JJF(新) 120-2023 锅炉燃烧火焰中碱金属检测规范

JJF(新)120-2023新疆维吾尔自治区地方计量技术规范JJF（新）120－2023锅炉燃烧火焰中碱金属检测规范DetectionSpecificationforAlkaliMetalsinBoilerFlame2023-12-18发布2024-06-18实施新疆维吾尔自治区市场监督管理局发布JJF(新)120-2023JJF(新)120-2023锅炉燃烧火焰中碱金属检测规范DetectionSpecificationforAlkaliMetalsinBoilerFlame归口单位：新疆维吾尔自治区市场监督管理局主要起草单位：新疆维吾尔自治区计量测试研究院参与起草单位：华中科技大学煤燃烧国家重点实验室新疆大学本规范委托新疆维吾尔自治区煤电产业计量技术委员会负责解释JJF（新）120—2023JJF(新)120-2023I本规范主要起草人：郭丽（新疆维吾尔自治区计量测试研究院）娄春（华中科技大学）马晓春（新疆维吾尔自治区计量测试研究院）参加起草人：姚斌（华中科技大学）王浩帆（煤燃烧国家重点实验室）蒲旸（煤燃烧国家重点实验室）王建江（新疆大学）JJF(新)120-2023II目录引言……………………………………………………………………………………（Ⅱ）1范围…………………………………………………………………………………（1）2引用文件……………………………………………………………………………（1）3术语…………………………………………………………………………………（1）4概述…………………………………………………………………………………（1）5计量特性……………………………………………………………………………（2）6检测条件……………………………………………………………………………（2）6.1环境条件…………………………………………………………………………（2）6.2测量标准设备……………………………………………………………………（2）7检测项目和过程……………………………………………………………………（2）7.1检测前准备………………………………………………………………………（3）7.2检测步骤…………………………………………………………………………（3）7.3检测数据处理……………………………………………………………………（4）8检测结果的表达……………………………………………………………………（4）附录A火焰中气相钠和钾标定方法…………………………………………………（7）附录B火焰基线提取与拟合方法……………………………………………………（8）附录C检测记录参考格式……………………………………………………………（9）附录D检测报告参考格式……………………………………………………………（11）附录E碱金属浓度检测示值的不确定度评定示例…………………………………（13）JJF(新)120-2023引言本规范的编写以JJF1001-2011《通用计量术语及定义》、JJF1071-2010《国家计量校准规范编写规则》为基础和依据。检测方法及计量特性等主要参考了GB/T4470-1998《火焰发射、原子吸收和原子荧光光谱分析法术语(Analyticalspectroscopicmethods--Flameemission，atomicabsorptionandatomicfluorescence--Vocabulary)》、GB/T27415-2013《分析方法检出限和定量限的评估（Estimateofdetectionandquantitationlimitforanalyticalmethod）》、GB/T30725-2014《固体生物质燃料灰分测定方法（Determinationofashcompositioninsolidbiofuels）》、MT/T1074-2008《煤中碱金属（钾、钠）含量分级（Classificationforalkalimetal(potassium,sodium)contentincoal）》、NY/T2909-2016《生物质固体成型燃料质量分级（Classesandspecificationfordensifiedbiofuel）》、CJ/T105-1999《城市生活垃圾全钾的测定火焰光度法（Municipaldomesticrefuse--Determinationoftotalpotassium--Flamespectrophotometricmethod）》的内容，结合实际检校验工作现状制订。本规范为首次发布。JJF(新)120-20231锅炉燃烧火焰中碱金属检测规范1范围本规范适用于利用发射光谱法在线定量测量锅炉燃烧火焰中气相钠和钾的浓度。锅炉燃烧过程中其它碱金属浓度的检测可参照此规范。2引用文件本规范引用以下文件：GB/T4470-1998火焰发射、原子吸收和原子荧光光谱分析法术语GB/T27415-2013分析方法检出限和定量限的评估GB/T30725-2014固体生物质燃料灰分测定方法MT/T1074-2008煤中碱金属（钾、钠）含量分级NY/T2909-2016生物质固体成型燃料质量分级CJ/T105-1999城市生活垃圾全钾的测定火焰光度法凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有修改单）适用于本规范。3术语3.1高碱煤Highalkalicoals高碱煤为在干燥基基准下，钾及钠的含量大于0.5%的煤。3.2火焰发射光谱法flameemissionspectrometry(FES)基于测量火焰中原子或分子所发射的特征电磁辐射强度，测定化学元素浓度的方法。3.3谱线spectralline经历一次电磁跃迁的原子所发射或吸收的电磁辐射，其频带非常狭窄。此辐射形成为一个峰，用峰值波长来表征谱线，并对应于发射或吸收的最大值。3.4特征线characteristicline用火焰原子发射、原子吸收或原子荧光光谱法测定气相中待测元素浓度时所用的谱线。4概述JJF(新)120-20232生物质、高碱煤、城市固体废弃物等火电厂锅炉燃烧过程中产生的气相钠、钾是造成受热面严重沾污、积灰、结渣及腐蚀的关键因素。根据燃烧火焰自发辐射理论，钠、钾等碱金属在较高的燃烧温度下会产生原子发射谱线，其发射谱线的强度与火焰中气相钠、钾浓度及燃烧温度直接相关。通过对原子发射光谱处理，采用多波长法从连续光谱中计算火焰温度，再从钠特征谱线与钾特征谱线中计算得到气相钠、钾浓度。利用发射光谱法在线定量测量火电厂锅炉燃烧过程中的气相钠和钾浓度，可为燃烧设备设计优化、燃烧在线调整提供必需的定量信息，预防缓解上述问题。发射光谱测量系统及被测对象，见图1：测量系统主要由准直透镜、光纤、光谱仪、计算机组成被测对象：通常指生物质、高碱煤、城市固体废弃物等火电厂锅炉燃烧过程中的火焰。图1发射光谱测量系统及被测对象5计量性能火焰发射光谱辐射强度：应在Li（670.766nm、670.791nm）或Na（588.995nm、589.592nm）或K（766.490nm、769.896nm）或Rb（780.027nm、794.760nm）处观测到发射光谱辐射强度的峰值应该明显与噪声区分。6检测条件6.1检测条件：佩戴安全防护面罩，与火焰检测口保持1米以上距离，避开与火焰检测口正面相对，保持身体在火焰检测口的侧方检测。6.2测量标准及其它设备JJF(新)120-202336.2.1光谱仪：光谱仪的波长范围：（360-800）nm（或能够覆盖碱金属的特征波长）；最小采样时间：≤1.0s；光学分辨率：0.8nm；波长准确度：±1.0nm；6.2.2光纤：衰减系数0.8dB/km；每条光纤熔接接头不超过2个；6.2.3碱金属浓度标定系统：由火焰光度计（经有资质第三方检定合格）、雾化器、碱金属标准溶液（U=2%，k=2）、燃烧器组成。7检测项目和过程7.1检测前准备7.1.1通过附录A.2中的标定系统进行标定，建立钠和钾特征谱线的辐射强度与钠和钾气相浓度之间准确的定量关系，存储于计算机内。7.1.2连接仪器线路，确定光纤探头位置，使其对准燃烧火焰并在实验过程中保持稳定。7.1.3启动光谱仪与计算机，设置光谱仪的相关参数，如积分时间、测量时间等，对燃烧火焰进行检测测试，确保测试的光谱强度不过曝，确定合适的光谱仪相关参数，完成光谱仪调试。7.2检测步骤7.2.1控制光谱仪开始采集燃烧火焰自发射光谱数据，并保存在计算机中，利用计算机软件计算火焰温度、气相钠浓度与其它碱金属浓度的实时变化。7.2.2试验获得的火焰发射光谱辐射强度随时间的变化数据被储存在计算机中，可绘制某一时间点的光谱强度随波长变化曲线。7.3检测数据处理7.3.1选取特征谱线元素由最低激发态返回到基态所发射的谱线称为第一共振线。根据NISTAtomicSpectraDatabase数据，每种碱金属都有自己的原子特征谱线，其第一共振线中强度较强的特征谱线分别为：Li（670.766nm、670.791nm），Na（588.995nm、589.592nm），K（766.490nm、769.896nm），Rb（780.027nm、794.760nm），在燃烧领域中，主要关注Na（589.592nm）与K（766.490nm、769.896nm）。实际测量时，由于光谱仪的分辨率不同，认为Na与K的发射特征谱线带宽分别为：585-597nm和760-785nm。7.3.2火焰基线光谱的提取与拟合JJF(新)120-20234对试验中实时获得光谱数据，去除钠与钾的发射特征谱线宽度内的光谱强度。对于剩下的光谱强度，使用n次多项式拟合，拟合结果如(1)式。具体过程如附录B中B.1，此结果可以视作火焰光谱基线。0()niCiiIa(1)式中：ia——基线拟合多项式的系数；n——多项式次数；（波长个数）i——波长，单位为纳米（nm）；()CI——基线辐射强度，是波长的函数，单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）。7.3.3火焰温度计算火焰温度使用多波长法计算，如式(2)。525()11()/ln()()()CCITCI(2)式中：T——测量的火焰温度，单位为开尔文（K）；2C——为普朗克第二常数，数值为1.4388×10-16，单位为瓦每平方米（W/m2）；——波长，取值为500nm；——波长的增加量，单位为纳米（nm），取值为550nm。7.3.4钠与钾的特征谱线辐射强度计算根据实际测量的光谱仪不同，选择距离钠的第一共振线特征谱线（589.592nm）最接近、强度最高的谱线为测量的钠特征谱线，记为Na；选择钾的第一共振线特征谱线（766.490nm）最接近、强度最高的谱线为测量的钾特征谱线，记为K。钠与钾的特征谱线辐射强度分别按(3)式与(4)式计算。()()NaNaCNaIII(3)()()KKCKIII(4)JJF(新)120-20235式中：NaI——气相钠特征谱线的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）；KI——气相钾特征谱线的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）；()NaI——未扣除基线辐射强度测量到气相钠的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）；()KI——未扣除基线辐射强度测量到的气相钾辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）。7.3.5气相钠与气相钾浓度计算标定获得的气相钠与气相钾的关系分别如式（5）(5)与式（6）(6)。/(,)NaNaNabNaCIAIT(5)KC=KI/KA(,)bKIT(6)式中：NaA——钠标定系数(标定定值过程详见附录A)；KA——钾标定系数(标定定值过程详见附录A)；(,)bNaIT——在钠特征谱线与温度下的黑体辐射强度，可根据普朗克定律计算（具体计算过程如附录A），单位为瓦每立方米每球面度（W/m3/sr）；(,)bKIT——在钾