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1、两修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JJF (新)1202023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本规范主
2、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）蒲吻（煤燃烧国家重点实验室）王建江（新疆大学）目录引言(II)1范围(1)2引用文件(D3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贝!9乐.(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
3、)附录E碱金属浓度检测示值的不确定度评定示例(13)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(AnaIytiCalspectroscopicmethods-Flameemission,atomicabsorptionandatomicfluorescenceVocabulary)、GB/T274152013分析方法检出限和定量限的评估(Estimateofdetectionandquantitationlimitf
4、oranalyticalmethod)、GB/T307252014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(CIaSSifiCatiOnfOraIkalimetaI(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(Municipaldomesticr
5、efuseDeterminationoftotalpotassium-Hamespectrophotometricmethod)的内容，结合实际检校验工作现状制订。本规范为首次发布。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
6、/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05%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
7、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。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
8、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(766.490nm769.896nm)或Rb(780.027nm、794.760run)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
9、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6.2.1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：1.0r三;6.2.2光纤：衰减系数0.8dBkm;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(住2%,A=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
10、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
11、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对试
12、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。c(*)=ya,(1)式中：一一基线拟合多项式的系数；一一多项式次数；(波长个数)人波长，单位为纳米(nm)；4(4)基线辐射强度，是波长4的函数，单位为瓦每立方米每球面度(Wm7sr)O7. 3.3火焰温度计算火焰温度使用多波长法计算，如式(2)。T=-C,(1-!)/IM力Jr)+AjI+I(2)式中：T测量的火焰温度，单位为开尔文(K)；G为普朗克第二常数，数值为1.438810,6,单位为瓦每平方米(Wm2)；*波长
13、，取值为500nm；Zg波长的增加量，单位为纳米(nm),取值为550nmo7. 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，记为人,；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，记为人。钠与钾的特征谱线辐射强度分别按(3)式与(4)式计算。儿=儿)4(儿)QIK=ISK)- 1c(*)(4)式中：INa一一气相钠特征谱线的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（Wr113sr）；IK气相钾特征谱线的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（W113
14、sr）；/（4G一一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（Wm3sr）；“4）一一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（Wm3sr）o7. 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）0CNU=INUlANJbSNa、丁）CK/AKL,S.T）式中：AM钠标定系数（标定定值过程详见附录A）；4钾标定系数（标定定值过程详见附录A）；14D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（Wm3sr）；4（4,7）在钾特征谱线与温度
15、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（Wm7sr）；CNa工况下气相钠浓度，单位为毫克每立方米（mg113）；CK工况下气相钾浓度，单位为毫克每立方米（mg/mD；8检测结果8. 1检测记录检测记录应尽可能详尽地记载测量数据和计算结果，记录格式见附录Co8. 2检测报告测试报告由封面和检测数据组成，测试报告应包括的信息及推荐的正文格式见附录Do8.3不确定度评定不确定度评定过程见附录E.附录A火焰气相钠和钾的标定方法A.1试剂与材料A.1.1符合GB/T6682规定的二级水。A.1.2钠储备溶液，浓度为IoOOOPPm。A.1.3吸取0.0I
16、nlI的钠储备溶液于100ml容量瓶中，用二级水稀释至刻度，摇匀即可获得Ippm的钠标准溶液。同理，可制取浓度分别为2ppm、4ppm6ppm8ppm10ppm15ppm、20ppm30ppm50PPm等一系列钠标准溶液。A.1.4钾储备溶液，浓度为100oOPPnUA.1.5吸取0.0Ind的钾储备溶液于100ml容量瓶中，用二级水稀释至刻度，摇匀即可获得Ippm的钾标准溶液。同理，可制取浓度分别为2ppm、4ppm6pp8ppmIoPPm、15ppm、20ppm、30pm、50PPm等一系列钾标准溶液。A.2标定系统A. 2.1标定系统组成见图A.1。进行标定的目的是建立钠和钾特征谱线的辐
17、射强度与钠和钾气相浓度之间准确的定量关系。废液：计算机图A.1标定系统示意图A.2.2标定火焰由火焰光度计产生，雾化器负责雾化钠和钾标准溶液，形成气溶胶；混合室将气溶胶与燃料混合，送入燃烧器。A.3气相钠与气相钾浓度标定气相钠与气相钾浓度的标定方法是：根据采用的火焰光度计的燃料乙烯与空气流量范围确定多组燃烧工况，并将工况输入表格（如表1所示的燃烧工况）o首先进行工况1,将制备的不同浓度钠标准溶液通入雾化器，随着载气送入燃烧器中燃烧，使火焰中出现均匀的焰色反应，根据工况1计算气相钠的浓度，使用公式（2）计算出火焰温度，使用光谱仪获得火焰的光谱强度。随后调整为其他的燃烧工况，使火焰温度发生变化，重
18、复以上过程，获得多组温度、拟合出钠特征谱线辐射强度与气相钠浓度、火焰温度间的定量关系。表1燃烧工况工况乙烯流量（Lmin）雾化速率（mlmin）空气流量（Lmin）10.41.52820.61.52830.81.528A.3.1标定过程气相钠与气相钾浓度计算。火焰中气相钠浓度按公式（C.1）计算。(C.1)式中:CNa一一标定条件下气相钠浓度，单位为亳克每立方米（mgM）；九钠标准溶液的消耗速率，单位为升每分钟（LAnin）;CMS一钠标准溶液的碱金属浓度，单位为ppm；R一一理想气体常数，数值为8.31,单位为焦每摩尔每开（J（molK）；T一一室温，单位为开尔文（K）；%燃料的体积流量，单
19、位为升每分钟（Lmin）；Vfl伴流空气的体积流量，单位为升每分钟（Lmin）；P一当前大气气压，单位为标准大气压（Pa）；Vm气体摩尔体积，在25、Iatm下数值为24. 45,单位为摩尔每升（molL） 火焰中气相钾浓度按公式（C.2）计算。(C. 2)C二VKCKsRT（vva）PVm式中：Ck一一标定条件下气相钾浓度,单位为毫克每立方米（mg/）；VK一一钾标准溶液的消耗速率，单位为升每分钟（Lmin）；Cs一一钾标准溶液的碱金属浓度，单位为ppm；R理想气体常数，数值为8.31,单位为焦每摩尔每开（J（molK）；T室温，单位为开尔文（K）；Vg一一燃料的体积流量，单位为升每分钟（L
20、Anin）；v.伴流空气的体积流量，单位为升每分钟（Lmin）；P一一当前大气气压，单位为标准大气压（Pa）；V气体摩尔体积，在25、Iatm下数值为24.45,单位为摩尔每升（molL）。mA.3.2温度与钠与钾的特征谱线下黑体辐射计算标定下的火焰温度可由公式（2）计算，在钠与钾特征谱线与温度下的黑体辐射强度可将钠特征谱线（589.592nm）与钾的第一共振线特征谱线（766.490nm）与火焰温度代入普朗克黑体辐射公式4=-,计算得来。cl为普朗克第一常数；C2一一为普朗克第二常数：T一一火焰温度，单位为开尔文（K）。A.3.3气相钠与气相钾标定系数计算。燃烧过程中钠标定系数按公式（C.3
21、）计算。(C.3)式中:AM一钠标定系数;NaIbSNa，T）一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，单位为瓦每立方米每球面度（Wm7sr）；CNa一一标定条件下气相钠浓度，由式（C.D计算，单位为亳克每立方米（ing/mD。Ib（Na）在标定条件下钠特征谱线下测量到的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度（WmVsr）；燃烧过程中钾标定系数按公式（C.4）计算。(C. 4)/(4)_KIbsK,T)C式中：AK一一钾标定系数；ASk，Q一一在钾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，单位为瓦每立方米每球面度(/U?/Sr)：Ck一一标定条件下气相钾浓度，由式(C
22、.2)计算，单位为毫克每立方米(mgmD。Ih(K)一一在标定条件下钾特征谱线下测量到的辐射强度，单位为瓦每立方米每球面度(Wm3sr).附录B光谱基线提取与拟合方法B-1光谱基线提取与拟合对于光谱仪获得的全波段光谱，剔除Na与K的发射特征谱线带宽(585-597nm和760-785nm)内的光谱。对剔除后的其他波段的光谱数据以及其对应波长，以波长4为自变量，光谱数据/(/)为因变量，建立多项式拟合，拟合的结果适用于全波段。初次拟合的多项式次数为3次，完成拟合后，进行拟合检验，如检验结果为不合格，则将多项式拟合的次数增加一次，再重复上述过程，直到拟合检验的结果为合格为止。获得的多项式拟合系数与
23、基线辐射强度c(4)的关系如公式(1)B. 2拟合效果检验通过公式(B.1)与进行拟合效果检验：%(才”()GFC=(4M)2,z2(M)2,z2式中：GFC拟合优度，无量纲量。若拟合优度小于0.999,认为该拟合不合格；若拟合优度大于0.999,认为本次拟合合格。Il附录C锅炉燃烧火焰中碱金属检测记录参考格式委托方名称记录编号委托方地址检测Fl期锅炉型号规格检测负责人、参加人锅炉制造单位核验人技术依据：主要测量设备：锅炉重要运行工况参数记录：（选做）现场测量数据：数据鼠次数炉测G、位置描述.测量1测量2测量3平均值将前列数据带入关系式（1）与（2计算钠与抑浓慢IK火火源度T儿/Ik火焰温度T
24、IK火焰温度TIn/NaIK火焰湿度TCnuCk位置1：位置2：位置3：位置4：.附录D检测报告参考格式检试报告封面应至少包括下列内容：a）测试锅炉型号；b）锅炉制造单位；O测试委托单位；d）测试地点；e）测试日期；f）测试单位；g）测试报告编号。测试报告正文应至少包括下列内容：a）测试目的和要求；b）锅炉制造单位；c）测试负责人、参加人员；d）测试项目及测试用仪器仪表说明；e）测试工况说明和结果分析：f）测试结果汇总表。附录E锅炉燃烧火焰中碱金属浓度检测示值不确定度评定示例E.1概述E.1.1检测用设备：光谱仪。E.1.2检测方法按本规范正文7.7.2条进行示值误差的校准(以钠元素为例)。E
25、.2测量模型及不确定度计算公式E.2.1建立测量模型按照公式(E.1)建立测量模型。CNa=INalANJbsNa(D.1)式中：ANa钠标定系数(标定定值过程详见附录A)；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(Wm3sr)；CN(I工况下气和钠浓度，单位为毫克每立方米(mg/n?)；E.2.2不确定度传播率：灵敏系数为cl=1e-,=1Sxt-%测量量彳与彼此不相关，有：)-cl2u(x,yc22i(at,)j(D2)E.3输入量的标准不确定度分析与评定仪器示值测量不确定度来源于测量结果平均值引入的不确定度、测量设备自身准
26、确度等引入的不确定度。E.3.1不确定度分量来源及其描述各不确定度分量来源及其描述见表D.L表E.1不确定度分量来源及其描述标准不确定度不确定度分量来源不确定度来源描述测量结果平均值引入的不确定度测量重复性引入的标准不确定度(须)设备引入的不确定度设备自身准确度引入的不确定度(黑体炉标定)E.3.2输入量乐的标准不确定度”()的评定测量重复性引入的标准不确定度/&),可以通过连续测量测量列得到，用A类方法进行评定。本次测量选择工况稳定，工况参数在检测时间段基本保持一致的锅炉火焰进行测量，重复测量10次，测量结果:9.5,9.2,10.8,11.0,9.0,8.6,10.5,11.5,8.3,1
27、0.2,单位为mgm3,标准偏差按(E.3)计算(E.3)实际测量结果采用3次测量的算术平均值，则由测量重复性引入的不确定度为：u(t)=6.4%(D.4)由于仪器读数分辨力引入的不确定度远小于仪器测量重复性引入的不确定度，因此本例忽略E.3.4输入量儿的标准不确定度（XS）的评定输入量入的标准不确定度UaS）按公式（D.4）计算:(D.5)U（X）=0.5%S2E.4标准不确定度分量汇总（见表D.2）表D.2标准不确定度分量汇总表标准不确定度分量不确定度来源标准不确定度U(X1)测量结果平均值引入的不确定度分量6.4%测量设备引入的不确定度分量0.5%E.5合成标准不确定度按公式（D.2）计算合成标准不确定度:%（八）=0.13%E.6扩展不确定度取包含因子A=2,U=k.uc（L）=6.5%,则该点仪器测量示值的扩展不确定度为:ZZ=6.5%,A=2o昌。ZION-(源)%p新疆维吾尔自治区地方计量检测规范锅炉燃烧火焰中碱金属检测规范JJF(Wf)120-2023新疆维吾尔自治区市场监督管理局发布*版权所有不用翻印*880mm1230mm16开本2023年12月第1版2023年12月第I次印刷印数1-10()
