SO2气体的辐射特性

　　1　前言

　　由于燃料地域分布等原因,目前还有相当一部分设备燃烧和使用高硫燃料。高硫燃料的燃烧过程产生大量的气体污染物SO2。若将这些气体排入大气中,将导致严重的大气污染。为此,目前世界各国普遍都在大力开展燃烧过程脱硫技术的研究。SO2气体辐射特性的研究对脱硫技术的研究以及高硫燃料燃烧设备的设计有很重要的作用。一方面,火焰中包括气体污染物在内的组分浓度的测量是燃烧过程中脱硫技术研究的关键之一。火焰组分浓度的测量方法有多种,各有其特点。目前光学测量法因其所具有的优越性而得到较多的研究和使用。由于火焰组分多样,光谱辐射特性各异,各组分气体的谱线会发生重叠干扰。因此了解和精确计算各组分气体的光谱辐射特性,恰当地选择工作波段,是SO2浓度光学测量的重要因素之一。另一方面,大量SO2气体的存在,将影响混合气体的辐射特性。在原苏联热力计算标准中,将SO2当成CO2看待来计算混合气体的黑度[1]。由本文后面的分析可知, SO2和CO2气体的辐射特性差别很大。若燃用高硫燃料时,仍将SO2当成CO2看待来计算混合气体的黑度,将影响燃烧室内热力计算的精度。

　　气体辐射特性的实验测量设备复杂昂贵。理论计算主要有两种方法,谱带模型法和逐线积分法。谱带模型法计算简单,但误差较大。理论上精细的光谱特性计算方法是逐线积分法,但它需要大量复杂的光谱线参数。美国空军菲利普斯地球物理实验室组织编辑了高分辩率大气吸收线参数数据库,最初于1973年推出(AFCRL-TR0096),并经多次补充(1983, 1978, 1992)[2],形成了包含H2O、CO2、SO2和N2在内的37种重要的气体分子的吸收线参数数据库(HITRAN Database)。

　　本文基于该谱线参数数据库,研究SO2气体光谱辐射特性的逐线积分计算方法。利用逐线计算方法计算SO2气体辐射特性,为与SO2气体相关的工业过程设计和研究提供辐射特性基础数据,并为进一步研究和修正H2O+CO2+SO2+N2等混合气体的辐射特性计算式和图表打下基础。

　　2　光谱特性的逐线积分法

　　按量子力学和光谱学理论[3],中心位于波数ν0的单根谱线,其线吸收系数随波数ν的变化为:

　　其中, g (ν-ν0)为归一化的线型函数,ν0为谱线中心处的波数, N为Loschmidts数, S为分子线强度。根据分子谱线增宽机制的不同,主要有以下三种线型:Lorentzian线型、Doppler线型、Voigt线型。

　　Lerentzian线型考虑了压力增宽效应,其线型函数gl(ν-ν0)及半宽γl分别为:

　　其中,gair为空气增宽半宽,Pt为气体总压力。

　　Doppler线型考虑了Doppler增宽效应,其线型函数gd(ν-ν0)及半宽γd分别为: