脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱诊断及飞灰含碳量测量方法

Online measurement of unburned carbon (UC) in fly ash is one of important measures for optimizing combustion process in coal-fired boiler. In the project, the technology of spark induced plasma spectroscopy of particles flow is proposed to rapid measure UC in fly ash. To understand profoundly the characteristics of spark induced plasma, the methods of spectral diagnosis and quantitative analysis are considered critical factors in accurate and quantitative determination of UC. The exploration of expansion dynamics of spark induced plasma is conducted to reveal the dissociation, excitation and diffusion process of single-component particles in the plasma. The plasma and its spectral characteristics of fly ash particles in different flow state are studied to reveal the influence of key test parameters and coal types. Then, the different effective spectral data extraction method and also C-Fe lines interference correction methods are developed to identify effectively the true spectra of fly ash and obtain stable spectral data. At last, quantitative analysis methods coupled with the correction of plasma state are studied to construct a robust calibration model of UC. As a result, above researches not only lay a foundation to achieve measurement of UC within tolerant precision and develop a novel online measurement technique of UC in industry, but also significantly expand the application of spark induced plasma spectroscopy in the field of solid detection.

在线测量飞灰含碳量是燃煤电厂锅炉燃烧优化的重要措施之一。本项目提出了脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱测量飞灰含碳量的方法，深刻理解等离子体特性、光谱诊断和定量分析方法是实现飞灰含碳量精确测量的关键因素。研究单组份颗粒流的等离子体时空动力学特性，揭示颗粒在脉冲放电等离子体中的解离、激发和扩散过程；研究不同测量工况下典型煤种的飞灰等离子体及其光谱特性，获得等离子体及其光谱特性对测量工况及煤种变化的响应规律；研究有效光谱甄别和C-Fe谱线干扰修正的方法，获取可真实表征飞灰组分的等离子体光谱；研究等离子体状态修正和多变量分析方法，建立可靠的含碳量定量分析模型。本项目研究不仅可以为实现含碳量的精确快速测量和发展新型的飞灰含碳量在线测量技术奠定基础，而且可以拓展脉冲放电等离子体光谱技术在固体样品检测领域的应用。

在线测量飞灰含碳量是燃煤锅炉燃烧优化和低碳高效发电的重要措施之一，直接检测气固两相状态下的飞灰具备无需制样的独特优势。本项目提出了脉冲放电击穿颗粒流的等离子体光谱测量飞灰含碳量的实验方法，研究了脉冲放电等离子体特性、等离子体光谱特性和飞灰含碳量定量分析方法等关键问题。.本项目顺利地完成了申请书中提出的四项主要研究内容，加深了颗粒流等离子体光谱中关键科学问题的理解。(i)在单组分颗粒流的等离子体时空动力学特性研究中，获得了单组分颗粒流等离子体光谱的时空演化规律，分析了颗粒流、电极和空气在等离子体中的激发特性，确定了探测光谱信号的最优延迟时间和光谱信号采集维度。(ii)在飞灰等离子体及其光谱特性研究中，分析了电极材料和粒径效应对等离子体光谱特性的影响，探究了颗粒与等离子体相互作用过程，确定了适用于飞灰的电极材料，并提出了粒径效应的修正方法。（iii）在有效光谱甄别和谱线干扰修正方法研究中，分析了飞灰颗粒数密度和粒径对有效光谱激发的影响，提出了一种新的有效光谱数据甄别方法，揭示了谱线干扰机制，并提出了降低谱线干扰影响的实验修正方法；（IV）在等离子体状态修正和多变量分析模型研究中，解析了等离子体状态波动的原因，提出了等离子体状态修正方法，建立了具有良好预测精确度和煤种适应性的飞灰含碳量定量分析模型。.项目研究后期，在计划研究内容外将脉冲放电击穿等离子体的方法扩展到激光烧蚀-脉冲放电击穿等离子体的研究中，为下一阶段的研究打下了良好基础。同时，积极开展科研成果转化，研发了一套飞灰含碳量便携式快速测量仪和一套固体燃料快速分析仪，为基金研究成果服务国民经济主战场提供了有效支撑。