王英爽 齊汝賓 鄭安平 劉群群

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 鄭州 450002）

1 引言

SO3是火力發(fā)電產(chǎn)生的主要污染物之一，目前發(fā)電廠所使用的催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）裝置中，一定程度上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)刺激、強(qiáng)腐蝕性的SO3氣體，并且能與少量的逃逸氨反應(yīng)形成硫酸銨或者酸氫銨，引起預(yù)熱器堵塞，從而影響機(jī)組運(yùn)行。另一方面，煙氣管道中SO3的排放是造成酸雨的主要原因。光譜測量法是檢測SO3的最新型方法［1］，基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)，運(yùn)用QCL（Quality Class Level，QCL）量子級聯(lián)激光器，使激光在光程池內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次反射，因而能夠直接對煙氣中的SO3進(jìn)行快速高效的檢測。此方法展現(xiàn)出了靈敏度高、選擇性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

而在實(shí)際應(yīng)用過程中，根據(jù)SO3的化學(xué)特性和中紅外激光不易觀測的特點(diǎn)，采用以往的光程池結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)光路不穩(wěn)定難校準(zhǔn)、光程較短、鏡面易粘結(jié)腐蝕問題。因此需要設(shè)計(jì)出一種新型光程池，本文基于Herriott池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［2］，通過建立中紅外激光光源，選用耐腐蝕、高反射率膜，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用仿真軟件進(jìn)行光線追跡，設(shè)計(jì)出了一種適用于SO3中紅外檢測系統(tǒng)的光程池，克服了以往的不足，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 SO3光譜測量系統(tǒng)簡介

根據(jù)激光吸收光譜技術(shù)原理［3］，由QCL量子級聯(lián)激光器發(fā)出的中紅外光，在光程池經(jīng)過多次反射，通過探測出射光強(qiáng)度的變化，與入射光強(qiáng)度作比較分析，得出氣體成分和濃度。根據(jù)SO3的化學(xué)性質(zhì)，在溫度為315℃～370℃左右時(shí)，SO3與水蒸氣形成氣態(tài)硫酸［4］，因此光程池需要增加輔熱裝置和壓力傳感器，控制溫度范圍使其呈現(xiàn)出氣體狀態(tài)。設(shè)計(jì)采用加熱裝置與腔體分離，便于拆卸同時(shí)也避免了對光路的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 TDLAS技術(shù)原理圖

朗伯-比爾定律是激光吸收光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)，它表述為［5］

其中：δ(λ)為待檢測入射光強(qiáng)度；I(λ)為輸出的光強(qiáng)度；I0(λ)為氣體分子對波長λ的光吸收截面；C為待測氣體濃度；R為鏡面的反射率；N為光束在懷特池中反射的總次數(shù)；L為光程。作為主要參數(shù)濃度C和光程L，對于痕量氣體的檢測，要滿足光程足夠長，這樣光譜中才能攜帶足夠的信息，出射光強(qiáng)也能達(dá)到檢測器的要求，從而才能獲得有用的信號。因此這是光程池設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)。

3 光程池反射鏡設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)

在 Herriott池的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上［6］，利用兩塊共軸放置等焦距球凹面鏡組成一個(gè)諧振腔。采用反射鏡焦距為250mm、半徑為50mm、腔長為250mm的共焦腔結(jié)構(gòu)。在入射鏡A上選取合適的位置開孔，作為光線的進(jìn)口和出口。在出口方向建立探測器面板來模擬光電探測器，用于檢測出射光光強(qiáng)。如圖2所示。

圖2 反射鏡模型

3.2 光源的建立

為了減少SO3吸收光譜帶處的交叉干擾，經(jīng)查閱文獻(xiàn)［7］，并且利用Hitran譜庫中吸收線位置、強(qiáng)度、展寬系數(shù)等數(shù)據(jù)，計(jì)算得出SO3的吸收光譜帶為中紅外7μm左右處，在Tracepro仿真軟件中建立激光光源，本文優(yōu)先采用使用適用于邊界確定平面的格點(diǎn)光源，發(fā)光形式采用圓形高斯分布光源，光斑直徑3mm，環(huán)數(shù)為100，光束的光通量為20mW，如圖3所示。

圖3 光束能量高斯分布圖

在光線能量恒定的情況下，根據(jù)共焦腔設(shè)計(jì)原理，通過改變光源的入射方向，從而來確定最佳入射光線的方向來獲得更多的反射次數(shù)。光源位置選擇在鏡面開孔處，如圖4所示。

3.3 反射鏡膜的選取

反射鏡是光程池最核心的部分，激光主要依靠反射鏡進(jìn)行多次反射穿過氣體。根據(jù)朗伯-比爾定律可得，更長光程的光程有利于對氣體成分及濃度實(shí)現(xiàn)精確的測量，光束每反射一次都會(huì)有能量的損耗，而影響激光反射率的就是表面所鍍的金屬膜種類。不同波長下金屬膜的反射效率也有所不同，利用鍍金屬膜可以大大地提高反射率［8］。在實(shí)際應(yīng)用中獲得很好的效果。

在比較了幾種高反射率金屬 Ag、Au、Cu、Al、Rh在中紅外7μm處的反射特性后，發(fā)現(xiàn)Ag、Au、Cu在Au中紅外波段都展現(xiàn)出了較好的反射效率［9］，根據(jù)SO3易形成硫酸蒸汽的特性，綜合考慮選取同等波長下反射率最高且抗硫酸腐蝕效果較好的Au作為金屬反射膜。

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4.1 光路結(jié)構(gòu)分析及光程

光路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是影響光程池工作的重要因素，除了外部材料的隔振性能，還要考慮光路光線傳輸?shù)牟▌?dòng)性。入射光源的入射角度和位置都能影響這光路的穩(wěn)定和光程，光線太密，光線之間容易產(chǎn)生干涉，致使光能量損失。光線稀疏，不能達(dá)到一定的光程，從而導(dǎo)致靈敏度降低。所以要綜合考慮這兩方面的因素，設(shè)計(jì)出光程較長且光線傳輸分布均勻的光路結(jié)構(gòu)。

在設(shè)置完光源，反射表面屬性等條件后，經(jīng)Tracepro軟件進(jìn)行光線追跡后如圖5所示，稀疏程度適中，光線較多，能量集中。反射次數(shù)越多，能量衰減越多。

圖5 光線追跡圖

反射鏡面的輻照圖，如圖6所示，光斑大小均勻沒有重疊，分布為近似的圓形。根據(jù)Herriott池光程計(jì)算方法，反射次數(shù)N與鏡上光點(diǎn)數(shù)n和腔長L之間的關(guān)系為［10］

在輻照圖中可以清晰的看到，光束在鏡面上有23個(gè)光斑點(diǎn)，經(jīng)計(jì)算在0.25m腔長的基礎(chǔ)上得出了11.5m的長光程。

圖6 反射鏡面光斑分布圖

4.2 光路反射效率分析

本文所設(shè)置的光源，在環(huán)數(shù)為100的情況下，光束的總能量為20mW，光束傳輸過程的光通量報(bào)告，如表1所示。

表1 入射鏡、反射鏡、探測器光能量損耗報(bào)告

由表2可以看出，光線在入射鏡面、反射鏡面都表現(xiàn)出了較高的反射率，在經(jīng)出光口的探測器接受后發(fā)現(xiàn)，入射光束在經(jīng)過45次的鏡面反射后，能量衰減到10.43mW，為入射光強(qiáng)的52%，能量較高，屬于光電探測器的檢測范圍［10］。

5 結(jié)語

本文提出了一種針對SO3光譜檢測方法的中紅外光程池的設(shè)計(jì)，根據(jù)SO3的化學(xué)特性，從光程池的結(jié)構(gòu)上提出了要具有輔助加熱裝置，以及鏡面的抗腐蝕性、耐擦拭性。光路基于Herriott池結(jié)構(gòu)原理，在分析不同金屬反射膜對反射率的影響后，選取金作為金屬反射膜，經(jīng)仿真運(yùn)行在0.25m的池長基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了11.5m的長光程。由于中紅外激光屬于人眼不可見范圍，在實(shí)際應(yīng)用中需要搭建輔助光路來進(jìn)行調(diào)解，并且容易產(chǎn)生誤差，光路的仿真運(yùn)行可以便捷地模擬出光路結(jié)構(gòu)及傳輸路徑，便于現(xiàn)場校準(zhǔn)。因此該光程池具有體積小，光程長，光路穩(wěn)定易校準(zhǔn)，抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)滿足SO3現(xiàn)場檢測要求。