有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟_邹春
第8卷(2002)第5期
燃 烧 科 学 与 技 术
JOURNAL OF C OMBUSTION SCIENC E AND TEC HN OLOGY
V ol.8(2002)N o.5
有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟
邹 春1,郑楚光1,周力行2
(1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074;
2.清华大学力学系煤的清洁燃烧国家重点实验室,北京100081)
摘 要:假设火焰辐射区域为光学薄,将辐射计算的代数模型嵌入到条件矩模型中(CM C(rad)),对甲烷-空气射流扩散值班火焰进行了模拟。并将此模型的模拟结果分别与实验和未考虑辐射热损的条件矩模型(CMC(ad))的结果进行了比较。结果表明采用代数模型计算辐射热损失是合适的,且考虑辐射的条件矩模型对温度场和NO的浓度的模拟结果相比未考虑辐射热损条件矩模型的模拟结果,与实验结果符合得要好。
关键词:辐射热损失;条件矩;扩散火焰;数值模拟
中图分类号:T K16 文献标识码:A 文章编号:1006-8740(2002)05-0472-06
Simulation of Conditional Moment Closu re Model of CH4-Air Jet
Diffusion Flame with Radiant Heat Losses
ZOU Chun,ZHENG Chu-guang,ZHOU Li-xing
(1.N ational Laboratory o f Coal Combustio n,Huazhong U niversity o f Science and T echnology,Wuhan430074,China;
2.State Laboratory of Clean Combustion of Coal,T singhua U niversity,Beijing100084,China)
Abstract:U nder the assumptio n of optical thin in radiating flame zones,the simulation for CH4-Air je t diffusion piloted flame w as car ried out by embedding the algebraic model of radiation calculation in conditional closure moment model(CMC (rad)).T he results of this model(CM C(rad))were compared w ith that of experiment and co nditional closure moment without radiation calcula tio n(CM C(ad))separately.I t demonstrated that algebraic model using for calculation of radiant heat losses was reaso nable,and the agreement of predictions of temperature and NO of CM C(rad)and experiment was more satisfactory than CM C(ad).
Keywords:radiant heat losses;co nditional moment closure;diffusion flame;numeric simulation
对于湍流反应流的数值模拟一直是国际燃烧界关注的研究领域。模拟湍流反应流的困难既在于湍流本身所带来的问题,还在于湍流与化学反应之间的耦和,即湍流混合引起组分浓度的强烈脉动,这影响着化学反应速率。同时,化学反应也引起混合温度和密度的强烈变化,这又反过来影响湍流流场的结构。准确预报火焰特征的湍流燃烧模型应当考虑这种非线性耦和。目前所采用的模型或者没有很好地解决此矛盾[1],比如二阶矩模型;或者是在极为苛刻的条件下解决此矛盾,比如小火焰面模型;或者是以巨大的计算机运算量为代价来解决此矛盾,比如PDF模型。条件矩模型成功地解决了此矛盾,而且有着坚实的物理基础,和并不太大的计算机运算量。
扩散火焰燃烧存在燃料与氧之间的混合和反应两种过程。混合分数是描述混合的化学计量的参数,而且实验证实,对于大多数感兴趣的标量(主要组分的浓度和标准焓等)只与当地的混合分数相关。混合分数是一个守恒变量,它的平衡方程没有源项,这样,它不受制于反应标量引起的困难,其均值和脉动值常常可以由矩方法得到。以混合分数为条件变量,这样均值
收稿日期:2001-11-02。
基金项目:国家重大基础研究发展规划资助项目。
作者简介:邹 春(1970—),男,博士生,讲师。E-mail:zouchun_z c@https://www.360docs.net/doc/5b15484502.html,。
和脉动值就是该守恒标量的条件矩。由于条件平均脉动很小,条件方差可忽略,因此反应速率的条件平均可以采用组分的条件平均浓度来计算,即可以在一阶条件下计算。于是,条件矩成功地将流动的非均匀性和反应的非线性解耦[2],条件矩方程是在没有对所描述的物理对象作任何模型假设的前提下,严格推导出来的,有着坚实的物理背景,因此,条件矩模型越来越成为人们为所关注的具有广阔的发展前景的湍流燃烧模型。
一般的模型在模拟湍流燃烧时常常将火焰视为绝热的,因此,将火焰中的辐射热损失忽略了。显然这样处理是会偏高地预报火焰温度。在气体燃烧中,NO 的生成对于温度是极其敏感的,因此,要想较好的模拟湍流扩散燃烧,尤其是NO 的生成,考虑辐射热损失是很有必要的。本次研究主要考虑气相H 2O 和CO 2的辐射热损失。二氧化碳和水蒸气的辐射特性从20世纪30年代开始研究至今,已积累了大量的实验数据,建立了一套比较完善的气体辐射光谱理论。
目前有3类不同详细程度的计算气体辐射率的方法:1)谱带模型;2)代数模型;3)图表。
谱带模型计算相对准确但计算较复杂。图表虽然形式简单但不利于计算机计算,而且图表计算误差较大。代数模型是以温度、分压和光学行程为参数,虽然物理概念不一定完整,但形式上比谱带模型简单,便于计算机计算。
因此,本文将火焰辐射区域处理为光学薄,这样从周围冷环境来看,每个辐射点源都是未阻挡的、各向同性的。这种假设忽略了在火焰中辐射热输运的可能性。后面将可以看到有关光学厚度的假设是合适的。
1 数学模型
对于速度场和混合分数场的模拟,采用了K -ε-f -g 模型。1.1 标量场
标量场可参照文献[2].反应标量的条件矩方程为 QP (η)ρη
t
+div (ρη
〈VY η〉P (η))= 〈w η〉P (η)ρη)+
η〈N η〉P (η)·
ρη
Q η- 〈N η〉P (ηρη) η
Q (1)式中:Q 为反应标量的条件平均,Q =〈Y ξ=η〉;N 为标量耗散率,N =D (Δξ)(Δξ)。 标准焓的条件矩方程为
Q h P (η)ρη
t +div (ρη〈VY η〉P (η))= 〈S h η〉P (η)ρη
)+ η
〈N η〉P (η)· ρη
Q h η- 〈N η〉P (ηρη)
η
Q h (2)式中:S h 为净辐射热损失;Q h 的条件平均值。 对于某一标量Y 的均值〈Y 〉,由条件概率公式可表示为 〈Y 〉=
∫
∞
-∞〈Y |ξ=η〉P (η)d η(3)
式中:η为混合分数;〈〉表示平均值;〈Y ξ=η〉为标量对于混合分数的条件平均;P (η)为混合分数的概率密度函数。1.2 守恒标量pdf 方程
守恒标量pdf 方程为
P (η)ρη
t
+div (〈V η〉P (η)ρη
)= - 2〈N /η〉P ηρη
η
2
(4) 联立式(1)、(2)和(4),设定混合分数的概率密度函数为截尾高斯分布,可以求得组分浓度和标准焓的条件平均值,再由式(3)即可以得到标量的非条件平均值。
2 射流燃烧的条件矩方程
通过渐近分析和实验数据分析可知[3,4]
,对于二维流动条件平均Q 基本上与流动的展向坐标y 无关,而与流动的流向坐标x 强烈相关。因此可以忽略由展向条件脉动引起的湍流输运,即 〈VY η〉≈〈V η〉Q 0
(5)
将式(1)和式(4)在展向积分,并代入式(5)可以得
到剪切流动反应标量的条件矩方程为 U
＊ Q 0
x
-N
＊
2Q 0
η
2=W (Q 0)(6)
其中,U ＊
≡
∫
|y | 〈V |η〉P (η)d y ∫|y | P (η)d y (7) N ＊ ≡ ∫ |y | 〈N |η〉P (η)d y ∫|y | P (η )d y (8) P ＊ =∫|y | P (η)d y · 473·2002年10月 邹 春等:有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟 式中:Q 0为条件平均Q 的一阶近似;W (Q 0)为组分Y 的条件反应速率的一阶近似。 将组分条件平均的一阶近似代入Arrhenius 公式,可得剪切流动标准焓的条件矩方程为 U ＊ Q 0 x -N ＊ 2 Q 0 η 2=〈s h η〉(9) 剪切流动的守恒标量的pdf 方程为 U ＊P ＊ ρη x =- 2 η 2(N ＊P ＊ ρη) (10) 3 辐射模型 为了更准确地模拟甲烷-空气的射流扩散燃烧,考虑辐射损失是必须的。对辐射热损失只考虑气相中的 H 2O 分子和CO 2分子的辐射。 假设燃料和空气流是颗粒自由的,这样可以忽略其它组分(比如大气的CO 2)的散发。对于火焰辐射区域也将其假定为光学薄,这样从周围冷环境来看,每个辐射点源都是未阻挡的和各向同性的,亦即忽略了在火焰中辐射热输运的可能性。 在这种假设下,单位体积的辐射损失可以表示为 Υ(Y ,p i )=4σp i K P ,i (T 4-T 4b ) (11) 式中:σ为Stefan -Boltzmann 常数;i 表示H 2O 或CO 2; p i 为H 2O 或CO 2的分压力;T b 为背景温度;T 为火焰源的温度;K P ,i 气相H 2O 或CO 2的Planck 平均吸收系数。 Planck 平均吸收系数是一个与行程长度无关的量,它是温度的函数.已经公布了许多不同的适合实验数据的计算Planck 平均吸收系统数的函数,其中包括Kuznetzov -Sabel ′Nikov 方法、Hubbrd -Tien 方法、和Beeker 方法。Planck 平均吸收系数也可以利用Grosshandler 的RADCAL 程序对水蒸气和CO 2的谱数据积分计算得到。 采用RADICAL 的方法来计算Planck 平均吸收系数[5] ,其表达式为 K P ,H 2O =ex p [278.713-153.24ln T + 32.1971[ln T ]2 -3.0087[ln T ]3 + 0.104055[ln T ]4 ](12) K P ,CO 2=exp [969.86-588.38ln T + 132.89[ln T ]2-13.182[ln T ]3+0.48386[ln T ]4] (13) 4 甲烷-空气射流燃烧数值模拟结果和讨论 模拟的对象是美国Sandia 国家燃烧室[6] 的甲烷-空气射流燃烧室。燃烧器的几何形状及尺寸和入口参数见图1和表1. 表1 甲烷-空气燃烧器几何尺寸和入口参数 类 别直径/mm 速度/(m ·s -1) 温度/K 组成 主流7.249.629425H 4+75%空气值班火焰18.211.41880f =0.351的混合气体 伴流 200 0.9 291 空气 图1 甲烷-空气燃烧器结构示意 流场空间的格点分布为流场的断面上安排有99 个节点,在流向上计算的终点为140倍主流直径。由于流动为抛物线流动,所以采用Patankar -Spalding 方法来求解流场速度和混合分数的方程,即k -ε-f -g 模 型。 图2表示的是中心线上速度沿轴线的分布,由此可见,考虑辐射的条件矩模型(CM C (rad ))和不考虑辐射的绝热火焰条件矩模型(CMC (ad ))与实验结果都非常符合。这说明速度场的模拟是准确的,采用的速度场计算模型也是合适的。由于速度场是其它标量场的基础,因此这也给标量模拟提供了较好的基础。同时,也可以说明考虑辐射模型与否对速度场的影响不 大。 图3表示的是沿流向不同断面上的温度在展向上的分布。在X /D =7.5处,考虑辐射的条件矩模型与绝热火焰的条件矩模型的预报结果没有差别,而且都与实验值符合得较好。 在后面的五个断面上,随着燃烧反应的加剧,这两 ·474·燃 烧 科 学 与 技 术 第8卷第5期 种模型则出现了较明显的差别,考虑辐射的条件矩模型预报的温度值低于绝热火焰的条件矩模型的预报值,而且与实验值符合得很好,尤其是在X /D =15～45三个断面上,符合情况非常好,绝热模型由于没有考虑辐射的热损失,使得在火焰区的预报值高于实验值。 但是,在X /D 为60和70两个断面上,考虑辐射的模型的最高温度预报值要低于实验值,而绝热火焰的模型预报值却符合得较好。这说明考虑辐射的条件矩模型在温度1600℃左右高估了辐射热损失。这也是采用代数模型计算辐射所带来的误差。 总之,考虑辐射的条件矩模型预报的温度值要比绝热火焰条件矩模型更为合理。 图4给出沿流向不同断面上的CH 4的Favre 平均质量分数在展向上的分布。 由于CH 4属于燃烧中的主要反应组分,考察其分布的预报是为了考察条件矩模型在考虑辐射与否情况下对燃烧主要组分模拟的影响 。 图2 中心线上的速度在轴向的分布 图3 不同断面上温度在展向的分布 图4 不同断面上C H 4的Favre 平均质量分数在展向上的分布 · 475·2002年10月 邹 春等:有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟 在燃烧发生的初始阶段的X /D =7.5处,考虑辐射和绝热火焰的条件模型预报的结果极为相似,因为此时的辐射热损失很小。在燃烧基本完成的X /D =60,70处,两种模型都预报CH 4为零,而实验则零星测到分布无规则的CH 4的非零值,这些不符合处可视为实验的非理想化造成的。在燃烧发生过程的X /D =15～45处,考虑辐射的条件矩模型预报的最高值要低于绝热火焰的模型预报值,而且两者都低于实验值。 这说明考虑辐射的模型预报的CH 4消耗的速度快,即其燃烧速度要快于实验。这与温度分布图所反映 的情况相似。 图5表示的是沿流向不同断面上的CO 2的Favre 平均质量分数在展向上的分布。 CO 2属于燃烧的主要产物组分,对它的考察也是为 了检验考虑辐射的模型相对于未考虑辐射的模型对燃烧模拟的影响。 在X /D =7.5处,两者模拟的结果很相似,且与实验结果符合得也很好。在后面5个断面上,考虑辐射模 型的预报值都低于未考虑的模型的预报值,而且前者更符合实验值。尤其在X /D =45～75三个断面上,预报 值与实验值基本符合。而在X /D =15,30两个断面上预报值稍稍高于实验值,这也表明模型模拟的燃烧速度要比实验的快,这也与CH 4的分布图所反映的情况相一致。 图6表示的是不同断面上NO 的Favre 平均质量分数在展向上的分布情况。 由于NO 的生成反应对于温度非常敏感,考虑辐射热损失应当对NO 的预报有较大的改善 。 图5 不同断面上C O 2的Favre 平均质量分数在展向上的分布 图6 不同断面上NO 的Favre 平均质量分数在展向上的分布 ·476·燃 烧 科 学 与 技 术 第8卷第5期 从图中可以看到,在所有的断面上考虑辐射影响的条件矩模型的预报值要明显低于未考虑的模型的预报值。 在X/D=45～75的三个断面上,考虑辐射的模型的预报值与实验值符合得尚可,而在其它的断面上,尽管考虑辐射的模型要明显低于未考虑辐射的模型的预报值,但与实验值相比,仍然是有一定的差距。 显然,解决这些误差需要考虑以下因素: 1)NO生成模拟是在一阶水平上完成,而NO反应相对较慢,其条件脉动的影响不能忽略; 2)计算辐射热损失所采用的代数模型的精度(尤其是对于火焰高温区)不是很高。 5 结 论 1)条件矩模型能够较好地模拟射流扩散燃烧,是一个很有发展前景的燃烧模型。 2)计算燃烧辐射时,可以将火焰辐射区域视为光学薄。采用代数模型计算辐射时,Grosshandle方法用以计算Planck平均吸收系数对于大多数的情况是合适的。 3)对扩散燃烧的模拟,考虑辐射的条件矩模型与未考虑辐射热损的条件矩模型相比较,速度场和主要组分的浓度场的结果是相似的,都能与实验结果相符;而温度场,前者和实验值符合得很好,后者则要差些;NO 浓度场的结果与实验结果相比,两者都有一定的差距,但前者明显比后者更接近实验值。 产生误差的主要原因是,条件矩模型是在一阶上模拟NO生成,且辐射代数模型的精度有限。因此,研究二阶水平的条件矩模型,提高辐射模型的精度,将有助于提高模拟燃烧NO排放的预报水平。 参考文献: [1] 张会强,陈兴隆,周力行,等.湍流燃烧数值模拟研究的综述[J]. 力学进展,1999,29(4):567—575 [2] Klimenko A Y,Bilger R W.Conditional moment clos u re for turbulent combustion[J].Progre e In Energy and C ombustion S cience,1999,25: 595—687 [3] Jaberi F A.Condition statistics in turbulent scalar mixing and reaction [J].Aiche Jou rnal,1996,42(4):1149—1152 [4] Linan A.The asymptotic structure of counterflow diffusion flames for large activation energies[J].Acia Astronautica,1974(1):1007— 1039 [5] Grosshandler W L.RADCAL:A Narrow-band model for radiation cal- culations in a combustion enviroment[J].NIS T Techn ical Note,1993: 1402 [6] Barlow R.Sandia piloted CH 4 -air j et flames:prel iminary dada release [A].3rd In ternational Works hop on Measurement and C om puta tion o f Turbu lent Non-premixed Fla mes[C],Boulder,col orado.1998:51— 58 · 477 · 2002年10月 邹 春等:有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟 感温，感烟，火焰探测器应用环境 2丶下列场所宜选择点型感烟火灾探测器： （1）饭店、旅馆、教学楼、办公楼的厅堂、卧室、办公室、商场、列车载客车厢等。 （2）计算机房、通信机房、电影或电视放映室等。（3）楼梯、走道、电梯机房、车库等。（4）书库、档案库等。 3、符合下列条件之一的场所，不宜选择点型离子感烟火灾探测器：（1）相对湿度经常大于95%。（2）气流速度大于5m/s。（3）有大量粉尘、水雾滞留。（4）可能产生腐蚀性气体。（5）在正常情况下有烟滞留。 （6）产生醇类、醚类、酮类等有机物质。 4、符合下列条件之一的场所，不宜选择点型光电感烟火灾探测器：（1）有大量粉尘、水雾滞留。（2）可能产生蒸气和油雾。（3）高海拔地区。 （4）在正常情况下有烟滞留。 5、符合下列条件之一的场所，宜选择点型感温火灾探测器；且应根据使用场所的典型应用温度和最高应用温度选择适当类别的感温火灾探测器： （1）相对湿度经常大于95%。（2）可能发生无烟火灾。（3）有大量粉尘。（4）吸烟室等在正常情况下有烟或蒸气滞留的场所。（5）厨房、锅炉房、发电机房、烘干车间等不宜安装感烟火 灾探测器的场所。 （6）需要联动熄灭“安全出口“标志灯的安全出口内侧。（7）其他无人滞留且不适合安装感烟火灾探测器，但发生火灾时需要及时报警的场所。 6、可能产生阴燃火或发生火灾不及时报警将造成重大损失的场所，不宜选择点型感温火灾探测器；温度在0℃以下的场所，不宜选择定温探测器；温度变化较大的场所，不宜选择具有差温特性的探测器。 7、符合下列条件之一的场所，宜选择点型火焰探测器或图像型火焰探测器： （1）火灾时有强烈的火焰辐射。 （2）可能发生液体燃烧等无阴燃阶段的火灾。（3）需要对火焰做出快速反应。 8、符合下列条件之一的场所，不宜选择点型火焰探测器和图像型火焰探测器： （1）在火焰出现前有浓烟扩散。（2）探测器的镜头易被污染。（3）探测器的"视线"易被油雾、烟雾、水雾和冰雪遮挡。（4）探测区域内的可燃物是金属和无机物。 （5）探测器易受阳光、白炽灯等光源直接或间接照射。 9、探测区域内正常情况下有高温物体的场所，不宜选择单波段红外火焰探测器。 10、正常情况下明火作业，探测器易受X射线、弧光和闪电等影响的场所，不宜选择紫外火焰探测器。 11、下列场所宜选择可燃气体 用火焰光度检测器的气相色谱法测定硫化物，在国内色谱生产厂家中已有部分涉及，但因在定性、稳定性及计算方法等多方面的技术限制，一直未能推广，GC微量硫分析仪是在我公司原有火焰光度检测器的基础上，经过不断改进，定型为微量硫专用分析仪，具有较高的灵敏度，稳定性好，定性、定量准确，操作简便等优点。 1.原理： 硫化物在富氢火焰中能够裂解生成一定数量的硫分子,并且能在该火焰条件下发出394纳米的特征光谱，经干涉滤光片除去其它波长的光线后，用光电倍增管把光信号转换成电信号并加以放大，然后经微机处理并打印出结果。因为光电倍增管本身的放大能力以及我们研制的FPD的特殊性，所以保证了GC微量硫分析仪的高选择性和高灵敏度。 被分析气体样品经色谱柱分离后，不同的硫化物在不同的时刻进入FPD，从而在工作站上出现不同保留时间的色谱峰。因为硫化物响应与硫浓度的平方成正比，所以工作站必须根据开方峰面积和校正系数计算出分析结果并根据保留时间，直接标定和显示各种硫化物的实际含量。 2.定性定量： 用色谱法分析硫化物，定性问题一直未能很好地解决。众所周知，硫化物的存在形式多种多样，而在实际工作中又不可能拥有众多硫化物的标样，这就给广大的硫分析工作者造成了极大的难题。但是，在实际工作中，多数情况下只需要对硫化物进行大致的定性。如只需要看无机硫，低沸点有机硫，高沸点有机硫的的分布情况，以便指导脱硫工作的进行。这种情况在许多化工厂是很普遍的。鉴于这种情况，一般分析人员采用的定性手段为：对无机硫，如硫化氢、二氧化硫，可以用GDX301柱子进行分离以便定性；对低沸点有机硫，如甲硫醇、甲硫醚、硫氧化碳可以用TCP柱子分离以进行定性；而对高沸点有机硫，一般不作定性，大多数采用反吹方式测定其总含量。也可直接用反吹法分析总硫，这也是本仪器的一大特点。 一般而言，在样品气中，如原料天然气、炼厂尾气、煤造气生成的原料气，无机硫、低沸点的有机硫含量占很大比例（几乎达90％以上)，因此采用以上方法进行定性定量分析是切实可行的。它不仅简化了分析程序，而且分析结果也比较准确。这样做，不仅可监视样气中的硫含量，而且也为选择脱硫剂和脱硫路线提供了理论依据。 3.色谱柱的选用： 本仪器随机配备了两根色谱柱： A. TCP柱 ４×0.5，2米，20％TCP，白色101担体，60～80目。 B. GDX柱，４×0.5，2米，GDX301，60～80目。 一般选用TCP柱做有机硫分析，用GDX柱做无机硫分析。在既有无机硫，又有有机硫的样品分析时，可用双柱TCP柱和GDX柱，两次进样，此时应选02方式。而在进行总硫分析时，可选GDX柱用反吹法来做，选06，07方式或选用01，03（只显示不能画峰图，主要用于在线分析）。选用00，02方式做硫化氢，硫氧化碳和有机总硫。 4.进样： 由于硫化氢具有较强的化学活性，很容易被其他物质吸附而使其含量降低，从而影响测定的准确度。因此在测定过程中，采用吸附性较低的玻璃注射器采集样品，且要求样品的贮存时间不能太长，仪器中凡是样品经过的管线均经过钝化处理。也可采用特殊处理的六通阀自动进样。 5.仪器特点： ①独特的火焰光度检测器结构，操作简便，稳定时间快，采用特殊的火焰结构消除烃类化合物的干扰，使选择性大幅提高； ②在光信号的收集上，采用聚焦的方式，使捕捉到的信号大幅增加，灵敏度成倍数提高； ③采用优质材质及精湛的加工工艺，密封性很好，在实际操作中，抗外界干扰能力大幅提高，稳定性较好； ④在检测器底部，采用加热功能，有效去除冷凝水，使分析精度有很大提高； ⑤整机稳定性较好，操作简便，易于掌握。 6.参考谱图： 常见有机硫在TCP柱上保留时间 火焰光度检测器-FPD(SFPD 、DFPD 、PFPD) 一．概述 1．FPD是1966年问世的，它是一种高灵敏度、高选择性的检测器，对含磷、硫的有机化合物和气体硫化物特别敏感。 2．主要用来检测 ⑴ 油精馏中硫醇、COS、H2S、CS2、、SO2； 0 水质污染中的硫醇； ⑵ 空气中H2S、SO2、CS2； 0 农药残毒； 0 天然气中含硫化物气体。 3．FPD检测硫化物是目前最好的方法，为了提高FPD灵敏度和操作特性，在单火焰气体的流路形式上作了多种尝试，随后设计出了双火焰光度检测器（DFPD），但没有从根本上解决测硫灵敏度 和操作特性欠佳的缺点，最近几年在市场上又推出了脉冲火焰光度检测器（DFPD），无论在测硫、 测磷的灵敏度和选择性都有了成百倍的提高。也可以说，在测磷方面已没有必要再推荐氮磷检 测器了，测硫也基本上满足了当前各领域分析的要求。 二．FPD简明工作原理 FPD实质上是一个简单的发射光谱仪，主要由四部分组成： 1．光发射源是一个富氢火焰（H2 ：O2> 3 ：1），温度可达2000 ~ 3250 ℃ ； 2．波长选择器，常用波长选择器有干涉式或介质型滤光片； 3．接收装置包括光电倍增管（PMT）和放大器，作用是把光的信号转变成电的信号，并适当放大； 4．记录仪和其它的数据处理。 FPD简明工作原理为：当含磷、硫的化合物，在富氢火焰中燃烧时，在适当的条件下，将发射一系列的特征光谱。其中，硫化物发射光谱波长范围约在300 ~ 450nm之间，最大波长约在 394nm 左右；磷化合物发射光谱波长范围约在480 ~ 575nm之间，最大波长约在526 nm左右。 含磷化合物，一般认为首先氧化燃烧生成磷的氧化物，然后被富氢焰中的氢还原成HPO，这个被火焰高温激发的磷裂片将发射一定频率范围波长的光，其光强度正比于HPO的浓度，所以 FPD 测磷化合物响应为线性。 含硫的化合物在富氢火焰中燃烧，在适当温度下生成激发态的S2*分子，当回到基态时，也发射某一波段的特征光。它和含磷的化合物工作机理的不同是：必须由两个硫原子，并且在适当的温度 条件下，方能生成具有发射特征光的激发态S2*分子，所以发射光强度正比于S2*分子，而S2*分子与SO2的浓度的平方成正比，故FPD测硫时，响应为非线性，但在实际上，硫发射光谱强度（IS2 * ）与 n 含硫化物的质量、流速之间的关系为IS2=I0[SO2]，式中：n不一定恰好等于2，它和操作条件以及化合物的种类有很大的关系，特别是在单火焰定量操作时，若以n = 2计算将会造成很大的定量误差。三. 双火焰光度检测器（DFPD） 双火焰光度检测器（DFPD）,克服了单火焰的响应依赖于火焰条件与样品种类的缺点，使响应仅和样品中的硫（磷）的质量有关，并在检测硫时基本遵循平方关系。DFPD工作原理是使用了两个空 气-氢气火焰，将样品分解区域与特征光发射测量区域分开，即从柱流出的样品组分首先与空气混合，然后与过量的氢气混合，在第一个火焰喷嘴上燃烧。第一个火焰将烃类溶剂和复杂的组分分解成比 较简单的产物，这些产物和尚未反应的氢气再与补充的空气相混合，这时的氢气含量仍稍过量，既 Agilent 7890A 气相色谱性能指标 1.工作条件： 温度： 15-35℃ 湿度： 5-95% 电源： 220V ± 10% ， 50-60HZ 2.气相色谱仪，包括：气相色谱主机，2个分流/不分流进样口，检测器两 个，2个自动进样器（可以同时进样），原装化学工作站。 3. 技术性能 3.1气相色谱： 色谱性能：保留时间重现性: < 0.0008min; 峰面积重现性: < 1% RSD。 3.1.1 主机 *3.1.1.1 电子流量控制（EPC）：所有流量、压力均可以电子控制，以提高重现性，13路电子流量控制 *3.1.1.2 压力调节精度：0.001psi 3.1.1.3 大气压力传感器补偿高度或环境变化 3.1.1.4 程序升压/升流：20阶 3.1.1.5具有4种EPC操作模式：恒温，恒压，程序升压，程序升流 3.1.1.6*扳转式顶盖设计 3.1.2 炉箱 3.1.2.1 操作温度：室温以上4℃至450℃ 3.1.2.2 温度设定：1℃，程序升温间隔 0.1℃ 3.1.2.3 升温速度：120C/ min 3.1.2.4 程序升温：20/21 阶 3.1.2.5 稳定性：< 0.01℃ 3.1.2.6 温度准确度：± 1% 3.1.2.7 炉箱冷却速度：450℃到50℃， 240秒 3.1.3 毛细柱分流/不分流进样口（具有电子压力控制功能） 3.1.3.1 最高温度：400℃ 3.1.3.2 电子参数设定压力，流速和分流比 *3.1.3.3 压力设定范围：0-150psi 3.1.3.4 流量设定范围：0-200ml/分钟N2 0-1250ml/分钟H2 *3.1.3.5 压力设定精度：0.001psi 3.1.3.6 最大载气流量：1250ml/min 3.1.4 150位自动进样器 3.1. 4.1 进样速度：0.1s 3.1. 4.2 进样量：0.1-50ul 3.1. 4.3 具有重叠进样的功能 3.1. 4.4 进样针位置：2-30mm可调 3.1. 4.5 样品容量：2ml 3.1. 4.6 进样精度：RSD<0.6% 3.1.5 电子气路控制电子捕获检测器（Micro-ECD） *3.1.5.1 安装隐含阳极和大体积流速，防止污染 3.1.5.2 最高使用温度：400℃ 3.1.5.3 放射源：<15mCi63Ni箔 *3.1.5.4 最低检测限：：<6 fg/mL 林丹 *3.1.5.5 动态范围：>5×105（六氯化苯） 3.1.5.6 数据采集速率：高达50Hz 3.1.6 火焰光度检测器（FPD） 3.1.6.1 EPC电子气路控制 3.1.6.2 最低检测限：<3.6 pg S/sec用十二烷硫醇; ≤60 fg P/sec磷酸丁三酯混合物； 3.1.6.3 硫选择性 = 106 gS/gC 3.1.6.4 动态范围：>103 S十二烷硫醇, 104 P磷酸丁三酯混合物 3.2 化学工作站 3.2.1 软件：中文软件，Win 2000/XP 操作环境 3.2.2 软件可控制仪器 火焰检测器概述 火焰检测器对于大家来说是个新名词，一直以来，对于我们的认识当中，火是不可掌握的，随着科学的发展，人们逐渐认识了火焰，同时也发明了认识火焰的工具——火焰检测器，它主要是由探头和信号处理器两个部分组成。 1.紫外光型 紫外光火焰检测器采用紫外光敏管作为传感元件，其光谱范围在O.006~0.4?m之间。紫外光敏管是一种固态脉冲器件，其发出的信号是自身脉冲频率与紫外辐射频率成正比例的随机脉冲。紫外光敏管有二个电极，一般加交流高电压。当辐射到电极上的紫外光线足够强时，电极间就产生“雪崩”脉冲电流，其频率与紫外光线强度有关，最高达几千赫兹。灭火时则无脉冲。 2.可见光型 可见光火焰检测器采用光电二极管作为传感元件，其光谱响应范围在0.33~0.7?m之间。可见光火焰检测器由探头、机箱和冷却设备等部分组成。炉膛火焰中的可见光穿过探头端部的透镜，经由光导纤维到达探头小室，照到光电二极管上。 该光电二极管将可见光信号转换为电流信号，经由对数放大器转换为电压信号。对数放大器输出的电压信号再经过传输放大器转换成电流信号。然后通过屏蔽电缆传输至机箱。在机箱中，电流信号又被转换为电压信号。代表火焰的电压信号分别被送到频率检测线路、强度检测线路和故障检测线路。强度检测线路设有两个不同的限值，即 上限值和下限值。当火焰强度超过上限值时，强度灯亮，表示着火;当强度低于下限值时，强度灯灭，表示灭火。 频率检测线路用来检测炉膛火焰闪烁频率，它根据火焰闪烁的频率是高于还是低于设定频率，可正确判断炉膛有无火焰。故障检测线路也有两个限值，在正常的情况下，其值保持在上、下限值之间。一旦机箱的信号输入回路出现故障，如光电管至机箱的电缆断线，则上述电压信号立刻偏离正常范围，从而发出故障报警信号。 3.红外光型 红外光火焰检测器采用硫化铅或硫化镉光敏电阻作为传感元件，其光谱响应范围在0.7-3.2?m之间。红外光火焰检测器也是由探头、机箱和冷却设备组成。燃烧器火焰的一次燃烧区域所产生的红外辐射，经由光导纤维送到探头，通过探头中的光敏电阻转换成电信号，再由放大器放大。该火焰信号由屏蔽电缆送到机箱，通过频率响应开关和一个放大器后，再同一个参考电压(可调)进行比较。 开题报告 化学 固体废物中有机磷农药的测定气相色谱-火焰光度检测器法一、选题的背景与意义 有机磷农药是为取代有机氯农药发展起来的，它比有机氯农药较易降解，残留期较短，是现有农药中品种最多、使用最广的一类，约有100多种。环境中有机磷农药的污染和毒害已日益引起人们的广泛关注。有机磷农药毒性较高，是急性中毒类农药，如对硫磷和内吸磷等都是剧毒品。 有机磷农药常被用作杀虫剂喷洒在果树、蔬菜上，残留在水果、蔬菜上的农药或进入环境的农药进入有机体，对人、畜毒性较大，大部分对生物体内胆碱酯酶有抑制作用，抑制胆碱酯酶使其失去分解乙酰胆碱的能力，造成乙酰胆碱积累，引起神经功能紊乱，从而导致肌体的损害。 有机磷农药的各类环境质量标准和污染物排放（控制）标准，均没有针对固废。现收集到与土壤或固废相关的标准，见表1。 表1 有机磷农药相关环境质量或排放标准 环境质量或排 放标准标准号排放限值 浓度单 位 土壤环境质量 标准 GB15618-1995 无相关排放标准 乐果对硫 磷 甲基对硫磷 马拉硫 磷 浸出液 危险废物毒性 标准浸出毒性 鉴别GB5085.3-2007 8 0.3 0.2 5 mg/L 生活垃圾填埋 污染控制标准 GB16889-2008 无相关排放标准展览馆用地土 壤环境质量标 准 HJ350-2007 无相关排放标准城镇垃圾农用GB8172-1987 无相关排放标准 控制标准 在现行的有机磷农药的监测分析方法中，主要采用有机溶剂提取，净化步骤除去干扰物，用气相色谱氮磷检测器(NPD)或火焰光度检测器(FPD)检测，再根据色谱峰的保留时间定性，外标法定量。此方法仅适应于水和土壤中有机磷农药的分析，尚未制定固体废物中有机磷农药的标准分析方法。 现根据对目前农田里常用有机磷农药的使用情况调研以及相关有机磷农药的标准，筛选出12种左右的有机磷农药，分别为甲拌磷、乐果、二嗪农、乙拌磷、异稻瘟净、甲基对硫磷、马拉硫磷、对硫磷、毒死蜱、稻丰散、丙溴磷、乙硫磷，对这12种有机磷农药制定标准方法。 三、研究的方法与技术路线： 考虑到快速溶剂萃取法（ASE）具有萃取速度快、溶剂用量少、效率高、密封性能好造成环境污染小的特点，决定样品的前处理采用ASE提取，经浓缩定量后采用GC-FPD的方法检测固体废物中的有机磷农药。 技术路线： 四、研究的总体安排与进度： 火焰检测器的应用 引言 对于大型煤粉锅炉，炉膛燃烧火焰的稳定与否，是保证锅炉安全和经济运行的最重要条件。当锅炉燃烧不稳或操作不当时，会引起部分或全部煤粉燃烧器熄灭，不仅降低了锅炉热效率，同时还产生了污染和噪声。若继续向燃烧器提供煤粉，会引起煤粉在炉膛内的堆积进而产生爆燃现象，这将严重威胁锅炉炉膛设备的安全和使用寿命。为了防止爆燃现象发生，必须对炉膛内的火焰进行切实有效的检测。 火焰检测器是炉膛安全监视系统(FSSS)的“眼睛”，用来观察炉膛是否有火焰。目前，火焰检测器已从普通光学检测器(紫外光火焰检测器、可见光火焰检测器和红外光火焰检测器)发展到了火焰图像检测器。 2 火焰检测器 2．1紫外光火焰检测器 紫外光火焰检测器采用紫外光敏管作为传感元件，其光谱范围在O．006~0．4μm之间。紫外光敏管是一种固态脉冲器件，其发出的信号是自身脉冲频率与紫外辐射频率成正比例的随机脉冲。紫外光敏管有二个电极，一般加交流高电压。当辐射到电极上的紫外光线足够强时，电极间就产生“雪崩”脉冲电流，其频率与紫外光线强度有关，最高达几千赫兹。灭火时则无脉冲。 2．2可见光火焰检测器 可见光火焰检测器采用光电二极管作为传感元件，其光谱响应范围在0．33~0．7μm之间．可见光火焰检测器由探头、机箱和冷却设备等部分组成。炉膛火焰中的可见光穿过探头端部的透镜，经由光导纤维到达探头小室，照到光电二极管上。 该光电二极管将可见光信号转换为电流信号，经由对数放大器转换为电压信号。对数放大器输出的电压信号再经过传输放大器转换成电流信号。然后通过屏蔽电缆传输至机箱。在机箱中，电流信号又被转换为电压信号。代表火焰的电压信号分别被送到频率检测线路、强度检测线路和故障检测线路。强度检测线路设有两个不同的限值，即上限值和下限值。当火焰强度超过上限值时，强度灯亮，表示着火；当强度低于下限值时，强度灯灭，表示灭火。 频率检测线路用来检测炉膛火焰闪烁频率，它根据火焰闪烁的频率是高于还是低于设定频率，可正确判断炉膛有无火焰。故障检测线路也有两个限值，在正常的情况下，其值保持在上、下限值之间。一旦机箱的信号输入回路出现故障，如光电管至机箱的电缆断线，则上述电压信号立刻偏离正常范围，从而发出故障报警信号。 2．3红外光火焰检测器 红外光火焰检测器采用硫化铅或硫化镉光敏电阻作为传感元件，其光谱响应范围在0．7-3．2μm 之间。红外光火焰检测器也是由探头、机箱和冷却设备组成。燃烧器火焰的一次燃烧区域所产生的红外辐射，经由光导纤维送到探头，通过探头中的光敏电阻转换成电信号，再由放大器放大。该火焰信号由屏蔽电缆送到机箱，通过频率响应开关和一个放大器后，再同一个参考电压(可调)进行比较。 若火焰信号大于参考信号，则将对应的触发器置“1”，触发器输出信号被送至火焰检测线路，使机箱内红色火焰指示灯发亮(表示着火)。反之，如果探头没有检测到火焰，则起动一个3．5s的定时器，当3．5s过后，即将上述触发器置“0”，触发器输出信号被送至火焰检测线路，使机箱内的红色火焰指示灯熄灭(表示灭火)。 2．4火焰图像检测器 火焰图像检测器是20世纪80年代出现的一种新产品。火焰图像检测器主要由传像光纤、摄像机(简称 CCD)、视频输入处理器、图像存储器和计算机组成。 带有冷却风的传像光纤伸入炉膛(四角布置，以层为单位进行火焰检测)，将所检测的燃烧器火焰图像以光信号的形式传到摄像机的靶面上，摄像机再将图像转换为标准的模拟视频信号，并通过视频电缆传给视频输入处理器。视频输入处理器将模拟视频信号经MD(模拟量／数字量)转换，变成数字图像存储于图像存储器中。 计算机则将图像存储器中数字化的图像信息按照一定的着火判据进行计算，从而得出燃烧器火焰的有或无 (0N／OFF)信号，并将其送至FSSS。 3 火焰检测器的应用 书名:气相色谱检测方法（第二版）作者:吴烈钧编著 火焰光度检测器 第一节引言 火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD)是利用富氢火焰使含硫，磷杂原子的有机物分解，形成激发态分子，当它们回到基态时，发射出一定波长的光。此光强度与被侧组分量成正比。所以它是以物质与光的相互关系为机理的检侧方法，属光度法。因它是分子激发后发射光，故它是光度法中的分子发射检测器。 1966年Brody和Chancy首次提出气相色谱FPD，称通用型FPD。它有易灭火等缺点。以后在气体的流路形式方面又作了改进。这些均属单火焰FPD（single flame photometric detector,简称SFPD）。为了克服SFPD的缺点，出现了双火焰光度检侧器（dual－flame photometric detector；简称DFPD）。近年又出现了脉冲火焰光度检侧器（pulsed-flame photometric detector；PFPD），使灵敏度和选择性均较SFPD, DFPD有很大提高，还扩大了检侧元素的范圈。 FPD是一种高灵敏度和高选择性的检测器，其主要特征是对硫为非线性响应，它是六个最常用的气相色谱检测器之一、主要用于含硫、磷化合物，特别是硫化物的痕量检测。近年也用于有机金属化合物或其他杂原子化合物的痕量检测。 第二节工作原理和响应机理 一、工作原理 图6-1为FPD系统示意图。它主要由二部分组成：火焰发光和光、电信号系统。 火焰发光部分由燃烧器(4)和发光室(2)组成，各气体流路和喷嘴等构成燃烧器，又称燃烧头。通用型喷嘴由内孔和环形的外孔组成。气相色谱柱流出物和空气混合后进入中心孔，过量氢从四周环形孔流出。这就形成了一个较大的扩散富氢火焰、烃类和硫、磷确化合物在火焰中分解，并产生复杂的化学反应，发出特征光。硫、磷在火焰上部扩散富氢焰中发光，烃类主要在火焰底部的富氧焰中发光，故在火焰底部加一不透明的遮光罩(3)挡住烃类光，可提高FPD的选择性。为了减小发光室的体积，可在喷嘴上方安一玻璃或石英管(1)，以降低检测器的响应时间常数。 右为光、电信号部分，为了避免发光中产生的大量水蒸气，燃烧产物和高温对光、电系统的影响，用石英窗(5)和散热片(6)将发光室和光电系统隔开。因FPD不是将所有的光变成电信号，而是用滤光片(7)选择硫、磷特征光。图6-2为硫、磷和碳的相对光谱响应曲线，当硫化物进人火焰，.形成激发态的S2*分子，此分子回到基态发射出波长为320～480nm的光， 浙江理工大学学报,第26卷,第2期,2009年3月 Journal of Zhejiang Sci2Tech U niversity Vol.26,No.2,Mar.2009 文章编号:167323851(2009)022******* 气相色谱FPD检测器在线分析磷化氢气体 俞晓晶a,丁高松a,金达莱a,汪丽娜b,王 勇c,姚奎鸿a (浙江理工大学,a.材料工程中心;b.分析测试中心;c.教务处,杭州310018) 摘 要:利用气相色谱方法,采用火焰光度检测器(FPD),对磷化氢气体进行了较为系统的气相分析,建立了快速、灵敏、可靠的磷化氢工业在线分析。调节色谱操作参数,验证实验数据的可靠性;用焰光度检测器检测,测量的灵敏度为2.48×1014μV?s/g,最小检测限为1.6129×10-13g/s;以柱效为评价指标,优化检测磷化氢的色谱操作条件,得出最佳柱箱温度和载气流速分别在140℃左右、80mL/min附近。 关键词:磷化氢;气相色谱;火焰光度检测器(FPD);在线分析 中图分类号:TQ016 文献标识码:A 0 引 言 磷化氢(P H3),又称磷烷,是一种重要的电子气体[123]。P H3有毒性、危险性非常大。我国P H3研究起步于“六五”期间,光明化工研究设计院受原化工部资金的支持,开展P H3的合成、净化、分析等系列研究,“七五”期间我国的南京特气公司(现改为华厦气体公司),也曾开展此方面的工作[4]。目前国内P H3大部分用户都采用进口的P H3用来进行5%的N22P H3配制[4]。P H3在国际上销售价格较高,国际上几大气体公司都有超纯P H3销售。由于涉及自主知识产权问题,有关电子气体的生产、净化、包装、分析等技术多在国际属于高度保密,可参考借鉴的相关资料非常稀少。 在线分析仪器是现代工业生产中不可缺少的一部分,并且起着“指导者”和“把关者”的作用。为保证质量和生产安全,各种工业生产,特别是连续自动化生产都离不开关键的质量监控,这是众所周知的事实[5]。随着IC产业国际化竞争日益加剧,开展电子气体的自主研究与生产势在必行,精确的分析也必不可少。作为一种重要的半导体器件掺杂源气体,P H3的定性与定量分析,特别是P H3在线测定方法的建立显得十分重要[6]。 磷化氢定量及定性分析方法主要有钼蓝比色法和气相色谱法。前者操作费时,灵敏度低,不适用于大量样品和低浓度样品的测定;后者方便快捷,但样品预处理复杂,而且由于磷化氢容易受外界因素如光和氧气等的影响,目前国内仍未将色谱法作为磷化氢分析的标准方法[7]。但是,针对P H3的在线分析,气相色谱法仍具有不可替代的快速和便捷的优点。 灵敏度和检测限是气相色谱仪检测器的主要性能指标[8],火焰光度检测器(FPD)是一种只对含硫、含磷化合物有高选择性、高灵敏度的检测器[9211],FPD检测器用于对磷化氢进行系统的气相在线分析尚未见报道。 本文主要采用火焰光度检测器(FPD)对磷化氢(P H3)进行在线系统模拟检测,通过调节柱箱温度和载气流速等色谱参数,在对其实验值和理论值进行比较证明其可靠性的同时,以色谱柱的柱效为性能指标,选择适用于在线分析磷化氢的最佳色谱条件。 收稿日期:2008-01-25 基金项目:浙江省科技厅分析测试科技计划项目(2007F70025) 作者简介:俞晓晶(1985- ),男,浙江武义人,硕士研究生,从事半导体及无机材料研究。 1 GC126-FPD火焰光度检测器 1.1引言 1.1.1 GC126-FPD火焰光度检测器概述 GC126－FPD火焰光度检测器是GC126气相色谱仪中选配的特种检测器之一，是专门用于检测含磷化物及含硫化物；是一种高选择性及高灵敏度的检测器。它只对含磷化物、硫化物有响应，而其它元素对它无干扰或干扰很小，因此这种检测器可以应用在石油化工中的含硫化物的微量检测。特别是自然界生物体内含磷、含硫化合物很多，新合成有机磷化物、硫化物、农药中的大量杀虫剂、杀菌剂都是含磷、含硫的有机化合物，而这些农药的残留量测定必须依赖于对磷、硫有高灵敏度及高选择性的火焰光度检测器（特别是对硫化物唯有采用火焰光度检测器测定）。 故火焰光度检测器可以广泛应用在生物、农业、环保、化工、医药、食品等行业的质量检验。 GC126－FPD火焰光度检测器有两个单元所组成，其一是火焰光度控制器包括微电流放大器和负高压稳压输出；其二是火焰光度检测器。本使用说明书仅对GC126－FPD火焰光度检测器的结构原理、操作方法和仪器保养、检修作较详细的说明。 1.1.2 GC126-FPD火焰光度检测器基本参数 1.1. 2.1 技术指标 检测限：对磷：Dt≤2×10-11g/s(p)（甲基对硫磷） 对硫：Dt≤1×10-10g/s(s)（甲基对硫磷） 基线噪声：≤10μV P；108；衰减1/32 （1mV量程） S；108；衰减1/8 （1mV量程） 基线漂移：≤30μV/30min 线性范围：对磷：103 对硫：102 启动时间：检测器开机≤2h应能正常工作。 1.1. 2.2 检测器使用要求 电源电压：220V±22V，50Hz±0.5Hz 功率：≤100W 环境温度：＋5℃~35℃ 相对湿度：≤85％ 环境条件：检测器安装室内应没有腐蚀性气体及不致使电子器件的放大器、色谱数据处理机及色谱工作站正常工作的电场和电磁场存在，检 测器安装后工作台应稳固，不能有振动，以免影响检测器正常工 作。在接氢气瓶或氢发生器的室内2m内不得有火种存在或发火 装置的可能性。 1.1. 2.3 外形体积 510mm(长)×370mm(宽)×200mm(高) 1.1. 2.4 重量 1kg(该重量是指本检测器所带附件及备件经包装后的重量参考值)。 1.1. 2.5 检测器成套性 GC126－FPD火焰光度检测器一台 附件、备件清单、合格证、说明书与检测器同装纸箱。 1.1.3 开箱与验收 收到仪器后，应该校对检测器型号与选购的检测器订单是否相符合。同时开箱检查仪器在运输过程中是否有损坏，若有明显损坏现象应立即与本厂质量检验科联系酌情处理。检测器自用户购买日起14个月内，厂方免费为用户进行非用户人为所至的故障修理。 第1章概述 1.1 用途 火焰检测设备是火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）中的关键设备，它的作用贯穿于从锅炉启动至满负荷运行的全过程，用于判定全炉膛内或单元燃烧器火焰的建立/熄灭或有火与无火，当发生全炉膛灭火或单元燃烧器熄火时，火焰检测设备触点准确动作发出报警，依靠FSSS系统连锁功能，停止相应给粉机、磨煤机、燃油总阀或一次风机等的运行，防止炉膛内积聚燃料，异常情况被点燃引起锅炉爆炸恶性事故的发生，因此设备性能即设备运行的可靠性与检测的准确性直接关系到机组的运行安全与稳定性，ZHJZ-IV型火焰检测器适用于按各种方式分类的锅炉，包括按燃料类型分为燃油、燃煤、燃气锅炉，按机组容量分类的各种大中小型锅炉，按炉型分类的四角切圆燃烧、对冲燃烧、循环流化床等各种锅炉。 1.2 火焰检测原理 油、煤或气体燃料的燃烧其实质是燃料化学能以电磁波的形式释放，燃烧器火焰一般都能发射几乎连续的发光光谱，其发射源是燃烧过程中生成的高温炭素微粒子、微粉炭粒子群和气体等，不同的燃料燃烧过程中的中间产物不完全相同或中间产物的所占比例各不相同，不同的燃烧中间产物所发射的光谱不完全一样，这是选择不同类型火焰检测器依据，C2发射可见光（发射波长为473.7纳米左右）、CH化合物发射紫外到蓝光区波段的光谱、炭素粒子群发射红光区光谱、CO2、H2O和SO2等三原子气体发射红外光，不同燃料的光谱分布特性是油火焰含有大量的红外线、部分可见光、和少量紫外线，煤粉火焰含有少量紫外线、丰富的可见光和少量红外线。气体火焰有丰富的紫外线、红外线和较少的可见光，而且对于单只燃烧器火焰，其辐射光谱沿火焰轴线分布是有规律的，例如煤粉锅炉中煤粉燃烧器沿轴线从里至外分为4个区域即预热区、初始燃烧区、安全燃烧区和燃尽区，在初始燃烧区不但可见光较丰富而且能量辐射率变化聚烈，因此火焰检测探头准确对准燃烧器的初始燃烧区是最佳选择。 ZHJZ-IV型火焰检测器的火焰检测设备是一种间接辐射型可见光式火焰检测设 第8卷(2002)第5期 燃 烧 科 学 与 技 术 JOURNAL OF C OMBUSTION SCIENC E AND TEC HN OLOGY V ol.8(2002)N o.5 有辐射热损射流扩散火焰条件矩模型数值模拟 邹 春1,郑楚光1,周力行2 (1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074; 2.清华大学力学系煤的清洁燃烧国家重点实验室,北京100081) 摘 要:假设火焰辐射区域为光学薄,将辐射计算的代数模型嵌入到条件矩模型中(CM C(rad)),对甲烷-空气射流扩散值班火焰进行了模拟。并将此模型的模拟结果分别与实验和未考虑辐射热损的条件矩模型(CMC(ad))的结果进行了比较。结果表明采用代数模型计算辐射热损失是合适的,且考虑辐射的条件矩模型对温度场和NO的浓度的模拟结果相比未考虑辐射热损条件矩模型的模拟结果,与实验结果符合得要好。 关键词:辐射热损失;条件矩;扩散火焰;数值模拟 中图分类号:T K16 文献标识码:A 文章编号:1006-8740(2002)05-0472-06 Simulation of Conditional Moment Closu re Model of CH4-Air Jet Diffusion Flame with Radiant Heat Losses ZOU Chun,ZHENG Chu-guang,ZHOU Li-xing (1.N ational Laboratory o f Coal Combustio n,Huazhong U niversity o f Science and T echnology,Wuhan430074,China; 2.State Laboratory of Clean Combustion of Coal,T singhua U niversity,Beijing100084,China) Abstract:U nder the assumptio n of optical thin in radiating flame zones,the simulation for CH4-Air je t diffusion piloted flame w as car ried out by embedding the algebraic model of radiation calculation in conditional closure moment model(CMC (rad)).T he results of this model(CM C(rad))were compared w ith that of experiment and co nditional closure moment without radiation calcula tio n(CM C(ad))separately.I t demonstrated that algebraic model using for calculation of radiant heat losses was reaso nable,and the agreement of predictions of temperature and NO of CM C(rad)and experiment was more satisfactory than CM C(ad). Keywords:radiant heat losses;co nditional moment closure;diffusion flame;numeric simulation 对于湍流反应流的数值模拟一直是国际燃烧界关注的研究领域。模拟湍流反应流的困难既在于湍流本身所带来的问题,还在于湍流与化学反应之间的耦和,即湍流混合引起组分浓度的强烈脉动,这影响着化学反应速率。同时,化学反应也引起混合温度和密度的强烈变化,这又反过来影响湍流流场的结构。准确预报火焰特征的湍流燃烧模型应当考虑这种非线性耦和。目前所采用的模型或者没有很好地解决此矛盾[1],比如二阶矩模型;或者是在极为苛刻的条件下解决此矛盾,比如小火焰面模型;或者是以巨大的计算机运算量为代价来解决此矛盾,比如PDF模型。条件矩模型成功地解决了此矛盾,而且有着坚实的物理基础,和并不太大的计算机运算量。 扩散火焰燃烧存在燃料与氧之间的混合和反应两种过程。混合分数是描述混合的化学计量的参数,而且实验证实,对于大多数感兴趣的标量(主要组分的浓度和标准焓等)只与当地的混合分数相关。混合分数是一个守恒变量,它的平衡方程没有源项,这样,它不受制于反应标量引起的困难,其均值和脉动值常常可以由矩方法得到。以混合分数为条件变量,这样均值 收稿日期:2001-11-02。 基金项目:国家重大基础研究发展规划资助项目。 作者简介:邹 春(1970—),男,博士生,讲师。E-mail:zouchun_z c@https://www.360docs.net/doc/5b15484502.html,。 脉冲式火焰光度检测器(PFPD) 脉冲式火焰光度检测器(PFPD)是最新设计的火焰光度检测器。最适合于含硫和磷化合物的选择性检测. PFPD检测器也能够选择性的测定28种特定的元素。和标准的FPDs较，PF PD可获得更高的检测限(10倍)，更大的选择性(10-1000)，更强的可靠性和更低的操作成本。它的双通道模拟输出功能允许S和P,S和C或任意两种元素产生的信号同时输出。 操作原理： PDPF主要使用反应气体未端的扩散火焰。火焰中气相反应的结果, 使一些分子产生特征的发射光谱及发射的延迟。种不同的发射光谱及延迟可以用于增强PFPD的选择性减少噪音,提高检测灵敏度。由于使用不连续扩散火焰，燃烧室所用气体流量大大降低( 大约1/10 )。另外, 电 子门脉冲性能使噪音控制在门脉冲窗口之外，进一步增强了检测器的性能。 主要测定的28种元素S, P (主要应用) C, N, As, Br, Pb (关键应用) B, Al, Si, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Ga, Ge, Se, Ru, Rh, In, Sb, Te, W, Bi, Eu(其他应用) OI公司的PFPD检测器可以配置到任何进口的GC上. 1.更高的灵敏度 使用窄口径毛细柱(0.25mm内径) 可得到的最小检测限为硫：2x10-13 g S/sec，磷：1x10-14 g P/sec和氮：2x10-12g N/sec。若使用大口径毛细柱(0.53mmID)，灵敏度会略有降低，但此检测限要高出任何FPD的结果。 其出众的灵敏度可归功于： A. 由于时间过滤使得火焰背景和化学噪音降低； B. 由于电流控制，使得暗电流降低； C. 由于低燃烧气流量和更小的燃烧室体积可得到更高的信号强度； D. 使用波长范围更宽的滤光片； PFPD对磷的检测灵敏度相当于或高于NPD，且没有峰拖尾及长时间的稳定预热问题，它还有选择性检测C和N的优势。 PFPD硫模式的检测限大致和硫化学荧光检测器(SCD)相等。但由于二元响应，PFPD的信噪比更好些。 2.提高选择性 发射信号的时间延迟明显地增强了选择性(>103)，因此，PFPD相对碳氢化合物而言是一种特殊的检测器(选择性超过107)。由于各元素唯一的发射时间及双门槛差减软件，可明显地增加不同元素间的选择性。改善硅的选择性，可在高温流失的条件下提供一稳定的基线。3.较低的燃气消耗 火焰光度检测器F P D 集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN] 火焰光度检测器-FPD(SFPD 、DFPD 、PFPD) 一．概述 1． FPD是 1966年问世的，它是一种高灵敏度、高选择性的检测器，对含磷、硫的有机化合物和体硫化物特别敏感。 2．主要用来检测 ⑴ 油精馏中硫醇、COS、 H2S、 CS2、 SO2； 0 水质污染中的硫醇； ⑵ 空气中H2S、SO2、CS2； 0 农药残毒； 0 天然气中含硫化物气体。 3． FPD检测硫化物是目前最好的方法，为了提高 FPD灵敏度和操作特性，在单火焰气体的流路式上作了多种尝试，随后设计出了双火焰光度检测器（DFPD），但没有从根本上解决测硫灵敏 和操作特性欠佳的缺点，最近几年在市场上又推出了脉冲火焰光度检测器（DFPD），无论在测 测磷的灵敏度和选择性都有了成百倍的提高。也可以说，在测磷方面已没有必要再推荐氮磷检 测器了，测硫也基本上满足了当前各领域分析的要求。 二．FPD简明工作原理 FPD实质上是一个简单的发射光谱仪，主要由四部分组成： 1．光发射源是一个富氢火焰（H2 ：O2> 3 ：1），温度可达2000 ~ 3250 ℃ ； 2．波长选择器，常用波长选择器有干涉式或介质型滤光片； 3．接收装置包括光电倍增管（PMT）和放大器，作用是把光的信号转变成电的信号，并适当放大4．记录仪和其它的数据处理。 FPD简明工作原理为：当含磷、硫的化合物，在富氢火焰中燃烧时，在适当的条件下，将发射一系列的特征光谱。其中，硫化物发射光谱波长范围约在 300 ~ 450nm之间，最大波长约在 39左右；磷化合物发射光谱波长范围约在 480 ~ 575nm之间，最大波长约在 526 nm左右。 含磷化合物，一般认为首先氧化燃烧生成磷的氧化物，然后被富氢焰中的氢还原成 HPO，这个被火焰高温激发的磷裂片将发射一定频率范围波长的光，其光强度正比于 HPO的浓度，所以 FP 测磷化合物响应为线性。 含硫的化合物在富氢火焰中燃烧，在适当温度下生成激发态的S2*分子，当回到基态时，也发射某一波段的特征光。它和含磷的化合物工作机理的不同是：必须由两个硫原子，并且在适当的温度条件下，方能生成具有发射特征光的激发态S2*分子，所以发射光强度正比于S2*分子，而S2*分子与SO2的浓度的平方成正比，故FPD测硫时，响应为非线性，但在实际上，硫发射光谱强度（IS2）与含硫化物的质量、流速之间的关系为IS2=I[SO2]，式中：n不一定恰好等于2，它和操作条件以及化合物的种类有很大的关系，特别是在单火焰定量操作时，若以n = 2计算将会造成很大的定量误差三. 双火焰光度检测器（DFPD） 双火焰光度检测器（DFPD）,克服了单火焰的响应依赖于火焰条件与样品种类的缺点，使响应和样品中的硫（磷）的质量有关，并在检测硫时基本遵循平方关系。DFPD工作原理是使用了两个空气-氢气火焰，将样品分解区域与特征光发射测量区域分开，即从柱流出的样品组分首先与空气混然后与过量的氢气混合，在第一个火焰喷嘴上燃烧。第一个火焰将烃类溶剂和复杂的组分分解成比较简单的产物，这些产物和尚未反应的氢气再与补充的空气相混合，这时的氢气含量仍稍过量，既 1 中华人民共和国国家标准 GB 15631－1995 点型红外火焰探测器 性能要求及试验方法 Performance requirements and test methods for point infrared flame detectors 1主题内容与适用范围 1.1 主题内容 本标准规定了波长大于850mm的点型红外火焰探测器（以下简称探测器）的性能要求、试验方法和标志。 1.2 适用范围 本标准适用于一般工业与民用建筑中安装的点型红外火焰探测器。对于在特殊环境中安装的具有特殊性能的探测器，除特殊性能要求由有关标准另行规定外，亦应执行本标准。 2引用标准 GB 12791 点型紫外火焰探测器性能要求及试验方法 GB 12978 火灾报警设备检验规则 GB 2423.1 电工电子产品基本环境试验规程试验A：低温试验方法 GB 2423.2 电工电子产品基本环境试验规程试验B：高温试验方法 GB 2423 3 电工电子产品基本环境试验规程试验Ca：恒定湿热试验方法GB 2423.10 电工电子产品基本环境试验规程试验Fc：振动（正弦）试验方法 GB 2423.19 电工电子产品基本环境试验规程试验Kc：接触点和连接件的二氧化硫试验方法 3性能要求 3.1 当被监视区域发出火灾且火灾参数达到规定值时，其探测器应输出火灾报警信号，同时启动探测器的报警确认灯或起同等作用的其他显示器。 3.2 探测器应耐受住本标准第4章所规定的各项试验，并应满足本标准的全部要求。 4试验方法 4.1 试验的一般方法 4.1.1 按附录A规定对探测器进行试验，每次试验需要八只探测器。 4.1.2 试验时需提交的申请文件应符合GB 12978第4.1.4条的规定。 国家技术监督局1995-07-19批准 1996-02-01实施感温,感烟,火焰探测器的应用环境
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