12)為鋼板或陶瓷板。9. 根據(jù)權利要求3所述的乳鋼加熱爐內(nèi)CO2和CO氣體檢測裝置，其特征在于:所述氣源為 氮氣或空氣。
【文檔編號】G01N21/3504GK105891139SQ201610498861
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】李相賢, 高乾坤, 高閩光, 童晶晶, 李勝, 張玉鈞, 劉文清
【申請人】中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院