使用紫外吸收光谱测量预热空气中的一氧化氮和温度

基于 226 nm 附近低分辨率 NO 紫外线吸收的光谱拟合，开发了一种新型快速传感器，用于同时对氮氧化物 (NO) 浓度和气体温度 ( T ) 进行高温诊断（高于 800 K）。该传感器旨在用于使用可再生动力电燃料（例如 H 2、NH 3）或等离子炬作为热源的未来低碳足迹重加工工业中的过程控制。由于分子振动的激发，选定的NO特征的形状，包括A 2 Σ +  −  X 2 Π 2 的(0, 0)、(1, 1)和(2, 2)振动跃迁电子系统在高于 800 K 的温度下具有很强的温度敏感性。使用A 2 Σ +  −  X 2 Π 2电子系统的众所周知的 NO 分子常数进行拟合。为了减少计算时间，创建了一个在不同温度下计算的分子光谱库。使用预先计算的库光谱对表示光谱仪的仪器线函数与分子光谱的卷积的实验光谱进行拟合。基于与传统测量方法的比较，所开发的传感器对 NO 的准确度在 15% 以内，对T的准确度约为 40 K，清楚地显示了在热过程气体中进行快速原位诊断的潜力。

减少CO 2排放的必要性以及化石燃料的消耗迫使高温能量转换设备的开发商寻找替代燃料和新（或缓和）技术。由于水力和风能产生大量可再生电力，因此在瑞典，用电燃料（等离子火炬、氢气）替代重加工工业燃烧过程中的化石燃料被认为是一种具有潜在吸引力的方法。例如，在氢突破炼铁技术（HYBRIT）倡议和CemZero项目,重点是在钢铁和水泥生产中用电子燃料替代化石燃料。替代化石燃料的一个重要前提是可持续系统的燃烧/加热性能将保持不变，并且污染物（例如 NO x ）的排放量将保持在较低水平。不幸的是，电子燃料可能是大量 NO x排放的来源。例如，在中试规模的实验中 [ 1 ] 比较了不同的可再生替代品在直炉篦固化机中替代化石燃料，发现 H 2燃烧导致比化石油燃烧高得多的 NO x排放。等离子放电也会产生大量的 NO x [2 ]。

考虑到重加工工业使用电子燃料的经验有限，在过程的不同部分快速同时现场监测 NO 浓度和温度将是有利的。这将允许在效率和 NO x排放方面进行过程控制，后者使用初级（例如，燃烧器优化）或次级（例如，烟道气清洁）方法。在这项工作中，我们报告了在线原位紫外线吸收传感器的开发，用于同时诊断热工艺气体 ( T  > 800 K) 中的 NO 浓度和温度。

有几种基于光学和激光的光谱技术，用于使用强紫外电子跃迁在炎热环境中检测 NO。激光方法，例如激光诱导荧光 (LIF) [ 3 , 4 , 5 ] 和腔衰荡光谱 [ 6 ]，已应用于使用A 2 Σ +  −  X 2 Π 中的旋转跃迁来诊断火焰中的 NO 2电子系统，主要围绕226 nm波长。这些方法在火焰温度下表现出良好的准确度，在 10-15% 以内。LIF 还用于通过测试不同的旋转转变来推导火焰温度 [ 7]]。然而，这些方法在工业过程中的应用受到实验装置的复杂性和高成本的阻碍。除了紫外线，NO 在近红外和中红外也有吸收（图 1），现在可以使用激光二极管。近红外和中红外振动-旋转吸收跃迁的横截面低于紫外线的横截面。转变也与主要燃烧产物的转变强烈重叠。这限制了红外传感器在低温研究中的应用。然而，在 5300 nm 处相对强的中红外跃迁具有在实际流程中进行高温诊断的潜力 [ 8]]。相比之下，电子紫外吸收跃迁更强，对主要燃烧产物的干扰更少。例如， 根据[ 9 ] 中报告的波长向上的 H 2 O 横截面，估计 225 nm 处的H 2 O 吸收（对于 10,000 ppm，路径长度为 100 cm，T = 296 K）低于 0.002到 200 nm 和 290 nm 以上。便宜的二极管激光器发射可见光或红外区域的光。因此，它们对 NO 紫外线吸收的应用需要频率转换才能达到所需的紫外线区域，这使得实验系统更加复杂。可调谐二极管激光器 (TDL) 系统的开发，包括频率转换步骤，已被证明可用于检测冷气体中的 NO。10 ] 和燃气轮机在高温下排气 [ 11 ]。传感器测量的估计不确定度为 10%。另一种方法是使用相对便宜的吸收系统，包括紫外宽带源和光谱仪。在这种情况下，测量来自 NO 电子跃迁的整个振动带（或带）的视线 UV 共振吸收。该方法主要与在固定温度下将气体采样到光学单元结合使用，例如参见 [ 12 , 13 , 14 ]。通常使用校准实验进行量化。许多研究证明了在热管电池的高温条件下进行视线紫外线吸收测量 [ 15]]、扁平火焰 [ 16 ] 包括高压火焰装置 [ 17 ]、涡轮发动机排气装置 [ 18 ]、SI 发动机 [ 19 ] 和冲击管 [ 20 ]。NO 浓度通常是通过比较测量的信号与基于 NO γ 中理论逐线吸收的模型计算得出的(0, 0) 带。量化需要火焰温度和压力。据我们所知，还没有关于从 226 nm 附近特征的高温低分辨率 UV 吸收光谱曲线同时量化 NO 浓度和温度的工作。在这里，我们使用接近 226 nm 的 NO 特征的光谱拟合，包括 (0, 0)、(1, 1) 和 (2, 2) 振动跃迁，用于同时量化热气体中的 NO 摩尔分数和温度（T  > 800 K）。该拟合还用于导出低温下的 NO 摩尔分数。

NO 光谱是从 200 到 6000 nm 计算的，面板a 中的插入是从 200 到 230 nm 的放大 UV NO 吸收。H 2 O 光谱显示为 950 至 6000 nm。有关模拟的更多详细信息，