1、引言

火力发电依然是我国主要产电方式，2018年占总发电量的73%以上[1]，这其中燃煤电厂的贡献占据大半。这不仅造成了大量的碳排放，而且还会排放氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等有害气体，危害环境和人类健康。我国于2012年实施火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)[2]之后，各地方也陆续出台了相关标准，NOx、SO2等有害气体的排放限值不断降低。近年来，为了持续改善环境空气质量，我国开始全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作[3]，对排放限值要求更加严格，这对于气体排放监测设备的灵敏度和精度提出了更高的要求。另一方面，在发电厂中，燃煤锅炉的燃烧优化控制对于节能减排非常重要，如图1所示，这对锅炉燃烧过程中温度和气体组分浓度的二维甚至三维分布在线监测技术提出了新的需求。

可调谐二极管激光吸收光谱技术是一种高分辨率红外激光诊断技术，利用半导体激光光源的窄线宽特性，通过对其施加电流调谐或温度调谐，覆盖目标气体的吸收谱线，进而对吸收光谱进行光谱分析得到气体的浓度、温度等信息[4]。TDLAS技术作为一种先进的痕量气体检测技术，与传统检测方法比较，具有高灵敏度、高选择性、快速响应、可多组分多参量同时非接触测量等独特优势，在工业过程应用中具有很好的前景和实际意义。近几年，该技术在燃烧诊断领域的研究越来越广泛[5,6,7,8]，发展极为迅速。为满足不同燃烧场的测量和高时空分辨的测量要求，基于TDLAS技术开展了燃烧场温度测量和燃烧气体排放检测的研究，为该技术逐步走向现场应用奠定了基础。

图1燃煤电厂系统示意图

针对图1所示的燃煤电厂具体需求，近年来TD-LAS发挥的作用越来越大，愈来愈得到研究人员的重视和工业界的认可。在简述TDLAS原理和系统构成的基础上，综述了目前国内外TDLAS技术在燃煤电厂的污染气体排放检测和锅炉燃烧诊断的研究现状，并展望其未来发展趋势，旨在为今后相关研究提供参考和借鉴。

2、TDLAS原理及系统

TDLAS技术方案主要包括直接吸收光谱技术(DAS)和波长调制技术(WMS)两种[9]。

2.1直接吸收光谱技术

直接吸收光谱技术是利用激光吸收光谱技术测量气体浓度的基本方法。作为最直接的TDLAS技术，DAS是在20世纪70年代引入燃烧诊断领域的，并且在最近几十年中一直延续应用[10]。如今，DAS仍然被广泛应用于许多领域，因为它具有易于实现、无需校准和高时间分辨率等不可替代的优点[11,12]。其测量原理是根据半导体激光器的特性，通过改变加载在激光器上的驱动信号，控制激光器的输出波长覆盖被测气体的吸收峰所在波段，经气体吸收后的光信号通过光电探测器进行光电转换后采集处理。其定量测量的理论基础是Beer-Lambert定律[13]。在DAS中，入射光强度为I0，经样品气体传输后的光强为It，如图2所示为DAS测量示意图。当激光频率v与气体分子的某一跃迁产生共振时，入射光的能量就会因吸收而减弱。衰减的激光能量-dIv与所经路径微分元dl相关，由辐射的爱因斯坦理论定量描述[14]:

其中，Iv是激光能量，P[atm]为气体总压强，xabs(l)为吸收气体的体积分数，Si[cm-2atm-1]为i谱线线强，T(l)[K]为温度，φv[cm]为线型函数。

因此，激光穿过吸收光程为L的目标气体之后，透过率τv可表示为:

图2直接吸收光谱测量示意图

图2直接吸收光谱测量示意图下载原图

2.2波长调制光谱技术

为了降低DAS系统中各种噪声对测量结果的影响，提高系统的稳定性，降低系统的最低检测限，调制光谱技术应运而生。调制光谱技术分为波长调制光谱(WMS)技术和频率调制光谱(FMS)技术，这两种技术都是对加载在激光器的电流信号进行调制，WMS技术的调制频率一般选择在1k～50kHz之间，远低于FMS的调制频率(接近气体的线宽～500MHz)[15]。虽然FMS技术比WMS技术检测灵敏度更高，响应时间短，但是FMS技术系统结构复杂，且高频调制对电子设备和激光器等光学元器件要求苛刻，造价昂贵。所以目前WMS技术在TDLAS激光传感器系统被广泛采用。

在WMS测量中，对激光器施加高频正弦电流调制会使激光器同时产生频率调制FM和强度调制IM[16,17,18]，分别由公式(3)和(4)描述。

其中，v0为激光的中心频率，a为调制幅度，I0-是激光器在v0处的平均光强，i0和i2分别为线性强度调制幅度和非线性强度调制幅度，ψ1为FM/IM相位差，ψ2为FM/IM非线性相位偏移。

WMS测量系统组成如图3所示，信号发射器除了产生锯齿波使得激光器的波长在一定范围扫描外，还产生一个频率为f的高频正弦信号对激光的频率和光强进行双重调制，经目标气体吸收后的透射光经光电探测器转化为电信号后输入锁相放大器，对其谐波信号(通常为二次谐波2f)进行检测，进而反演气体浓度。

图3波长调制光谱(WMS)吸收测量示意图

近年来，WMS技术不断发展，ZhenhaiWang等人综述了一次谐波归一化的二次谐波探测(WMS-2f/1f)技术、DAS归一化的WMS技术、高次谐波信号复原吸收线型技术等WMS衍生技术的原理和应用[4]。相比DAS方法，WMS可以有效抑制背景噪声和外界干扰的影响，提高测量的灵敏度，对于具有小吸光度、高压展宽或混合吸收特征的测量更有吸引力。随着免标定WMS技术的研究发展，该技术在燃烧诊断方面的应用也越来越广泛。

3、燃煤电厂的排放监测

燃煤电厂排放的主要污染物包括氨气、氮氧化物、碳氧化物、硫化物等，对这些污染物进行检测对大气环境保护具有重要的意义。

3.1脱硝氨逃逸检测

TDLAS技术应用在工业现场时具有高时间分辨率、低检测限、持续稳定工作等优点，可以较好地满足NH3检测的高精确度、实时原位等测量要求。从近红外到中红外，TDLAS具有多种方案和光谱波段，对NH3浓度的监测具有重要价值。WEBBER等人[19]为避免谱线交叉对测量结果产生影响，研究了1.5μm附近氨气的特征谱线，选择适合监测氨气排放的吸收谱线，并利用外腔二极管激光器测得2.4m光程下NH3的最低检测限为22×10-6;由于燃煤电厂的脱硝尾气中含有较高的浓度CO2和H2O，随着测量环境中NH3浓度的降低，CO2和H2O对吸收光谱的干扰明显升高，使得该传感器不适合在更高温度和更低NH3浓度下使用。ChuanliangLi等人[20]利用1.51μmDFB激光传感器，在1.5m光程和415K温度下测得NH3的最低检测限为0.16×10-6;然而该传感器在实际测量中易造成氨气吸附在采样管路中，极大地影响了测量的准确性。QIU等人[21]利用1.514μm的激光器测量受强废气基质CO2和H2O的影响的SCR/SNCR过程中氨的温度，实验结果显示该系统具有良好的线性度(R>0.996)和精度(误差<2%)，温度范围为453至653K，浓度误差小于5%。STRITZKE等人[22]使用2.20μmDFB激光器测量800K的燃烧尾气，在光程147mm下NH3的最低检测限为2×10-6，时间分辨率为0.07s;然而对于低于该检测限的浓度检测，该传感器会受到H2O和CO2的强烈干扰而失效。为了提高测量精度实现两种气体浓度的同时测量，CHAO等人[23]利用2.25μmDFB激光器实现了乙烯-空气燃烧器620K尾气中的NH3和NO浓度同时检测，验证该系统在1.79m光程长度下NH3的最低检测限为15×10-6;该系统的优势在于实现了两种气体浓度的同时测量，然而在该燃烧器的尾气中仅有痕量未燃烧碳氢化合物，但燃煤电厂脱硝尾气中烃类的浓度量级为100×10-6，该波段中2.25μm碳氢化合物中C-H键的光谱干扰会明显降低传感器的性能。随后W.YPENG等人[24]利用10.6μmQCL激光器测量甲烷-空气燃烧器温度为600K的燃烧尾气，实现1.79m光程下NH3的最低检测限为2.8×10-6，该研究在不牺牲信噪比的情况下降低H2O和CO2的干扰，为研制高温环境中高灵敏度的逃逸NH3激光传感器提供了思路。YAN等人[25]利用1.5μmDFB激光器实现了NH3和H2O浓度以及温度和压强的同时测量，并通过具有不同调制幅度的波长调制光谱(WMS)和优化的多光谱拟合算法相结合的方法进行了模型模拟，实验结果得出:NH3浓度、H2O浓度、温度和压力的相对测量不确定度分别为8.4%、8.0%、5.3%和7.0%。为恶劣环境中对逃逸氨的浓度检测提供了参考。甄杨等人[26]根据燃煤电厂脱硝尾气对于精度的检测要求，利用TDLAS技术测量了氨气在1.5μm波段附近的吸收谱线，并结合压力变化对浓度检测的影响给出了氨气浓度的反演算法，有效排除了压力对测量结果的影响，但是该系统的最低检测浓度为10×10-6，并且对负压环境下的氨气浓度无法进行验证，所以未能应用于现场监测。张增福等人[27]研究了基于长光程气体池的TDLAS逃逸NH3传感器系统，并分析证明了赫里奥特(Herriott)池更适合应用于恶劣的环境现场。本课题组研发的便携式脱硝氨逃逸激光检测系统基于将TDLAS与Herriott长光程气体池结合，可实现氨气、水蒸气浓度以及温度压力等参量的同时检测[28]。

国外已有多家企业成功研制了以激光吸收光谱技术为核心的气体分析仪并将其用于燃煤电厂脱硝尾气中逃逸NH3浓度的现场测量，其中在国际上处于领先地位的公司主要有:挪威纳斯克、德国西门子以及加拿大优胜等。纳斯克公司的代表性产品为LaserGasⅢ系列[29]气体分析仪，利用TDLAS技术实现脱硝逃逸NH3的实时原位监测，可同时测量H2O浓度，在恶劣的现场环境测量中表现卓越;西门子公司的代表性产品LDS6[30]属于原位测量型的激光气体分析仪，可实现NH3和H2O浓度的同时测量，选用内置参比气体池的方法避免了标定的步骤，可在1800K高温或粉尘浓度较高的极端环境下工作;而优胜公司的LasIRTM气体分析仪[31]基于TDLAS技术测量逃逸NH3，通过内置参比气体池动态地调节激光器的电流和温度避免波长漂移，适合高粉尘、高温、高污染的苛刻监测环境，是我国目前市场占有量最大的产品。国内对此研究和产业化起步比较晚，目前，有郑州光力、日立信、宁波海尔欣等公司推出了在线式和便携式氨逃逸激光检测相关产品，特别是宁波海尔欣光电采用中红外QCL，使得同等测量条件下，仪器精度比使用1.5μm的激光分析仪高两个量级[32]。对国内外市场典型的脱硝氨逃逸激光检测产品的性能指标进行对比，如表1所示。

表1国内外逃逸氨激光检测仪器性能指标对比

3.2NOx气体检测

NOx会对环境和人类健康造成严重危害[33]，各国对NOx的排放都有严格的限制，所以对燃煤电厂NOx排放进行监测非常必要。目前针对燃煤电厂排放NOx和SO2等烟气成分进行检测常用的技术是差分吸收光谱(DOAS)技术[34]，但DOAS的灵敏度不够高，对于短光程、低浓度的应用受限，而TDLAS技术则可实现高灵敏和高精度的检测需求。Reidl-Leuthner等人[35]利用中红外激光光谱技术对热电厂烟气中NO和NO2排放的同时在线监测，通过在奥地利Dürnrohr热电厂进行现场实验，实验过程中，烟道内经为5.5m，利用2个准连续DFB-QCL激光器对1900cm-1附近的NO和1630cm-1附近的NO2分别进行浓度测量，实验结果得出在高湿H2O含量152～235g/m3和高尘15.8mg/m3的条件下，检测出其检测限分别为219×10-9和164×10-9。CHAO等人[36]开发出一种具有免校准的WMS中红外吸收方法，用于实时、原位监测温度高达700K的含有颗粒的燃烧废气中的NO。实验过程中，烟道内径3.05m，采用5.2μm的外腔(EC)QCL作为探测光源检测1927cm-1附近的NO浓度，结果表明，该技术对于每米路径长度的检测限为0.3×10-6。LEI等人[37]采用加压热重分析仪结合傅立叶变换红外光谱研究了大同烟煤在加压氧燃料燃烧过程中SO2、NO和NO2的排放情况，主要研究了压力对排放特性的影响。实验结果表明，加压氧燃料情况下的NOx排放随着压力的增加而单调增加。哈尔滨工程大学杨晓涛等人[38,39]利用两支波长为1900cm-1和1627cm-1的带间级联激光器分别作为检测NO、NO2的探测光源，采用DAS方案，测量了四冲程四缸柴油发动机在不同负载功率和不同转速下的NOx排放特性，其测量结果与发动机尾气排放分析仪相比偏差小于5%，验证了TDLAS适合用于瞬态排放气体浓度的在线检测。陈祥[40]以QCL激光器为光源基于中红外波长调制谱技术，搭建了开放式的NO、NO2和NH3同时检测系统，并设计了时分调制电路控制三支激光器错时出光，对环境中的NO、NO2和NH3进行浓度检测，系统的时间分辨率为1s，最低检测限小于1×10-9，但该系统需要三个中红外波段的QCL激光器，成本较高，且没有考虑温度对系统监测精度的影响。最近，HARGREAVES等人[41]针对NO、NO2和N2O气体吸收光谱进行了精密测量，修正了最初基于半经验方法得到的谱线参数，更新了HITRAN和HITEMP数据，为接下来TDLAS对NOx的高精度测量奠定了坚实的基础。

3.3CO、CO2气体检测

监测锅炉烟气中一氧化碳含量对判断锅炉燃烧效率是十分必要的，特别是配合氧气和二氧化碳的监测，对燃烧进行优化和控制，是实现节能减排的有效手段。CHAO等人[42]利用2.3μm的DFB二极管激光器对锅炉中的CO进行实时原位测量。该实验对燃煤锅炉含尘节煤器废气进行了3m路径的测量，通过在不同的过量空气水平下，连续7小时测量的结果得出其检测限为0.6×10-6，测得的CO浓度与过量O2浓度呈预期的负相关，其变化范围在1%～3%之间，测量的CO浓度在6～200×10-6之间。对数据的评估表明，其最小信噪比为10，最大吸光度为1，动态范围为6～10000×10-6，该实验结果为后期实际燃烧系统燃烧废气的实时监测和控制的研究的开展奠定了基础。HolgerTeichert等人[43]基于TDLAS技术，采用1.56μm的光纤耦合分布反馈二极管激光器对CO进行检测，通过在600mw的全尺寸燃煤电厂的13米和20米的吸收路径上进行了两次60小时的成功测试，结果表明在窄带干扰滤光片后有强背景辐射，也能实现1.9×10-4的分辨率，并能在高温范围内进行原位测量。随后RitobrataSur等人[44]利用TDLAS技术对煤质气的合成气产品CO、CO2、CH4和H2O进行了原位激光吸收测量，CO采用中心吸收波长为2326nm的激光器进行检测，CO2采用中心吸收波长为2017nm的激光器进行检测，本次实验实现了首次在工程规模的输运反应器气化炉上利用时分复用、原位波长扫描对CO、CO2的摩尔分数进行测量，经过54天实验，成功对这四种摩尔质量进行测量，并首次确定了合成气组分动态变化的指标与反应器的混合区温度波动有关。SEPMANA等人[45]利用TDLAS传感器在4350cm-1附近对CO的摩尔分数进行测量，发现在平火中测量的CO浓度与在1D火焰模拟的结果相比，优于10%，在中规模常压气吹气流气化炉内测量的反应器堆芯中CO的不合格率为15%。证明了反应器堆芯CO和煤烟浓度随空气当量比的降低而增加。ZHUX等人[46]利用TDLAS结合温度补偿方法，实现了精确的二氧化碳浓度测量。选用1579nm的分布反馈式(DFB)二极管激光器作为CO2测量的激光源，分别采用DAS和WMS的温度补偿方法进行测量，结果显示DAS和WMS测量的相对标准偏差分别从0.84%和0.35%降低到0.42%和0.31%，为后续燃煤电厂对排放气体的浓度进行高精度测奠定了基础。ASEPMAN等人[47]采用TDLAS技术对生物质气化炉反应器内两个不同位置的几个重要工艺参数进行了测量，选取中心吸收波长为2298nm的激光器对CO和H2O的浓度进行同时测量，通过为期两天的测试，得出结论TDLAS技术在燃烧和气化的过程表征、监测和控制方面有着广阔的发展前景。卢伟业等人[48]利用TDLAS技术，选用了中心波长为1580nm的DFB-LD作为光源，利用DAS和WMS方法分别对CO2浓度进行检测，通过实验对比发现虽然WMS在测量精度上占优势，但受现场环境干扰大，而DAS无需标定，故更适合于燃煤电厂CO2在线监测。

3.4SO2、SO3气体检测

根据2009年至2014年中国燃煤电厂SO3排放情况可知，SO3排放量从199.7千吨增加到314.6千吨，年均增长率高达9.7%[49]。所以控制SO2的排放至关重要。我国燃煤电厂超低排放标准也对SO2排放提出了新的严格要求。因此，对SO2、SO3的监测也是非常必要的。曾怡帅[50]基于TDLAS调制波长技术检测高尘环境中多组分气体浓度，在实验中选用中心吸收波长为2516.2cm-1的激光器对SO2进行检测，利用透射法对粉尘进行检测，实现了粉尘和多组分气体浓度的同时测量。HIETAT等人[51]提出一种高灵敏度激光光谱仪，可同时测量燃煤电厂中的SO2、SO3和H2O，其工作波长为7.16μm，在增加的温度和低压下使用总路径长度为9.1m的光学多通道气体池，实验结果表明采样时间为20秒时，SO2和SO3的检测下限分别为0.134和0.0073×10-6。TOKURAA等人[52]选用4μm波段SO3吸收线用于原位SO3检测，使用基于准相位匹配的LiNbO3波导差频生成的中红外激光源，在4.094～4.106μm的波段内，检测强SO3吸收线，结果表明在190℃的温度下，体积浓度为170×10-6时的最大吸收系数约为3.2×10-5cm-1。BRECHTEL等人[53]提出了一种用于燃气电厂尾气中SO3的TDLAS系统方案，利用SO3位于1365.49cm-1(7323.38nm)的吸收谱线，结合长光程(15m)气体池和低压(<100hPa)检测技术，避开H2O谱线的干扰，实现SO3的高灵敏度检测。

综上，总结国内外TDLAS技术在燃煤电厂污染气体排放检测方面的研究成果，如表2所示。

表2国内外TDLAS气体检测技术在燃煤电厂的研究成果

4、锅炉燃烧诊断

所谓的锅炉燃烧诊断就是测量出燃烧过程中各种能够反映燃烧工况的信息，提高燃烧效率，降低污染物排放，改进燃烧器性能，并对温度、组分浓度等空间分辨量进行实时、原位、在线测量，将其结果与标准燃烧工况下应有的结果相比较，从而对现有的燃烧状况作出评价并提出相应的解决方法的过程。如图4所示为在燃煤电厂炉膛中燃烧诊断的示意图[54]。该图显示出了O2和CO的测量位置以及燃烧控制装置，激光发射器和接收器各位于左右两侧炉壁上。根据发射和接收光路个数以及获取信息的维数，将锅炉燃烧诊断分为一维视线(LOS)测量和二维分布测量。

图4燃煤电厂炉膛测量图

4.1一维视线(LOS)测量

如图4所示，TDLAS技术用于锅炉燃烧诊断通常采用对射结构，即沿激光传输方向的一维视线(LineofSight,LOS)积分测量，测量的是该条路径上目标气体的积分吸光度，得到的结果也是所测LOS路径的平均值。JENKINS等人[55]基于LOS红外吸收光谱技术，提出一种新型非侵入式原位测量传感器，主要用于燃烧气体测量和过程控制。通过在田纳西州哈里曼的TVAKingston工厂中的200兆瓦的机组上进行现场测量，得到的实验结果为在离线测量中发现最小可检测吸光度约为1×10-3，受限于标准具噪声，在23英尺的路径长度上的吸光度约为5×10-1，导致信噪比约为500，当通过火焰区域进行测量时，最小可检测吸光度增加到约1×10-2。即使在这些高吸光度水平下，吸光度测量的信噪比仍能达到50。SUR等人[24]提出基于光纤的多个激光器的多路复用用于一个LOS路径上的多组分测量，利用新波长扫描归一化WMS用于浓度测量，经过960小时的运行测量，首次实现在大型电厂合成气中具有亚秒分辨率进行原位多组分激光吸收测量。YAN等人[56]提出一种基于多项式拟合的方法将连续基线从包括连续和不连续波段的实测火焰光谱中分离，用于1000兆瓦燃煤电厂锅炉中测量碱金属的温度、发射率和辐射强度。结果表明，计算温度测量点的最大差值为6K，测量点之间的辐射率的相对偏差小于5%。LOS视线测量不仅可用于燃煤电厂的燃烧诊断，还用于发动机的燃烧诊断中，如力学所与弗吉尼亚理工大学合作，基于TDLAS技术，对标称马赫数为2.5的超燃冲压发动机的多个位置进行了温度、流速、H2O分压等多个气流参数的测量，包括燃烧室的入口、靠近火焰稳定腔的燃烧区域及出口[57]，并研究了基于LOS吸收的非均匀流场流速测量的不确定度[58]。传统的LOSTDLAS技术通常用于测量路径平均值，这种测量受限于待测场是均匀分布的情形。然而由于与侧壁、冷边界层和气体扩散的热传递，燃烧场的不均匀分布特性广泛存在。因此，许多研究人员试图评估非均匀场对LOS测量结果的影响，因此，需要发展新的技术方法实现对燃烧流场的二维分布进行测量。

4.2二维分布测量

将TDLAS技术与计算机断层成像技术(CT)结合起来(称为TunableDiodeLaserAbsorptionTomography,TDLAT技术)，通过来自不同方向的离散激光束获得的投影成功获取燃烧参数的空间分辨分布，使得TDLAT技术用于发电厂的现场燃烧诊断成为可能。在实际的燃烧场景中，如火力发电厂和焚烧炉设施等。现场实时测量温度和气体摩尔分数分布，可以为锅炉控制系统提供重要的反馈，可以实时观察燃烧过程，以研究燃烧不稳定性的机理，从而提高燃烧稳定性和效率。因此，XU等人[59]开发了一种基于TD-LAS在线层析成像系统，用于监测火焰中温度和H2O摩尔分数的二维分布测量，通过实验得出系统的时间分辨率为12ms，并对不对称预混火焰进行实验，实验结果得出固定当量比为0.749，时变当量比为0.69～1，实验结果表明该系统能够捕获静态和动态燃烧过程，并具有良好的火焰监测和燃烧诊断潜力。SAP-PEY等人[60]介绍了利用ZoloBOSS燃烧传感器分别对650兆瓦和1300兆瓦的燃煤电厂进行测量，使用多路径TDLAS测量，利用波长多路复用功能和层析成像算法相结合得出锅炉的温度、O2,CO和H2O浓度的二维分布，并利用手动调节的优化方式提高燃烧效率，实验结果表明经过优化后燃烧更均匀，并且该装置的加热率已降低0.88%,NOx排放浓度减少了5%,CO2排放浓度减少了1.88%，在1300兆瓦的锅炉中，这种适度的燃烧优化每年将节省约210万美元的燃烧成本。SUN等人[61]基于TDLAS技术，使用代数重建技术(ART)实现气体浓度和温度的二维(2D)分布重建，研究了光束分布和网格尺寸对燃烧场重建的影响，以获得有限数量光束的最佳重建结果。在实验中，利用1395nmDFB-LD设计了一种结构方案，在室温下，在不同的燃料空气当量比下，用1和2个平面火焰炉进行了16束路径的燃烧实验，实验结果表明其时间分辨率小于1s。WANG等人[62]提出通过CT方法重建二维温度和气体浓度分布，重建结果的准确性取决于吸收数据库的准确度和激光路径的数量(空间分辨率)。通过利用近红外二极管激光的双物种原位光谱仪在600兆瓦的全尺寸燃煤发电厂(吸收路径，13和20米)中成功测试了120个小时。实验结果得出其吸收分辨率低于10-3且时间分辨率为30秒。为了更好地应用于燃煤电厂现场燃烧诊断，近几年，许多研究人员在实验室环境下模拟燃煤电厂的燃烧过程，对多种气体混合的燃烧火焰进行二维分布测量。如WANG等人[63]发展了一种利用TD-LAS和ART的层析成像方法，用于检测预混火焰中H2O浓度和温度的二维分布。通过实验测量了三种不同当量比下甲烷/空气预混火焰中的温度和H2O浓度，并将重建结果与模型计算进行了比较。数值评估表明，TDLAS断层扫描系统能够测量温度和H2O浓度分布，甚至可以检测噪声强度达到吸收信号的3%。LIU等人[64]开发了一种基于TDLAS的层析成像系统，重建了想要的某个横截面上的二维温度分布，为了获得稀薄预混燃烧状态，通过设置甲烷和空气的流量在8L/min和371L/min，选取2cm处的旋转火焰的横截面作为吸收目标，可测的三个温度断层图像，分别为t=0,t=12ms和t=24ms的重建温度分布。该系统被证明能够以12ms的时间间隔重建温度分布。屈东胜等人[65]提出利用WMS技术实现非均匀燃烧场气体温度和H2O组分浓度二维重建的方法，选择H2O位于7185.60cm-1和7454.45cm-1的吸收谱线作为测温谱线对，采用频分复用的方法对燃烧火焰进行了实验研究，结果表明基于WMS方法的二维重建测量精度较高，但对温度阶跃变化流场不敏感。总结近年来国内外在燃煤电厂锅炉燃烧诊断的应用研究现状，如表3所示。

表3国内外在燃煤电厂锅炉内燃烧诊断的研究现状

5、总结和展望

对TDLAS技术在燃煤电厂中的应用进行了综述。与传统的检测技术相比，TDLAS技术具有高选择性、高灵敏度、实时动态、可多组分多参量同时非接触检测等独特优势。TDLAS技术作为一种先进的激光检测手段已经在燃煤电厂的污染气体排放监测和锅炉燃烧诊断中发挥着重要作用，为TDLAS技术更好的应用于燃煤电厂奠定坚实的基础，未来TDLAS在该领域的应用前景将更加广阔。

(1)在仪器研发方面，在线和便携式仪器互为补充，在未来的市场中都有一定的需求。无论是哪种类型的仪器设备，要实现原位测量，关键是解决环境适应性问题，克服高/低温、高湿、高粉尘、烟道的振动、膨胀及收缩等对测量光路的影响。开发人机交互好、维护成本低的仪器是未来发展的方向之一。另一方面，如文中所述，目前的TDLAS产品大都针对某一种或两种污染物进行监测，不能满足超低排放检测的需求。因此，迫切需要集成开发多组分多参量同时测量的TDLAS产品。

(2)随着激光技术和电子技术的发展，中红外QCL和光电探测器价格不断下降，有望用于越来越多的TDLAS产品中，提高检测性能[66]，用于NH3、NOx和SOx的排放检测。

(3)随着TDLAS研究的进展，先进的TDLAS技术，包括不同的测量方案(如免校准WMS-2f/1f,DAS校准WMS等)、噪声抑制方法和设计优化方法、信号处理方法等等，不断发展和验证，会不断升级TDLAS仪器设备，使得其性能更优，使用更加方便。

(4)在节能方面，锅炉燃烧优化是非常重要的手段，TDLAS作为先进的监测手段会大有可为，为最终实现燃烧的闭环控制奠定基础。

(5)随着国家对环境保护日益重视和对节能减排的强烈需求，国家和地方也会出台越来越严格环保标准和治理规范[3,67]，这些都离不开先进的检测手段和监测技术，TDLAS将发挥它的独特优势，有更广阔的用武之地。这也必将促进我国在燃煤电厂气体排放监测和燃烧诊断等方面仪器设备的迅猛发展。

参考文献：

[1]2018年中国火力发电行业发展现状,火力发电依然是主要产电形式.

[2]国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,2011.

[3]《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》[J].节能与环保,2016,1:32-32.

[5]洪延姬.燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展[J].实验流体力学,2014,28(3):12-25.

[26]甄杨.基于调谐激光吸收光谱技术的逃逸氨检测系统研究[D].天津:天津大学,2012.

[27]张增福,邹得宝,陈文亮,等.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的逃逸氨在线监测研究[J].光学技术,2013,39(04):297-299.

[28]魏莹莹.燃煤电厂脱硝过程多组分多参量的激光传感器研制[D].天津:天津工业大学,2019.

[33]胡倩,张世秋,吴丹.美国和欧洲氮氧化物控制政策对中国的借鉴意义[J].环境保护,2007,9:74-78.

[48]卢伟业,朱晓睿,李越胜,等.TDLAS直接吸收法和波长调制法在线测量CO2的比较[J].红外与激光工程,2018,47(07):155-160.

[50]曾怡帅.高尘环境多组分气体成分检测方法研究[D].唐山:华北理工大学,2017.

[65]屈东胜,洪延姬,王广宇,等.基于波长调制光谱技术的气体温度和组分浓度场二维重建测量方法研究[J].中国激光,2018,45(1):275-284.

[67]高捷,陈浩,杜乐.燃煤电厂烟尘排放标准分析及超低排放技术探讨[J].环境与发展,2018,30(10):97-99.

李金义,孙福双,张宸阁,付作伟,闫宝全,李红莲.调谐激光吸收光谱技术在燃煤电厂中的应用及展望[J].激光杂志,2020,41(04):8-17.

基金:国家自然科学基金(No.61505142);天津市自然科学基金(No.17JCYBJC16800);天津市教委科研计划一般项目(No.2017KJ085);天津市高等学校创新团队(No.TD13-5036).