CN101672733B - 一种高温气溶胶颗粒取样枪 - Google Patents

Abstract

一种高温气溶胶颗粒取样装置，属于煤燃烧及环境污染排放技术领域。该装置包括取样头和枪体两部分；取样头由取样嘴、稀释气加热管道和混合通道组成，枪体包括水冷外壳组件和二级稀释混合管。本发明针对高温燃烧环境中的复杂条件，通过两级稀释取样，抑制高温烟气中气态无机物质在取样过程中发生凝结成核过程，同时也阻止颗粒在取样过程的碰撞团聚过程，从而获取高温烟气中真实的颗粒物分布。适用于高温环境下(如各种燃烧装置)的气溶胶颗粒物取样。

Description

一种高温气溶胶颗粒取样枪

技术领域

本发明涉及一种高温气溶胶颗粒取样枪，属于煤燃烧及环境污染排放技术领域。

背景技术

高温环境下的颗粒物取样系统对于研究矿物燃料、生物质等燃烧过程中可吸入颗粒物的形成机理和排放、燃烧合成中研究纳米颗粒的形成是非常重要的。然而，在高温环境中，通常含有气态无机矿物质和气体反应物，这些物质将在取样冷却过程中发生一系列的动态物理化学过程，即在气体温度冷却过程中发生凝结聚并形成新的颗粒物，或者凝并到原有的颗粒上，从而影响原始的颗粒相态。因此，需要在取样过程中冻结这些过程，以获得能够具有代表性的颗粒样品。

然而，现有的高温颗粒物取样装置或者采用水冷管壁和真空泵抽取方式，或者在取样入口加入稀释气，这种高温颗粒取样方法很难保证所获取高温环境中颗粒物的分布情况和特性，尤其对细颗粒物(空气动力学直径小于10μm)，现有的取样方法和设备无法冻结高温环境中的气态无机矿物质在取样过程中的物理化学反应，从而改变细颗粒物的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温气溶胶颗粒取样枪，该取样枪可以抑制高温环境中气态无机物质在取样过程中的凝结、成核、碰撞聚并以及化学反应等物理化学过程，从而保证颗粒物取样的真实性。

本发明的技术方案如下：

一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述装置含有取样头和枪体两部分，所述的取样头由取样嘴1、稀释气加热管道2和混合通道3组成，所述取样嘴和混合通道的入口连接，所述的稀释气加热管道的出口与混合通道的入口连接，并在稀释气加热管道的出口设置一级稀释喷嘴4；所述枪体包括水冷外壳组件和二级稀释混合管，所述的水冷外壳组件包括内层中心套管5，由内到外依次设置在该中心套管上的冷却水进水管6和冷却水出水管7；在所述的中心套管上设有二级稀释气入口管8，在所述的冷却水进水管上设有冷却水进水接口9，在所述的冷却水出水管7上设有冷却水回水接口10；所述的二级稀释混合管设置在中心套管5内，该二级稀释混合管依气流流动方向依次包括环形喷嘴进口段11、环形喷嘴12、混合室13、喉管14、扩压管15和出口管16。

本发明所述的环形喷嘴是由进口段11外锥形出口和混合室13进口组成的环形缝隙，环形喷嘴为分离式结构。

本发明所述的二级稀释混合管的出口管内径应大于取样头中混合通道的内径。所述取样嘴和取样头的入口通过螺纹连接。所述取样嘴的入口锥度为15°，取样嘴的高度至少为取样嘴管径的三倍。

本发明的技术特征还在于：所述的二级稀释混合管的出口管上设有取样气体的温度测量接口19和旁路接口20。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明针对高温燃烧环境中的复杂条件，通过两级稀释取样，可抑制高温烟气中气态无机物质在取样过程中发生凝结成核过程，同时也阻止颗粒在取样过程的碰撞团聚过程以及在枪内发生沉积堵塞，从而获取高温烟气中真实的颗粒物分布。并可实现长时间可靠的运行，调节手段灵活，适应不同燃烧温度、燃烧环境的可吸入颗粒物的准确取样。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的取样头的结构剖面图。

图3是本发明的水冷外壳组件的结构剖面图。

图4是本发明的二级稀释混合管的结构剖面图。

图中1-取样嘴，2-稀释气加热管道，3-混合通道，4-一级稀释喷嘴，5-中心套管，6-冷却水进水管，7-冷却水出水管，8-二级稀释气入口管，9-冷却水进水接口管，10-冷却水回水接口管，11-环形喷嘴进口段，12-环形喷嘴，13-混合室，14-喉管，15-扩压管，16-出口管17-一级稀释气进气管，18-水冷外壳组件中的中心套管和二级稀释混合管中的出口管间的连接法兰，19-温度测孔，20-旁路连接口。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构和工作过程。

图1是本发明的结构示意图。该制装置含有取样头和枪体两部分，取样头由取样嘴1、稀释气加热管道2和混合通道3组成。取样嘴1和混合通道3的入口直接连接，(如图2所示)，稀释气加热管道2的出口与混合通道3的入口相连接，并在稀释气加热管道2的出口设置一级稀释喷嘴4。稀释气加热管道2和一级稀释气进气管17通过螺纹或者其他方式连接。稀释气加热管道2由高温管段和进口管段组成，进口管材料为普通不锈钢或碳钢，高温管段的材料为耐高温材料，如2520或者3039不锈钢。取样头材料为耐高温材料，如2520或者3039不锈钢。

枪体包括水冷外壳组件和二级稀释混合管，水冷外壳组件和二级稀释混合管间通过法兰18连接。所述的水冷外壳组件内层为中心套管5(如图3所示)，由内到外依次在该中心套管上设置冷却水进水管6、冷却水出水管7；中心套管5上设有二级稀释气入口管8，冷却水进水管6上设有冷却水进水接口9，冷却水出水管7上设有冷却水回水接口10；二级稀释混合管8设置在中心套管5内，依气流流动方向设有环形喷嘴进口段11、环形喷嘴12、混合室13、喉管14、扩压管15和出口管16(如图4所示)；环形喷嘴12是由进口段11外锥形出口和混合室13进口组成的环形缝隙，环形喷嘴为分离式，环形缝隙大小可以通过出口管16和中心套管5间连接法兰18的垫片厚度来调节。枪体2的材料为普通不锈钢或碳钢。

取样头和枪体间的连接通过双螺纹实现密封连接，取样头的混合通道3出口管和水冷外壳组件中的中心套管5间通过螺纹连接，同时混合通道3的出口管和环形喷嘴进口段11间也通过螺纹连接。

水冷外壳组件中的冷却水出水管外壁上设有安装螺纹，用来实现取样枪和烟道或炉膛间的固定和密封，同时保证取样嘴的位置对着烟气来流方向。

发明的上述结构可以实现以下功能：

(1)实现等速取样。等速取样是指取样嘴1入口的抽样高温烟气流速和当地的烟气流速相等，过高或过低均会影响颗粒的粒径分布特性。本发明中，由于取样嘴1和混合通道3入口间采用螺纹连接，除了通过调节两级稀释喷嘴的工作状态来调节抽样烟气量外，还可通过更换不同入口直径的取样嘴1来改变入口流速，从而实现等速取样；

(2)减少取样枪对流场的影响。本发明采用取样头和枪体结构，取样头材料选用2520或者3039不锈钢等耐高温材料，可承受最高温度达1300℃，不需要冷却保护，有利于缩小取样头的尺寸，减少对流场的干扰。而枪体采用水冷保护，冷却水从进水接口9进入水冷外壳组件中的冷却水进水管6，逆流到枪体的高温端头，转弯后进入水冷外壳组件的冷却水出水管7，顺流流到冷却水回水接口10，接入到冷却循环水系统。

防止颗粒在取样枪内的沉积和堵塞，是保证测量准确的另一重要措施。本发明根据取样枪不同位置，不同的取样流量采用不同的通流直径，取样头中的混合通道3、二级稀释混合管中的进口段11的通流流量是相同，采用相同的通流管径。而二级稀释混合管中的出口管16的通流流量为一级抽样烟气、一级稀释气和二级稀释气的总和，并且温度已冷却至常温，所以中心管9的直径直接适应于上述通流流量。通过不同的通流管径处理，可以保证流速，以防止颗粒在枪内的沉积和堵塞。

本发明充分考虑了不同颗粒分级和收集装置对取样流量以及取样气体工作条件的不同要求，在二级稀释混合管的出口管16出口位置，分别设有温度测孔19和旁路连接口20，温度测孔可用来实时测量取样枪出口稀释烟气的温度，旁路连接口20可以用来连接其他的测量设备，如烟气分析仪来实时测量取样枪出口稀释烟气的成分，或者连接压力表来监测取样枪的工作压力，或者连接排气旁路，把颗粒分级收集装置不需要的多余气体排走。上述接口可以单独连接也可以并联连接在旁路连接口20上。

本发明的工作流程和工作原理如下：

一级稀释气体通过一级稀释气进气管17进入到稀释气加热管道2，在管道2中被炉内高温烟气加热到烟道内取样口位置的当地温度后，通过一级稀释喷嘴4形成高速射流，在高速射流的卷吸下，携带有颗粒的高温烟气，通过取样嘴1被吸入到混合通道3中，和稀释气迅速混合，然后环形喷嘴进口段11，进入到二级稀释喷嘴。二级稀释气体通过二级稀释气入口管8进入到中心套管5和二级稀释混合管组成的稀释气通道，然后通过环形喷嘴12射出，在混合室13和喉管14内混合后，依次经过扩压管15和出口管16连接到颗粒测量分析单元。

水冷外壳组件用来保护枪体，冷却水通过进水接口9进入到冷却水进水管内，逆流到枪体的高温端头，在高温侧转向后，在冷却水出水管7顺流流到回水接口10后回到循环冷却水系统。

两级稀释是控制上述物理化学过程的主要手段，其控制参数是两级稀释比和总稀释比，稀释比是稀释器出口气量和抽样烟气流量的比值。第一级稀释为等温稀释，通过等温稀释，降低了高温烟气中颗粒物的浓度，气态物质的分压，从而抑制了凝结成核和化学反应等过程。一级稀释气体为惰性气体，如氮气。稀释气通过入口管道17进入稀释气加热管道2，在进入一级稀释喷嘴4前，被高温烟气加热到接近当地的烟气温度，从而实现等温稀释。一级稀释喷嘴4同时起着喷射泵的作用，高速气流从喷嘴4喷出，形成了局部的负压，携带有颗粒等物质的高温烟气被抽吸进入取样嘴3，两股气流在混合通道3中快速混合后，进入二级稀释混合管的进口段11。

第二级稀释为冷却稀释，在降低来自取样头的稀释取样烟气温度的同时，进一步对气体进行稀释以达到足够低的颗粒物浓度、气体物质的分压，从而抑制了碰撞聚并以及化学反应等过程。二级稀释气可以是惰性气体，也可以是净化的压缩空气，稀释气从二级稀释气入口管8进入到由水冷外壳组件中的中心套管5和二级稀释混合管组成的稀释气通道，通过环形喷嘴12高速喷出，经过混合室13、喉管14和扩压管15，两股气流实现充分的混合后，进入出口管16，实现高温烟气中颗粒取样。

环形喷嘴12与一级稀释气喷嘴4构成了串级喷射器，稀释气作为工作流体，携带有颗粒的高温烟气被一级稀释气喷嘴吸入到取样头中，作为环形喷嘴12的入射气体。两个稀释喷嘴的工作状态均影响到高温烟气的抽吸量，从而最终影响到稀释比。稀释比的控制，主要通过一、二级稀释气量来进行控制。稀释比随着一级稀释气量的增大而减小，然而二级稀释气对稀释比作用存在两种截然不同的效果，当环形喷嘴12出口速度低，无法形成负压，二级稀释气将恶化一级稀释喷嘴4对高温烟气的抽吸量，这时随着二级稀释气量的增大，抽样烟气量减少而稀释比增大。而当环形喷嘴12出口速度足够大以使其进口形成负压，促进了一级喷嘴对烟气的抽吸量。当通过调解稀释气量无法满足稀释比的要求时或取样枪的等速采样要求(抽吸烟气量)，可通过改变水冷外壳组件中的中心套管5和二级稀释混合管中的出口管16间连接法兰18间的的垫片厚度，来调节环形喷嘴12的缝隙大小，从而改变串级喷射泵的工作状态，实现稀释比更大范围的调整。

Claims (6)

1.一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述装置含有取样头和枪体两部分，所述的取样头由取样嘴(1)、稀释气加热管道(2)和混合通道(3)组成，所述取样嘴(1)和混合通道(3)的入口连接，所述的稀释气加热管道(2)的出口与混合通道(3)的入口连接，并在稀释气加热管道(2)的出口设置一级稀释喷嘴(4)；所述枪体包括水冷外壳组件和二级稀释混合管，所述的水冷外壳组件包括内层中心套管(5)、由内到外依次设置在该中心套管上的冷却水进水管(6)和冷却水出水管(7)；在所述的中心套管(5)上设有二级稀释气入口管(8)，在所述的冷却水进水管(6)上设有冷却水进水接口(9)，在所述的冷却水出水管(7)上设有冷却水回水接口(10)；所述的二级稀释混合管设置在中心套管(5)内，该二级稀释混合管依气流流动方向设有环形喷嘴进口段(11)、环形喷嘴(12)、混合室(13)、喉管(14)、扩压管(15)和出口管(16)。

2.如权利要求1所述的一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述的环形喷嘴(12)是由进口段(11)外锥形出口和混合室(13)进口组成的环形缝隙，环形喷嘴为分离式结构。

3.如权利要求1或2所述的一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述的二级稀释混合管的出口管(16)内径大于取样头中混合通道(3)的内径。

4.如权利要求3所述的一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述的二级稀释混合管的出口管(16)上设有取样气体的温度测量接口(19)和旁路接口(20)。

5.如权利要求4所述的一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述取样嘴的入口锥度为15°，取样嘴的高度至少为取样嘴管径的三倍。

6.如权利要求5所述的一种高温气溶胶颗粒取样装置，其特征在于：所述取样嘴(1)和混合通道(3)的入口通过螺纹连接。

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