基于多次反射直接吸收的烟道气二氧化碳浓度测量的研究

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二氧化碳气体排放过多是造成温室效应的主要原因,而且随着温室效应愈加严重,对全球环境及生态系统产生了深远影响,不断出现极端气候等灾害,干扰了人类的生活和健康,甚至已经涉及到人类的存亡。因此,碳排放监测和碳减排逐渐成为全球关注的焦点,我国也积极主动承担相应的减排责任。在我国的二氧化碳排放中,发电和热力供应行业的碳排放占据了全国总量的绝大部分。因此,监测燃煤电厂二氧化碳的排放,并提高二氧化碳排放数据的准确性对我国碳排放总量计量具有重要意义。目前我国采用排放因子法对燃煤电厂的二氧化碳排放量进行计算,但由于缺少实测排放因子而采用欧洲标准,致使计算得到的碳排放总量远高于实际值。国际上将在线监测法作为统计碳排放量清单最高等级的方法,我国也逐步向实时在线监测转变,而监测系统的稳定性与准确性直接关系着碳排放数据的可靠性,因此需要建立高准确度的现场测量方法,对烟道内二氧化碳进行精确的计量。企业烟囱排放的二氧化碳含量一般在20%以下,本文基于分子吸收光谱的原理建立了精确测量二氧化碳浓度的相对法,具体研究内容如下:(1)优化基于直接吸收光谱法测量企业烟道气中二氧化碳浓度的理论模型。根据比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律,建立了气体吸收池入射光强和出射光强与二氧化碳浓度的关系,进而推导出基于已知浓度的二氧化碳/氮气混合物的相对测量方法。(2)搭建直接吸收光谱测量实验装置。首先基于避开其他气体谱线干扰的原则,选择1.57μm附近波段的R16e、R18e和R20e三条谱线进行实验测量,然后对Herriott型多次反射光学气体吸收池进行设计加工,并先后搭建了指示光路与工作光路,接下来对基线拟合、频率轴、拟合线型和临近弱吸收峰的处理进行了探讨,并确定了相应了处理的方法。(3)计算二氧化碳在296 K下的谱线强度。首先在(293±0.005)K和(0,4,6.6,9.3,13.3,16,20,26.8)kPa下,测量15%二氧化碳/氮气混合物在6359.97 cm-1的(30012)←(00001)R16e、6361.25 cm-1的(30012)←(00001)R18e和6362.5 cm-1的(30012)←(00001)R20e吸收光谱。利用吸收峰面积计算三条谱线的线强度值。得到三条谱线在293 K下的线强度值后,将该温度和线强度值作为参考值,计算296 K下的线强值,并与HITRAN、GEISA、HITEMP三个数据库的参考值进行比较。结果表明,三条谱线的线强度计算结果相对于HITRAN 2016数据库的平均相对误差为0.95%,相对于GEISA数据的平均相对误差为1.05%,相对于HITEMP数据库的平均相对误差为1.61%;(4)测量烟道气浓度范围内的二氧化碳实际浓度。以35%二氧化碳/氮气混合物为已知浓度的参考气体,在(293±0.005)K和(4±0.002)kPa下,测量了标称浓度为1%、5%、10%和15%的二氧化碳/氮气混合物的实际浓度,测量结果与天平称重法得到的结果在0.1%范围内具有很好的一致性,最大扩展相对测量不确定度(k=2)分别为0.65%(R16e谱线)、0.65%(R18e谱线)和0.74%(R20e谱线),满足烟道气浓度计量的需要。
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