CN106093282A - 在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，通过调节锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置，可以对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样；利用二维移动平台，可以方便灵活地获得更加丰富和精确的固体燃料燃烧产物的空间分布信息，有助于了解固体燃料的燃烧化学反应机理及优化燃烧产物；通过驱动器和控制器可以更加精确地控制锥形探针位于固体燃料火焰的轴向和径向位置，进一步提高了取样和检测的精度和便利性；利用六通阀和分析仪器等设备，可以方便快速地对多种无机物，包括轻烃、多环芳烃在内的多种有机物进行在线、实时检测，得到定性和定量分析结果。
Description
技术领域
本发明涉及工业化学分析技术领域，尤其涉及一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置。
背景技术
我国能源结构以煤炭为主的局面和缺油少气的情况将长期不会改变。在我国煤炭使用方式中，煤炭直接燃烧占84％，而燃煤所产生的污染物是我国大气污染的主要来源之一。目前，我国已将煤的高效清洁燃烧技术列入国家中长期科技发展规划。因此，煤的高效清洁燃烧必将是一个长期而重要的研究课题。近年来，生物质燃料因具有可再生、成低本、CO2及SO2等污染物排放量低等优点，已经成为能源热转换研究领域的热点对象。生物质组成成分因其种类的不同而具有较大差别，这些结构上的差异也会导致生物质在燃烧过程中的特性有明显不同。油页岩是一种十分重要的化石能源，其储量巨大，是石油和天然气的重要替代能源。合理开发利用油页岩，对于缓解我国石油短缺具有极为重大的战略意义。进行油页岩热转化特性研究是保证获得高品质页岩油的基础，具有十分重要的研究价值。此外，轮胎、污泥等废弃物也是重要的能源资源，对这些废弃物的热转化利用有助于降低对化石能源的依赖。综上所述，研究固体燃料的热转化利用对于缓解我国油气资源短缺具有极其重要的意义，而发展有效的研究和检测装置是保证研究工作顺利开展的前提和保障。
固体燃料的燃烧过程极其复杂，只有准确、全面地获得各种燃烧产物的定性和定量信息，才能深刻理解固体燃料的燃烧机理。目前研究的趋势是深入了解固体燃料燃烧的化学过程，对各种燃烧产物进行全面的探测和浓度测量。在众多的燃烧反应器中，平面火焰携带流反应器的加热速率可以达到105-106K/s，是目前实验室规模最接近真实炉膛的实验装置之一。
在已经报道的同领域专利及文献中，研究者们得到的只有反应器出口处煤粉燃烧产物的总体情况，而且只有有限的关于产物沿反应器轴向或径向分布的结果。授权公告号为CN102788884B的中国专利“在线检测生物质热化学反应气相中间产物的方法及装置”采用三通阀、微调阀和六通阀进样器等装置对生物质在热化学反应器中进行热化学反应的气相中间产物进行取样，进而用分析仪器进行分析。但是该专利的取样点只是在热化学反应器的上部出口，因此无法对反应器中不同空间位置处的产物进行检测。文献“流化床燃烧超低浓度煤层气的轴向气体分布”(2012年2月发表于《工程热物理学报》第33卷第2期240-250页)研究了煤燃烧产物沿鼓泡流化床的轴向分布规律，该工作采用取样袋收集轴向燃烧产物，之后用气相色谱进行分析，但该工作无法检测燃烧产物在反应器径向的分布情况。文献“循环流化床锅炉炉膛内气体浓度的分布”(2003年3月发表于《应用基础与工程科学学报》第11卷第1期71-76页)利用自行研制的水冷探针对循环流化床锅炉炉膛内的燃烧产物进行在线取样，取样后的燃烧产物先后经过气固分离器和干燥器，最后由分析仪器进行检测。该文献研究的煤粉主要燃烧产物包括O2、CO、CO和NOX，但取样过程中的气固分离器和干燥器会极大的影响对低浓度产物的检测，并且分析仪器采用的是烟气分析仪，这无法确保对低浓度的轻烃或者多环芳烃等产物进行有效的检测。
到目前为止，还没有关于平面火焰携带流反应器固体燃料在不同轴向及径向位置处燃烧产物的在线定性及定量检测见诸报道，全面获得这些无机和有机产物的信息对于理解固体燃料燃烧机理和优化燃烧产物有着极为重要的意义。因此，发展一种在线检测携带流反应器中不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置是十分必要的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述问题，本发明提供了一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置。
(二)技术方案
本发明提供了一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，用于检测反应器中的固体燃料燃烧产物，包括：在线取样系统20和在线检测系统30；其中，所述在线取样系统20包括锥形探针21，所述锥形探针的尖端探入反应器的固体燃料火焰，通过调节锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置，对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样；所述在线检测系统30连接所述在线取样系统20，并接收在线取样系统采集的燃烧产物并对燃烧产物进行检测。
优选地，所述在线取样系统20还包括：转接头22、二维移动平台23和附属管路25；所述锥形探针的另一端通过所述转接头22连接所述附属管路25，所述转接头22安装于所述二维移动平台23上，所述二维移动平台23带动所述锥形探针21移动，使得所述锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置被调节。
优选地，所述二维移动平台23包括：X轴滑轨、Y轴滑轨，所述X轴滑轨与固体燃料火焰轴向平行，所述Y轴滑轨与固体燃料火焰径向平行，使得锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置连续被调节，固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物被取样。
优选地，所述二维移动平台23还包括：驱动器以及控制器，所述控制器控制所述驱动器的动作，所述驱动器带动所述转接头22和锥形探针21沿X轴滑轨和Y轴滑轨移动，使得所述锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置连续被调节，固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物被取样。
优选地，所述驱动器为电机，所述控制器为计算机或单片机。
优选地，所述锥形探针21为石英材料，所述锥形探针的尖端孔径范围为0.1-2.0mm。
优选地，所述附属管路25为不锈钢或聚四氟乙烯材料。
优选地，所述在线检测系统30包括：取样管路31、定量环32、真空泵33、分析仪器34、六通阀35及载气36，其中，所述六通阀35上沿逆时针方向设有六个接口，所述取样管路31一端连接六通阀的第一接口1，另一端连接在线取样系统的附属管路25，所述定量环32连接六通阀的第三接口3和第六接口6，所述真空泵33连接六通阀的第二接口2，所述分析仪器34连接六通阀的第四接口4，所述载气36通入六通阀的第五接口5。
优选地，所述取样管路31采用不锈钢管路，并具有加热装置，所述加热装置对取样管路31进行加热，防止待测样品24冷凝。
优选地，所述分析仪器34为气相色谱分析仪、质谱分析仪、气相色谱质谱联用分析仪或傅里叶红外光谱分析仪。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置具有以下有益效果：
(1)通过调节锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置，可以对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样；
(2)利用二维移动平台，可以对固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样并进行检测，方便灵活地获得了更加丰富和精确的固体燃料燃烧产物的空间分布情况信息，有助于了解固体燃料的燃烧化学反应机理及优化燃烧产物；
(3)通过驱动器和控制器可以更加精确地控制锥形探针位于固体燃料燃烧火焰的轴向和径向位置，进一步提高了取样和检测的精度和便利性；
(4)利用六通阀和分析仪器等设备，可以方便快速地对多种无机物，包括轻烃、多环芳烃在内的多种有机物进行在线、实时检测，得到定性和定量分析结果。
附图说明
图1为本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置的结构示意图；
图2为利用本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置得到的设定工况下煤粉燃烧火焰中部分产物的轴向(z轴)空间分布图；
图3为利用本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置得到的设定工况下煤粉燃烧火焰中部分产物的径向(r轴，距反应器表面z＝10mm处)空间分布图。
【符号说明】
10-平面火焰携带流反应器系统；11-给料机；12-平面火焰携带流反应器；13-内燃烧器管路；14-外燃烧器管路；15-外环管路；16-进气系统；121-内燃烧器；122-外燃烧器；123-外环；
20-在线取样系统；21-锥形探针；22-转接头；23-二维移动平台；24-待测样品；25-附属管路；
30-在线检测系统；31-取样管路；32-定量环；33-真空泵；34-分析仪器；35-六通阀；36-载气；
1-第一接口；2-第二接口；3-第三接口；4-第四接口；5-第五接口；6-第六接口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，其包括：在线取样系统20和在线检测系统30；其中，
在线取样系统20包括：锥形探针21、转接头22、二维移动平台23和附属管路25，其中，锥形探针的尖端探入反应器的固体燃料火焰，其另一端通过转接头22连接附属管路25，转接头22安装于二维移动平台23上，二维移动平台23带动锥形探针21移动，锥形探针尖端相对于固体燃料火焰的位置被调节，对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样；
在线检测系统30，其连接在线取样系统的附属管路25，接收在线取样系统采集的燃烧产物并对燃烧产物进行检测。
其中，锥形探针21为石英材料，附属管路25为不锈钢或聚四氟乙烯材料，转接头22用于转接石英材料的锥形探针和不锈钢或聚四氟乙烯材料的附属管路；锥形探针的尖端孔径范围为0.1-2.0mm，锥形探针的长度可根据实际样品情况进行选择。
其中，二维移动平台23包括：X轴滑轨、Y轴滑轨，X轴滑轨与固体燃料火焰轴向平行，Y轴滑轨与固体燃料火焰径向平行，通过手动调节转接头22沿X轴滑轨和Y轴滑轨移动，从而使得锥形探针的尖端位于固体燃料火焰不同的轴向和径向位置，实现对固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样。
本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，固体燃料在反应器中燃烧后形成稳定火焰，利用二维移动平台23带动锥形探针21沿X轴滑轨和Y轴滑轨移动，锥形探针尖端相对于火焰的位置可以连续地调节，锥形探针21可以对火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样，燃烧产物的待测样品24进入锥形探针的中空通道，并经由转接头22进入附属管路25，并进入在线检测系统30，在线检测系统30可以对待测样品24进行在线、实时、快速的定性和定量分析。
本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，其利用二维移动平台，可以对固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样并进行检测，方便灵活地获得了更加丰富和精确的固体燃料燃烧产物的空间分布信息，有助于了解固体燃料的燃烧化学反应机理及优化燃烧产物。
优选地，二维移动平台23还包括：驱动器以及控制器，控制器可以控制驱动器的动作，驱动器可以带动转接头22和锥形探针21沿X轴滑轨和Y轴滑轨移动，从而使得锥形探针的尖端位于固体燃料火焰不同的轴向和径向位置，实现对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样。
所述驱动器可以为电机，所述控制器可以为计算机或单片机。
通过驱动器和控制器可以更加精确地控制锥形探针位于固体燃料火焰的轴向和径向位置，进一步提高了取样和检测的精度和便利性。
在本实施例中，在线检测系统30包括：取样管路31、定量环32、真空泵33、分析仪器34、六通阀35及载气36，其中，六通阀35上沿逆时针方向设有六个接口，取样管路31一端连接六通阀的第一接口1，另一端连接在线取样系统的附属管路25，定量环32连接六通阀的第三接口3和第六接口6，真空泵33连接六通阀的第二接口2，分析仪器34连接六通阀的第四接口4，载气通入六通阀的第五接口5。
取样管路31采用不锈钢管路，并具有加热装置，其对取样管路31进行加热，防止待测样品24冷凝。
分析仪器34可以为气相色谱分析仪(GC)、质谱分析仪(MS)、气相色谱质谱联用分析仪(GC-MS)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)，优选GC和GC-MS，可以对多种无机物，包括轻烃、多环芳烃在内的多种有机物进行定性和定量分析。载气36为氦气或者氮气等惰性气体。
本实施例的在线检测系统30，利用真空泵33使得整个取样管路31中形成真空梯度，使得在线取样系统附属管路25传输过来的待测样品不断进入定量环32中，通过氦气等载气36的带入及六通阀35的切换，定量环32中的最终被引入分析仪器34进行检测。具体地，六通阀35在取样状态下，第一接口1和第六接口6之间的管路16、第二接口2和第三接口3之间的管路23、第四接口4和第五接口5之间的管路45连通成为联通管路，待测样品从第一接口1进入，依次经过联通管路16、定量环32、联通管路23后，从第二接口2经由真空泵33排出，使定量环32中充满气相中间产物，完成取样，同时，载气36从第五接口5进入，经过联通管路45进入分析仪器34。六通阀35在进样状态下，第一接口1和第二接口2之间的管路12、第三接口3和第四接口4之间的管路34、第五接口5和第六接口6之间的管路56连通成为联通管路，气相中间产物从第一接口1进入，从第二接口2经由真空泵33排出，载气36从第五接口5进入，依次经过联通管路56、定量环32、联通管路34后，将定量环32中的待测样品送入分析仪器34，完成进样并进行检测。
本实施例利用六通阀和分析仪器等设备，可以方便快速地对多种无机物，以及包括轻烃、多环芳烃在内的多种有机物进行在线、实时检测，得到定性和定量分析结果。
本实施例适用于各种化学反应器，例如但不限于携带流反应器，尤其是平面火焰携带流反应器系统10。
平面火焰携带流反应器系统10包括：给料机11、平面火焰携带流反应器12、内燃烧器管路13、外燃烧器管路14、外环管路15和进气系统16。平面火焰携带流反应器12包括内燃烧器121、外燃烧器122和外环123。内燃烧器气体通过进气系统16由内燃烧器管路13携带给料机11给出的固体燃料一同进入平面火焰携带流反应器12的内燃烧器121中。外燃烧器气体和外环保护气体分别通过进气系统16由外燃烧器管路14和外环管路15通入平面火焰携带流反应器12的外燃烧器122及外环123中。
其中，所述固体燃料为能产生热能的固态可燃物质；优选地，所述固体燃料为煤粉、半焦、生物质、油页岩、污泥干粉和固体垃圾中的一种或两种以上的混合物。
其中，进气系统16根据实验需求可以通入多种气体，例如可以通入甲烷(CH4)、氧气(O2)、氮气(N2)、氢气(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和氨气(NH3)等，用于给固体燃料提供反应气及保护气。实验所需的气体通过进气系统16后，分别进入内燃烧器管路13、外燃烧器管路14和外环管路15。
内燃烧器管路13中可根据实验需要通入CH4、O2、N2、H2、CO、CO2、NH3等气体的一种或两种及以上的混合气体。
外燃烧器管路14中可根据实验需要通入CH4、O2、N2、H2、CO、CO2和NH3等气体的一种或两种及以上的混合气体。
外环管路15中可根据实验需要通入N2等气体。
在平面火焰携带流反应器系统10中，所需要的混合预混气体通过进气系统16通入外燃烧器管路14，点燃后会在平面火焰携带流反应器12表面形成一层均匀的层流预混火焰。另一组所需要的混合预混气体通过进气系统16通入内燃烧器管路13将给料机11给出的固体燃料颗粒带入内燃烧器管路13，此时会形成固体燃料燃烧火焰。外环保护气体通过进气系统16通入外环管路15，作为内外两个燃烧器两级火焰的保护气，最终会形成稳定的固体燃料燃烧火焰。
本发明实施例的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，对平面火焰携带流反应器系统10形成的固体燃料燃烧火焰，可以对其任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样，并进在线检测系统对待测样品进行在线、实时、快速的定性和定量分析。
以下通过两个具体实例说明本发明的有益效果。
实例1
实例1中所用原料为神木煤，粒径范围为90-100μm，给料量为200g/h。在平面火焰携带流反应器系统10中，将氧气、氮气和甲烷的混合预混气体通过进气系统16通入外燃烧器管路14，点燃这些预混气体，形成均匀的层流预混火焰；氧气、氮气和甲烷的混合预混气体通过进气系统16通入内燃烧器管路13，并将给料机11给出的神木煤颗粒带入内燃烧器121；氮气作为外环保护气体通过进气系统16通入外环管路15，最终形成稳定的神木煤燃烧火焰。
在线取样系统20中的锥形探针21通过二维移动平台23沿着神木煤火焰的轴向方向进行取样。
待测燃烧产物经过在线取样系统20后进入在线检测系统30被检测，其中，定量环32取样量为1ml，真空泵33为单级旋片式机械真空泵，载气36为纯度为99.999％的高纯氦气，分析仪器34为气相色谱(Agilent 7890B)。
图2为在实例1中得到的神木煤燃烧火焰中部分产物的轴向(z轴)空间分布图，通过实例1，利用本发明提出的装置，可以沿反应器轴向对二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)和乙烯(C2H4)等产物进行检测，全面获得产物沿反应器轴向的定性和定量信息。
实例2
实例2所使用的实验原料及平面火焰携带流反应器系统10所通入的气体等条件与实例1相同。
在线取样系统20中的锥形探针21通过二维移动平台23沿着神木煤火焰的径向方向进行取样，在进行径向取样之前，需要确定并固定锥形探针21在神木煤粉火焰中距离反应器的位置。
在线检测系统30所使用的定量环32、真空泵33、分析仪器34、载气36与实例1相同。
图3为在实例2中得到的神木煤燃烧火焰中部分产物的径向(r轴，距反应器表面z＝10mm处)空间分布图，通过实例2，利用本发明提出的装置，可以沿反应器径向对二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)和乙烯(C2H4)等产物进行检测，全面获得产物沿反应器径向的定性和定量信息。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状和步骤，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)二维移动平台还可用采用其他结构；
(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明的在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，利用二维移动平台，可以对固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样并进行检测，方便灵活地获得了更加丰富和精确的固体燃料燃烧产物的空间分布信息，有助于了解固体燃料的燃烧化学反应机理及优化燃烧产物；通过驱动器和控制器可以更加精确地控制锥形探针位于固体燃料火焰的轴向和径向位置，进一步提高了取样和检测的精度和便利性；利用六通阀和分析仪器等设备，可以方便快速地对多种无机物，包括轻烃、多环芳烃在内的多种有机物进行在线、实时检测，得到定性和定量分析结果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在线检测不同空间位置处固体燃料燃烧产物的装置，其特征在于，用于检测反应器中的固体燃料燃烧产物，包括：在线取样系统(20)和在线检测系统(30)；其中，
所述在线取样系统(20)包括锥形探针(21)，所述锥形探针的尖端探入反应器的固体燃料火焰，通过调节锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置，对固体燃料火焰不同轴向和径向位置处的燃烧产物进行取样；
所述在线检测系统(30)连接所述在线取样系统(20)，并接收在线取样系统采集的燃烧产物并对燃烧产物进行检测。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述在线取样系统(20)还包括：转接头(22)、二维移动平台(23)和附属管路(25)；
所述锥形探针的另一端通过所述转接头(22)连接所述附属管路(25)，所述转接头(22)安装于所述二维移动平台(23)上，所述二维移动平台(23)带动所述锥形探针(21)移动，使得所述锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置被调节。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述二维移动平台(23)包括：X轴滑轨、Y轴滑轨，所述X轴滑轨与固体燃料火焰轴向平行，所述Y轴滑轨与固体燃料火焰径向平行，使得锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置连续被调节，固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物被取样。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述二维移动平台(23)还包括：驱动器以及控制器，所述控制器控制所述驱动器的动作，所述驱动器带动所述转接头(22)和锥形探针(21)沿X轴滑轨和Y轴滑轨移动，使得所述锥形探针的尖端相对于固体燃料火焰的位置连续被调节，固体燃料火焰任意不同轴向和径向位置处的燃烧产物被取样。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动器为电机，所述控制器为计算机或单片机。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形探针(21)为石英材料，所述锥形探针的尖端孔径范围为0.1-2.0mm。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述附属管路(25)为不锈钢或聚四氟乙烯材料。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述在线检测系统(30)包括：取样管路(31)、定量环(32)、真空泵(33)、分析仪器(34)、六通阀(35)及载气(36)，其中，所述六通阀(35)上沿逆时针方向设有六个接口，所述取样管路(31)一端连接六通阀的第一接口(1)，另一端连接在线取样系统的附属管路(25)，所述定量环(32)连接六通阀的第三接口(3)和第六接口(6)，所述真空泵(33)连接六通阀的第二接口(2)，所述分析仪器(34)连接六通阀的第四接口(4)，所述载气(36)通入六通阀的第五接口(5)。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述取样管路(31)采用不锈钢管路，并具有加热装置，所述加热装置对取样管路(31)进行加热，防止待测样品(24)冷凝。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述分析仪器(34)为气相色谱分析仪、质谱分析仪、气相色谱质谱联用分析仪或傅里叶红外光谱分析仪。
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