燃煤锅炉高温腐蚀气体激光在线监测设备研究

燃煤锅炉燃烧场的经济性、安全性和环保性对于智慧电厂建设具有重要意义。H2S和CO是燃煤锅炉燃烧场的两种主要高温腐蚀气体,它们不仅腐蚀锅炉近壁面,尾气对大气环境的危害也极其严重。基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术,结合波长调制光谱技术和频分复用技术,研制了一款无人值守的燃煤锅炉主燃区的H_(2)S和CO气体浓度实时在线监测设备。仿真模拟了6335~6341 cm^(-1)范围内的气体吸收光谱,并选定1.5μm附近的近红外激光器作为激光光源。研制了一套耐高温耐腐蚀的Herriott型多光程池,使激光与气体相互作用的有效光程达15 m;开发了硬件电路及相应的固件程序,实现了H2S和CO吸收光谱信号的二次解调与浓度反演。线性度和Allan方差实验表明,其线性拟合相关系数分别为0.9998和0.9995,在73 s和53 s的积分时间下,H_(2)S和CO的最低检测极限分别为0.2×10^(-6) mol/mol和0.344×10^(-6) mol/mol。最后,将研制的设备在某300 MW电负荷的四角切圆燃煤锅炉主燃区燃烧气氛场进行应用示范,对水冷壁附近的H2S和CO进行同步测量。结果表明,锅炉中H2S和CO的浓度呈正相关,厌氧燃烧会导致两种气体的含量增加,造成对水冷壁的腐蚀。

煤热解中痕量乙烯在线激光吸收光谱检测

为了实现煤热解过程中痕量乙烯(C2H4)标识气体的在线识别与检测,结合波长调制与长光程技术,搭建了煤热解乙烯在线激光吸收光谱检测装置。采用中心波长为1620 nm通信波段DFB激光器作为激光光源,有效光程为15 m的多光程吸收池为样品吸收池,利用SR830进行波长解调,通过二次谐波信号反演得到乙烯浓度。使用高精度流量控制器,利用高纯氮气稀释乙烯配比,制备得到10×10^(-6)到90×10^(-6)的标准乙烯样气,其线性拟合的相关系数R2为0.9989;对浓度为20×10^(-6)的乙烯进行连续4000 s的Allan方差分析,实验结果表明,检测极限为121×10^(-9)。为了研究不同气体氛围下煤热解过程中乙烯浓度的演化规律,控制气体流速为150 mL/min,分别在氮气、空气以及合成空气中对乙烯标识气体的释放过程进行热重分析实验。研究发现,当温度小于500℃时,3种气体环境下乙烯释放量较少且基本一致,当温度在500~700℃时,氮气环境中乙烯释放量要远高于其他两种气体,但空气中乙烯释放的增速最快,最大释放量约为40×10^(-6),温度高于700℃时乙烯释放量均开始减少。这一结果为进一步探索煤热解中乙烯的生成机理提供了理论和实验基础。

基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪

量子增强型光学相位追踪作为高精度跟踪和测量光学相位的量子光学技术,在目标定位、量子测距以及相控阵雷达和唢呐等领域中有着重要应用.本文提出一种基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪协议.采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源,结合光学参量振荡器以及Pound-Drever-Hall(PDH)锁定技术,制备得到初始压缩度为(8.0±0.2)dB的相位压缩态光场.通过信号调制及解调技术,实现对压缩态光场相位的控制,从而实现对光学相位0-2π范围内的量子增强型追踪.与经典协议相比,这一协议可以将相位追踪的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少6.27 dB,实现了相位追踪精度至少76.4%的量子增强.由于到达角估计、相控阵雷达、相控阵唢呐等应用领域对相位测量精度要求极高,这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限,为相关领域提供压缩光源,也为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础.

光学反馈腔增强吸收光谱技术中干涉抑制方法

提出了一种降低光学反馈腔增强吸收光谱(optical feedback-cavity enhanced absorption spectroscopy,OF-CEAS)系统中干涉噪声影响的干涉抑制方法.使用Ariy函数分析了透射腔模信号中存在的干涉噪声,研究发现该系统中的干涉信号源自于光束在前腔镜内的多次反射,并通过更换3种厚度不同的平面反射镜进行验证.提出利用Ariy函数拟合得到的干涉信号作为无吸收情况下的背景信号,与测量气体的吸收信号相减直接获得无背景吸收光谱信号.该方法有效避免了OF-CEAS系统中,由于环境因素导致腔体稳定性改变等原因造成的测量误差.最后,基于该方法测量了1.53μm附近的乙炔气体吸收特性,评估系统的探测灵敏度为7.143×10^(-8)(1σ),实验表明该方法在提高OF-CEAS系统的探测灵敏度方面有着很大的应用前景.

基于相位压缩态的到达角估计

到达角估计作为高精度追踪的关键光学技术,在目标定位、量子测距以及相控阵雷达等领域中有着重要应用。本文提出一种基于相位压缩态的到达角估计协议,采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源、光学参量振荡器及可变分束器,实现最高纠缠度为(6.1±0.2)dB的纠缠态光场制备。通过调控传感节点的调制相位,实现对两个传感节点0~2π相位的精准扫描,从而可以实现突破散粒噪声极限的到达角估计。与经典协议相比,这一协议可以将到达角估计的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少5.9 dB,使得到达角精度提高74.1%以上。这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限,为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础。