石建偉，吳威，楊薈楠，蘇明旭，蔡小舒

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

基于激光光譜法的尿素水溶液液膜多參數(shù)測(cè)量

石建偉1,2，吳威1,2，楊薈楠1,2，蘇明旭1,2，蔡小舒1,2

（1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

在選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)中，對(duì)尿素水溶液液膜多個(gè)參數(shù)（厚度、濃度及溫度）進(jìn)行高精度的定量分析，對(duì)減少液膜形成、提高SCR系統(tǒng)的催化反應(yīng)效率、降低NOx對(duì)環(huán)境的污染至關(guān)重要?；诒葼?朗伯定律，通過(guò)結(jié)合1420 nm和1488 nm兩個(gè)波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器，提出一種恒溫度條件下尿素水溶液液膜厚度和濃度同步測(cè)量，以及恒濃度條件下尿素水溶液液膜厚度和溫度同步測(cè)量的新方法。并在此基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)具驗(yàn)證了該方法的測(cè)量精度。結(jié)果表明恒溫度條件下，該方法同步測(cè)量尿素水溶液液膜厚度和濃度的平均測(cè)量誤差分別為0.82%和3.93%；恒濃度條件下，同步測(cè)量尿素水溶液液膜厚度和溫度的平均測(cè)量誤差分別為0.79%和2.58%。

激光光譜；液膜；水溶液；選擇性催化還原；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；測(cè)量

引 言

液膜的形成和蒸發(fā)現(xiàn)象廣泛存在于工業(yè)過(guò)程中[1-6]，如汽車(chē)尾氣脫硝的選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)系統(tǒng)中，尿素水溶液液膜的形成[7-9]。在SCR系統(tǒng)中，利用噴射裝置在汽車(chē)尾氣混合管中噴射車(chē)用尿素水溶液[10](商品名稱為 AdBlue，尿素含量 32.5%)，其在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)生成氨，并與尾氣中的氮氧化物反應(yīng)，最終使氮氧化物轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境無(wú)污染的氮?dú)夂退魵鈁11-14]。但是，在實(shí)際的排氣系統(tǒng)中，尿素液滴將不可避免地撞擊到尾氣管壁上，從而導(dǎo)致液滴沉積和液膜形成，影響SCR系統(tǒng)的催化反應(yīng)效率。SCR系統(tǒng)混合管路的形狀以及尿素水溶液噴射裝置的良好布置能夠有效控制液膜的形成。因此，對(duì)尿素水溶液液膜厚度、溫度及濃度進(jìn)行定量分析用于改進(jìn)混合管路的設(shè)計(jì)和噴射裝置的布置，以減少液膜的形成，提高 SCR 系統(tǒng)的催化反應(yīng)效率，有效降低尾氣排放中氮氧化物對(duì)環(huán)境的污染。為此，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)尿素水溶液液膜進(jìn)行了大量的研究，如 Birkhold 等[8]采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD) 數(shù)值模擬的方法研究尿素水溶液液膜的厚度以及濃度；王謙等[15]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)SCR系統(tǒng)中，不同噴射角度對(duì)尿素水溶液液膜厚度分布的影響進(jìn)行了研究；Yang等[16-17]同步測(cè)量了常溫下尿素水溶液液膜的濃度和厚度。

本文研究了不同濃度(5%～35%)、不同溫度(25～50℃)的尿素水溶液在近紅外區(qū)域(6000～8000 cm?1)的吸收光譜。在此基礎(chǔ)上，提出基于比爾-朗伯定律，通過(guò)結(jié)合兩個(gè)不同的波長(zhǎng)(1420 nm和1488 nm)，實(shí)現(xiàn)不同溫度(25～35℃)下，尿素水溶液液膜厚度和濃度同步測(cè)量，以及不同濃度(10%～30%)下，尿素水溶液液膜厚度和濃度同步測(cè)量的新方法。

1 理論與建模

1.1 尿素水溶液吸收光譜

Yang等[18]精確測(cè)量了液態(tài)水在近紅外區(qū)不同溫度(25～75℃)的紅外吸收截面，Halbout 等[19]測(cè)定了尿素單晶體在近紅外區(qū)域的透射曲線，楊薈楠等[20]利用高分辨率的傅里葉紅外光譜儀，獲得了尿素水溶液常溫下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%～50%)的吸收光譜。本文利用光程為1 mm的溫控石英樣品池，通過(guò)光譜分辨率為 0.125 cm?1的傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，測(cè)得了不同濃度(5%～35%)、不同溫度(25～50℃)的尿素水溶液的吸收率k。分析數(shù)據(jù)表明，濃度和溫度變化都會(huì)使尿素水溶液的吸收譜線產(chǎn)生偏移。當(dāng)溫度不同時(shí)，尿素水溶液吸收譜線形狀隨濃度的變化趨勢(shì)相同；當(dāng)濃度不同時(shí)，尿素水溶液吸收譜線形狀隨溫度的變化趨勢(shì)相同，因此本文只列出了尿素水溶液溫度為35℃時(shí)不同濃度(5%～35%)以及濃度為 20%時(shí)不同溫度(25～50℃)下的尿素水溶液吸收光譜，如圖1所示。

圖1 35℃下不同濃度(5%～35%)以及20%下不同溫度(25～50℃)的尿素水溶液吸收光譜Fig.1 Absorption spectra of urea-water-solutions with different mass fractions at 35℃ and at different temperatures with mass fraction of 20% measured by FTIR

1.2 尿素水溶液吸收率

由比爾-朗伯定律可知，一束光通過(guò)吸收介質(zhì)時(shí)，其透射率為

式中，It和I0分別是透射光和入射光的光強(qiáng)；L是吸收介質(zhì)的光程，即本文中尿素水溶液液膜的厚度，cm；k(v,c,T)是介質(zhì)的吸收率，它是波長(zhǎng)v、吸收介質(zhì)濃度c和溫度T的函數(shù)，因此，在特定波長(zhǎng)下，吸收率僅為吸收介質(zhì)濃度 c和溫度 T的函數(shù), cm?1。

本文利用目前實(shí)驗(yàn)室可用的兩個(gè)波長(zhǎng)的分布反饋式半導(dǎo)體激光器（1420 nm和1488 nm）。通過(guò)分析不同濃度、不同溫度下尿素水溶液的吸收光譜可知，當(dāng)波長(zhǎng)為v1=1420 nm，v2=1488 nm時(shí)，在不同濃度下，尿素水溶液吸收率k與溫度呈線性關(guān)系，如圖2所示。

圖2 濃度為5%～35%時(shí)吸收率關(guān)于溫度的線性擬合曲線Fig. 2 Temperature dependence of absorption coefficients at 5%—35% (mass) for wavelength pair together with their linear fit curves

式中，ai和bi為對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)。當(dāng)波長(zhǎng)為1420 nm和1488 nm時(shí)，ai和bi分別與濃度呈線性關(guān)系，如圖3所示。

其中，Ai、Bi、Di和Ei為相應(yīng)的擬合系數(shù)，其值見(jiàn)表1。將式(3)代入式(2)可得

表1 1420 nm和1488 nm兩個(gè)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的Ai、Bi、Di、Ei的值Table 1 Values of Ai, Bi, Diand Eiat 1420 nm and 1488 nm

1.3 溫度恒定時(shí)厚度與濃度的反演

為了保證恒溫條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度的高精度和高靈敏度測(cè)量，在不同溫度(25～35℃)下，對(duì)尿素水溶液吸收率求關(guān)于濃度的導(dǎo)數(shù)dk/dc，如圖4所示。圖4中也標(biāo)出了本文所使用的兩個(gè)波長(zhǎng)v1=1420 nm和v2=1488 nm在dk/dc曲線中的位置。進(jìn)一步工作中，將選擇dk/dc曲線極值點(diǎn)處的波長(zhǎng)獲得更高的測(cè)量靈敏度和精度。

圖3 ai和bi關(guān)于濃度的線性擬合Fig. 3 Mass fraction dependence of fitting coefficients aiand bifor wavelength pair together with their linear fit curves

圖4 不同溫度下尿素水溶液吸收率關(guān)于濃度的導(dǎo)數(shù)dk/dcFig. 4 Wavelength dependent derivative with respect to mass fraction for absorption coefficient of urea-water-solutions dk/dc at 25—35℃

當(dāng)溫度恒定(Ta)時(shí)，將v1=1420 nm和v2=1488 nm的吸收率k1和k2代入式(1)可得

計(jì)算v1和v2對(duì)應(yīng)透射率的對(duì)數(shù)比值可得

由此可見(jiàn)，當(dāng)溫度恒定(Ta)時(shí)，R1/2為濃度c的函數(shù)，將吸收率k1和k2代入式(7)可得

因此，濃度c為

將式(9)代入式(5)，可得厚度L為

1.4 濃度恒定時(shí)厚度與溫度的反演

為了保證恒濃度條件下，尿素水溶液液膜厚度和溫度的高精度和高靈敏度測(cè)量，求取不同濃度(10%～30%)下，尿素水溶液吸收率關(guān)于溫度的導(dǎo)數(shù)dk/dT，如圖5所示。圖5中也標(biāo)出了v1=1420 nm和v2=1488 nm在dk/dT曲線中的位置。進(jìn)一步工作中，將選擇dk/dT曲線極值點(diǎn)處的波長(zhǎng)獲得更高的測(cè)量靈敏度和精度。

圖5 不同濃度下尿素水溶液吸收率關(guān)于溫度的導(dǎo)數(shù)dk/dTFig. 5 Wavelength dependent derivative with respect to temperature for absorption coefficient of urea-water-solution dk/dT at 10%—30%(mass)

當(dāng)濃度恒定(ca)時(shí)，將v1=1420 nm和v2=1488 nm的吸收率k11和k22代入式(1)可得

v1和v2對(duì)應(yīng)透射率的對(duì)數(shù)比值R11/22可表示為

由此可見(jiàn)，當(dāng)濃度恒定(ca)時(shí)，R11/22為溫度 T的函數(shù)，因此，溫度T為

將式(14)代入式(11)，可得厚度L為

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用標(biāo)準(zhǔn)具[17]，對(duì)不同溫度(25～35℃)下，尿素水溶液液膜厚度（200～1000 μm）和濃度（10%～30%）同步測(cè)量精度，以及不同濃度（10%～30%）下，尿素水溶液液膜厚度（200～1000 μm）和溫度（25～35℃）同步測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)半導(dǎo)體激光控制器將半導(dǎo)體激光器的電流和溫度控制在恒定值以確保輸出激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性；利用波分復(fù)用器將這兩束激光耦合成一束光，通過(guò)準(zhǔn)直器聚焦后穿過(guò)置于標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)的尿素水溶液液膜，并利用凸透鏡匯聚進(jìn)入接收光線，之后利用光柵將這兩束被耦合的激光分開(kāi)，并分別被兩個(gè)銦砷化鎵探測(cè)器(Thorlabs, PDA10CS-EC)接收，如圖6所示。銦砷化鎵探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后利用NI采集卡采集（采樣率1 kHz），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程均在LabVIEW中進(jìn)行。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6 Schematic drawing of experimental setup

圖7和圖8分別為溫度恒定（25～35℃）時(shí)，尿素水溶液液膜厚度以及濃度的同步測(cè)量結(jié)果。從圖7中可以看出，在液膜濃度（10%～30%），厚度（200～1000 μm）范圍內(nèi)，尿素水溶液液膜厚度的測(cè)量值與理論值吻合良好，其平均測(cè)量誤差為0.82%；且該范圍內(nèi)，液膜濃度的平均測(cè)量誤差為3.93%。圖9和圖10分別為濃度恒定（10%～30%）時(shí)，尿素水溶液液膜厚度以及溫度的同步測(cè)量結(jié)果。如圖9所示，在液膜溫度（25～35℃），厚度（200～1000 μm）范圍內(nèi)，液膜厚度的測(cè)量值與理論值吻合也較好，其平均測(cè)量誤差為0.79%；該范圍內(nèi)，液膜溫度的平均測(cè)量誤差為2.58%。由此可以看出，本文提出的測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)恒溫度條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度較高精度的同步測(cè)量；以及恒濃度條件下，尿素水溶液液膜厚度和溫度較高精度的同步測(cè)量。本文同步測(cè)量了多個(gè)溫度條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度。而文獻(xiàn)[20]只在室溫條件下，同步測(cè)量尿素水溶液液膜厚度和濃度。因此，本文同步測(cè)量尿素水溶液液膜厚度和濃度的平均誤差與文獻(xiàn)[20]相比，存在一定差別。

圖7 不同溫度時(shí)膜厚測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measured film thickness at different temperature

圖8 不同溫度時(shí)濃度測(cè)量結(jié)果Fig.8 Measured mass fraction at different temperature

圖9 不同濃度時(shí)膜厚測(cè)量結(jié)果Fig.9 Measured film thickness at different mass fractions

此外，文獻(xiàn)[20]提出的方法只能實(shí)現(xiàn)室溫條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度的同步測(cè)量。而在SCR系統(tǒng)中，溫度為高溫且變化，本文提出的測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)溫度變化條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度的同步測(cè)量，以及濃度變化條件下，液膜厚度和溫度的同步測(cè)量，因此，本文提出的測(cè)量方法更具實(shí)用性。

圖10 不同濃度時(shí)溫度測(cè)量結(jié)果Fig.10 Measured temperature at different mass fraction

3 結(jié) 論

（1）本文利用傅里葉變換紅外光譜儀，測(cè)得了不同濃度(5%～35%)、不同溫度(25～50℃)的尿素水溶液光譜吸收曲線，并獲得了尿素水溶液吸收率 k與濃度c和溫度T的函數(shù)關(guān)系。

（2）基于比爾-朗伯定律，通過(guò)結(jié)合1420 nm和1488 nm兩個(gè)波長(zhǎng)，提出一種恒溫條件下，尿素水溶液液膜厚度和濃度同步測(cè)量；以及恒濃度條件下，尿素水溶液液膜厚度和溫度同步測(cè)量的新方法。

（3）本文通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具驗(yàn)證了該方法的測(cè)量精度，驗(yàn)證結(jié)果表明恒溫(25～35℃)條件下，在液膜濃度（10%～30%），厚度（200～1000 μm）范圍內(nèi)，尿素水溶液液膜厚度的平均測(cè)量誤差為0.82%，液膜濃度的平均測(cè)量誤差為 3.93%。恒濃度(10%～30%)條件下，在液膜溫度（25～35℃），厚度（200～1000 μm）范圍內(nèi)，尿素水溶液液膜厚度平均測(cè)量誤差為0.79%，液膜溫度的平均測(cè)量誤差為2.58%。由此可見(jiàn)，本文提出的測(cè)量方法具有較高的精度。進(jìn)一步工作中，會(huì)通過(guò)優(yōu)選波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)一步提高該方法的測(cè)量精度。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Ai, Di——波長(zhǎng)1420 nm或1488 nm對(duì)應(yīng)的ai關(guān)于濃度的線性擬合系數(shù)

ai, bi——濃度恒定時(shí)，波長(zhǎng)1420 nm或1488 nm對(duì)應(yīng)的吸收率關(guān)于溫度的線性擬合系數(shù)

Bi, Ei——波長(zhǎng)1420 nm或1488 nm對(duì)應(yīng)的bi關(guān)于濃度的線性擬合系數(shù)

c——液膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

It——透射光強(qiáng)

I0——入射光強(qiáng)

k——尿素水溶液吸收率，cm?1

k1, k11——波長(zhǎng) 1420 nm對(duì)應(yīng)的尿素水溶液吸收率，cm?1

k2, k22——波長(zhǎng) 1488 nm對(duì)應(yīng)的尿素水溶液吸收率，cm?1

L——尿素水溶液液膜厚度，μm

R1/2, R11/22——波長(zhǎng)1420 nm和1488 nm對(duì)應(yīng)透射率的對(duì)數(shù)比值

T——尿素水溶液液膜溫度，℃

v——波長(zhǎng)，nm

τ ——吸收介質(zhì)透射率

下角標(biāo)

i——波長(zhǎng)為1420 nm或1488 nm

t——透射

0——入射

1, 11——波長(zhǎng)為1420 nm

2, 22——波長(zhǎng)為1488 nm

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Measurement of multi-parameter of liquid film for urea-water-solutions with laser absorption spectroscopy

SHI Jianwei1,2, WU Wei1,2, YANG Huinan1,2, SU Mingxu1,2, CAI Xiaoshu1,2
(1School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering, Shanghai 200093, China)

In selective catalytic reduction (SCR) system, quantitative analysis of multi-parameter of liquid film (film thickness, temperature and mass fraction) for urea-water-solutions is crucial to control the formation of liquid film, improve the efficiency of SCR system and reduce the NOxemissions. A new method based on Beer-Lambert law was developed to simultaneously measure the thickness and mass fraction of liquid film for urea-water-solutions at constant temperature, and the thickness and temperature at constant mass fraction by combining two different wavelengths, 1420 nm and 1488 nm, respectively. Furthermore, measurement accuracy of this method was validated by a calibration tool which provided liquid film with known film thickness, temperature and mass fraction, respectively. It was found that the averaged deviation of film thickness and mass fraction measured simultaneously at constant temperature was 0.82% and 3.93%, respectively. It also revealed that the mean deviation of film thickness and temperature measured simultaneously at constant mass fraction was 0.79% and 2.58%, respectively.

laser spectroscopy; liquid film; aqueous solution; SCR; experimental validation; measurement

YANG Huinan, yanghuinan@usst.edu.cn

TK 31

：A

：0438—1157（2017）01—0079—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160913

2016-07-04收到初稿，2016-10-14收到修改稿。

聯(lián)系人：楊薈楠。

：石建偉（1991—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51676130，51306123）；博士點(diǎn)基金聯(lián)合資助課題新教師類項(xiàng)目（20133120120008）；上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13DZ2260900)；上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃項(xiàng)目。

Received date: 2016-07-04.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51676130, 51306123), the Joint Specialized Research Found for the Doctoral Program of Higher Education (20133120120008),the Shanghai Science and Technology Commission of China (13DZ2260900) and the Cultivation of Young Teachers in Colleges and Universities Funded Program in Shanghai.