專利名稱：危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布非接觸測量方法
技術領域：
本發明涉及測量方法，尤其涉及一種危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布非接觸測量方法。
背景技術：
危險廢棄物焚燒處置技術的核心是通過高溫熱處理的方式去處廢棄物中的有害物質，并達到充分減容和穩定灰渣的目的。而焚燒過程中溫度分布及變化對于焚燒處置的效率，爐內結渣，以及污染物生成與排放，特別是二惡英等有機污染物的排放具有決定性作用。危廢熱解焚燒的焚燒爐為大型轉動部件，常規接觸式點測量方式檢測點難以布置，并且無法真實的反映爐內溫度場的分布情況，而采用熱像儀等非接觸測量方法只能得到焚燒爐內火焰的投影溫度。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供了一種危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布非接觸測量方法。
包括如下步驟 1)在回轉窯的頭部、回轉窯的尾部和二燃室的頂部安裝紅外輻射能傳感器，傳感器響應波長范圍1～7μm，以非接觸方式獲取紅外輻射能圖像； 2)根據回轉窯和二燃室結構尺寸進行X，Y，Z三個方向的網格劃分，對所有網格進行編號為1…N； 3)對傳感器視場角內每條投影射線進行編號為1…M，并采用光線跟蹤算法計算每條投影射線在每個網格內的穿越距離，建立如下的系數矩陣
其中Δsi，k為第i條投影射線穿越第k個網格的距離； 4)從紅外輻射能傳感器輸出的紅外輻射能圖像中按照編號提取每條射線在兩個不同紅外波長λ1，λ2下的輻射能投影值，并構造向量 和
和
為第i個條射線在波長λ1和λ2處的輻射投影強度； 5)采用濾波反投影或正則化重建算法，求解如下的輻射投影方程，得到每個網格內兩個波長下的紅外發射輻射強度 G＝H·S 式中或者S為網格穿越距離系數矩陣，或者
和
為第k個網格內煙氣在波長λ1和λ2處的發射輻射強度； 6)根據每個網格內兩個不同波長下的煙氣發射輻射強度，采用如下的雙波長溫度計算公式得到系統各離散網格內的溫度值； 式中Tk為第k個網格內的溫度值； 7)采用OpenGL三維圖形可視化技術，在線顯示回轉窯和二燃室內的所有網格內的溫度值。
本發明提出的基于紅外輻射能圖像的溫度場分布重建方法，是一種非接觸式在線溫度測量方法。它以危廢焚燒系統內煙氣的紅外輻射傳遞特性為基礎，通過采集的紅外輻射能圖像，在線重建焚燒系統內三維溫度場的分布，響應時間短，精度高。
圖1是本發明的溫度場分布重建的技術路線圖； 圖2是紅外輻射圖像傳感器在危險廢棄物焚燒系統中的布置位置示意圖； 圖3是紅外輻射能圖像采集測槍結構示意圖； 圖中回轉窯1、二燃室2、回轉窯頭部3、回轉窯尾部4、二燃室頂部5、鴨嘴型冷卻吹掃風出口6、紅外石英隔熱層7、紅外輻射能圖像傳感器8、冷卻風入口9、不銹鋼外殼10、共地信號端11、12V直流電源端12、圖像信號輸出端13。
具體實施例方式 危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布的非接觸測量方法，技術路線如圖1所示。具體包括如下步驟 1)在回轉窯1的頭部3、回轉窯1的尾部4和二燃室2的頂部5安裝紅外輻射能傳感器，傳感器響應波長范圍1～7μm，以非接觸方式獲取紅外輻射能圖像； 2)根據回轉窯和二燃室結構尺寸進行X，Y，Z三個方向的網格劃分，每個網格的尺寸控制在小于0.5m×0.5m×0.5m，對所有網格進行編號為1…N； 3)根據傳感器輸出紅外輻射能圖像的分辨率，對輻射能傳感器視角進行劃分，圖像中每個象素代表一條射線，所有射線均勻分布于傳感器視角內，并對所有投影射線進行編號為1…M。采用光線跟蹤算法，從第一個網格開始計算每條投影射線在每個網格內的穿越距離，如果射線沒有穿越該網格，則穿越距離為0；如果射線穿越該網格，記為Δsi，k，建立如下的系數矩陣
其中Δsi，k為第i條投影射線穿越第k個網格的距離； 4)從紅外輻射能傳感器輸出的紅外輻射能圖像中按照編號提取每條射線在兩個不同紅外波長λ1，λ2下的輻射能投影值，并構造向量 和
和
為第i個條射線在波長λ1和λ2處的輻射投影強度； 5)采用濾波反投影或正則化重建算法，通過迭代最優化求解如下的輻射投影方程，得到每個網格內兩個波長下的紅外發射輻射強度 G＝H·S 式中或者S為網格穿越距離系數矩陣，或者
和
為第k個網格內煙氣的在波長λ1和λ2處的發射輻射強度； 6)根據每個網格內兩個不同波長下的煙氣發射輻射強度，采用如下的雙波長溫度計算公式得到系統各網格內的溫度值； 式中Tk為第k個網格內的溫度值； 7)采用OpenGL三維圖形可視化技術，在線顯示回轉窯1和二燃室2內的所有網格內的溫度值。
實施例 以危險廢棄物焚燒處置工藝流程中普遍采用的兩段式熱解焚燒爐為測量對象，危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布非接觸測量方法的步驟如下 1)在危險廢棄物焚燒系統的回轉窯頭部3、回轉窯尾部4以及二燃室頂部5按照圖2所示方式布置紅外輻射能圖像測槍，以非接觸方式獲取紅外輻射能圖像。測槍結構如圖3所示。測槍必須穿過焚燒系統的耐火保溫層，以確保60°以上的視場角，測槍采用壓縮空氣冷卻，冷卻風從冷卻風入口9噴入測槍，冷卻風不回用，從測槍前端鴨嘴型冷卻吹掃風出口6直接進入焚燒系統。測槍前端安裝紅外石英隔熱層7，紅外輻射能圖像傳感器8安裝在不銹鋼外殼10內，采用12V直流供電，輸出的輻射能圖像信號通過圖像信號輸出端13與屏蔽視頻線輸入計算機內，在計算機內安裝數字圖像采集卡，用于圖像的數模轉換。
2)測量回轉窯和二燃室結構參數，包括回轉窯內徑、長度和二燃室內徑、高度，根據結構參數對回轉窯和二燃室進行三維網格劃分，單個網格幾何尺寸小于0.5m×0.5m×0.5m。對所有網格進行編號。
3)根據傳感器輸出紅外輻射圖像的分辨率，對輻射能傳感器視角進行劃分，圖像中每個像素定義為一條射線，所有射線均勻分布于傳感器視角內，對所有投影射線進行編號，按照射線跟蹤算法計算每條射線在每個網格內的穿越距離。計算時首先根據射線方向和網格坐標求得射線與網格的交點，兩個交點間的距離就是穿越距離。如果網格沒有與射線相交，則穿越距離為0。根據計算結果創建網格穿越距離系數矩陣。
4)對紅外輻射能傳感器輸出的紅外輻射圖像進行分析，從圖像的每個像素中提取每條射線在兩個不同波長下的輻射能投影強度。
5)通過濾波反投影或者正則化重建模型，先假設一個結果，然后再通過迭代修正的方式計算得到每個網格中兩個不同紅外波長下的高溫煙氣輻射能發射強度。
6)通過雙波長溫度計算公式，根據各網格內的高溫煙氣輻射能發射強度計算得到每個網格內的溫度值。
7)調用OpenGL三維圖形顯示算法，給出危廢焚燒內三維溫度場分布的等值圖顯示。
權利要求
1.一種危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布的非接觸測量方法，其特征在于包括如下步驟
1)在回轉窯(1)的頭部(3)、回轉窯(1)的尾部(4)和二燃室(2)的頂部(5)安裝紅外輻射能傳感器，傳感器響應波長范圍1～7μm，以非接觸方式獲取紅外輻射能圖像；
2)根據回轉窯和二燃室結構尺寸進行X，Y，Z三個方向的網格劃分，對所有網格進行編號為1…N；
3)對傳感器視場角內每條投影射線進行編號為1…M，并采用光線跟蹤算法計算每條投影射線在每個網格內的穿越距離，建立如下的系數矩陣
其中Δsi，k為第i條投影射線穿越第k個網格的距離；
4)從紅外輻射能傳感器輸出的紅外輻射能圖像中按照編號提取每條射線在兩個不同紅外波長λ1，λ2下的輻射能投影值，并構造向量
和
和
為第i個條射線在波長λ1和λ2處的輻射投影強度；
5)采用濾波反投影或正則化重建算法，求解如下的輻射投影方程，得到每個網格內兩個波長下的紅外發射輻射強度
G＝H·S
式中或者S為網格穿越距離系數矩陣，或者
和
為第k個網格內煙氣在波長λ1和λ2處的發射輻射強度；
6)根據每個網格內兩個不同波長下的煙氣發射輻射強度，采用如下的雙波長溫度計算公式得到系統各網格內的溫度值
式中Tk為第k個網格內的溫度值；
7)采用OpenGL三維圖形可視化技術，在線顯示回轉窯(1)和二燃室(2)內的所有網格內的溫度值。
全文摘要
本發明公開了一種危險廢棄物熱解焚燒爐內溫度場分布非接觸測量方法。它是利用焚燒爐內高溫煙氣的紅外熱輻射特性，首先對焚燒系統進行三維網格劃分建立輻射投影方程，然后通過在不同位置安裝紅外輻射能傳感器得到紅外輻射投影圖像，并從紅外輻射能圖像中提取不同波長下的輻射投影值，最后結合焚燒系統內三維溫度分布的重建算法，計算危廢焚燒系統中回轉窯和二燃室內溫度的分布數據。本發明提出的基于紅外輻射能圖像的溫度場分布重建方法，是一種非接觸式在線溫度測量方法。它以危廢焚燒系統內高溫煙氣的紅外輻射傳遞特性為基礎，通過采集的紅外輻射能圖像，在線重建焚燒系統內溫度的三維分布。
文檔編號G01J5/00GK101413826SQ20081016252
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者嚴建華, 黃群星, 飛 王, 涌 池, 岑可法 申請人:浙江大學