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(shù)領(lǐng)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(shè)有第一通光窗口，所述第一通光窗口外側(cè)設(shè)有光學(xué)導(dǎo)入裝置，光學(xué)導(dǎo)入裝置與第一通光窗口之間設(shè)有透紅外波段耐高溫材料制成的窗片，光學(xué)導(dǎo)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(cè)爐壁上，并與第一通光窗口正對設(shè)置。本發(fā)明具有檢測精度高、可靠性好、響應(yīng)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(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于乳鋼加熱爐氣體檢測技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 工業(yè)燃燒是一個復(fù)雜的多相反應(yīng)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(guān)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(shè)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(guān)系，檢測燃燒反應(yīng)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(yīng)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(shù)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(shù)方案解決上述技術(shù)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(shè)有第一通光窗口，所述第一 通光窗口外側(cè)設(shè)有光學(xué)導(dǎo)入裝置，光學(xué)導(dǎo)入裝置與第一通光窗口之間設(shè)有透紅外波段耐高 溫材料制成的窗片，光學(xué)導(dǎo)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(xué)導(dǎo)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(cè)爐壁上，并與第一通光窗口正對設(shè)置。
[0008] 優(yōu)選的，所述輻射背景單元所在側(cè)的爐壁上還設(shè)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(cè)和輻射背景單元內(nèi)側(cè)均設(shè)有吹掃單元，所述吹掃單元包括 設(shè)置于窗片內(nèi)側(cè)和輻射背景單元內(nèi)側(cè)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(xué)導(dǎo)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(shè)置，所述拋物面主鏡背對第一通光窗口設(shè)置，所述雙曲面副鏡的 中心設(shè)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(cè)的爐壁上設(shè)有第二通光窗口，第二通光窗口外側(cè) 設(shè)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(cè)的氣體噴嘴安裝在罩蓋側(cè)壁上，所述罩蓋外壁上設(shè)有冷卻水套。
[0012] 優(yōu)選的，所述光學(xué)導(dǎo)入裝置的鏡筒與第一通光窗口之間設(shè)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(cè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 以下結(jié)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(shù)語"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基 于附圖所示的方位或位置關(guān)系，即靠近爐膛的一側(cè)為內(nèi)側(cè)，遠離爐膛的一側(cè)為外側(cè)。
[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(shè)有第一通光窗口 14,所述第一通光窗口 14外側(cè)設(shè)有光學(xué)導(dǎo) 入裝置，光學(xué)導(dǎo)入裝置與第一通光窗口 14之間設(shè)有透紅外波段耐高溫材料制成的窗片181， 光學(xué)導(dǎo)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(xué)導(dǎo)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(cè)爐壁上，并與第一通光窗口 14正對設(shè)置。本發(fā)明在乳鋼加熱爐 10的爐壁上開設(shè)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(yīng)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(cè)的爐壁上還設(shè)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(jié)構(gòu)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(cè)即靠近爐膛的一側(cè)和輻射背景單元12內(nèi)側(cè)均設(shè)有吹 掃單元，所述吹掃單元包括設(shè)置于窗片181內(nèi)側(cè)和輻射背景單元12內(nèi)側(cè)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(shè)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(xué)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(xué)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(xué)鏡面。
[0023] 優(yōu)選的，所述光學(xué)導(dǎo)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(shè)置，所述拋物面主鏡131背對第一通光窗口 14設(shè) 置，所述雙曲面副鏡132的中心設(shè)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(cè)的爐壁上設(shè)有第二通光窗口 15，第二通光窗口 15外側(cè)設(shè)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(cè)的氣體噴嘴20b安裝在罩蓋16側(cè)壁上，所述罩蓋 16外壁上設(shè)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(xué)導(dǎo)入裝置的鏡筒13與第一通光窗口 14之間設(shè)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(cè)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(shù)，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(chǔ)是Lambert-Beer定律。但實際上，使用FTIR技術(shù)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(xué)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(xué)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(shù)，結(jié)合先進的光機設(shè)計、高溫氣體吸 收光譜解析技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)，具有測量精度高、可靠性好、響應(yīng)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(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造 的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)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(shè)有第一通光窗口（14)，所述第一通光窗口（14)外側(cè)設(shè) 有光學(xué)導(dǎo)入裝置，光學(xué)導(dǎo)入裝置與第一通光窗口（14)之間設(shè)有透紅外波段耐高溫材料制成 的窗片（181)，光學(xué)導(dǎo)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(xué)導(dǎo)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(cè)爐壁上，并與第一通光窗口（14)正 對設(shè)置。2. 根據(jù)權(quán)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(cè)的爐壁上還設(shè)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(quán)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(cè)即靠近爐膛的一側(cè)和輻射背景單元（12)內(nèi)側(cè)均設(shè)有吹掃單元，所述吹掃單元包 括設(shè)置于窗片（181)內(nèi)側(cè)和輻射背景單元（12)內(nèi)側(cè)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(quán)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(xué)導(dǎo) 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(shè)置，所述拋物面主鏡（131)背對第一通光窗口（14)設(shè)置，所述雙曲面 副鏡（132)的中心設(shè)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(quán)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(cè)的爐壁上設(shè)有第二通光窗口（15)，第二通光窗口（15)外側(cè)設(shè)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(cè)的氣體噴嘴(20b)安裝在罩蓋(16)側(cè)壁上，所述罩蓋(16) 外壁上設(shè)有冷卻水套(17)。6. 根據(jù)權(quán)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(xué)導(dǎo) 入裝置的鏡筒（13)與第一通光窗口（14)之間設(shè)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(cè)的 氣體噴嘴(20a)安裝在短管（18)的管壁上。7. 根據(jù)權(quán)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(shè)有流量控制閥（21)、過濾器(22)和流量計(23)。8. 根據(jù)權(quán)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(quán)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(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院