CN109541121A - 生物质燃烧产生烟气的装置及观察烟气老化过程的方法 - Google Patents
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Abstract
生物质燃烧产生烟气的装置及观察烟气老化过程的方法，属于碳烟研究领域，生物质燃烧产生烟气的装置，包括供气单元、烟气产生单元、净化单元和捕集反应箱。氮气罐与湿度发生器气体入口连接组成供气单元，湿度发生器出口管与烟气产生单元连接，烟气产生单元包括塔香形生物质燃料、烟气浓缩器、玻璃罩，净化单元包括碳烟输送管、冷凝管、净化器，碳烟输送管将玻璃罩出口烟气加热至300℃左右送至冷凝器冷凝控制，经过净化器净化后进入捕集反应箱，碳烟颗粒与外部配气反应老化，老化后的颗粒经收集后剩余烟气经尾气处理瓶处理。本发明经济效益高，设备成本低。
Description
技术领域
本发明属于碳烟研究领域，尤其涉及一种生物质燃烧产生烟气的装置及观察烟气老化过程的方法。
背景技术
目前针对生物质燃烧产生烟气的研究主要依赖于室外采样，对实验室持续燃烧获取黑碳的研究报道较少。现有技术如火焰模拟燃烧获得碳烟颗粒需要较高的成本或复杂的处理技术，降低了对碳烟单颗粒的研究效率，且模拟燃烧获取的颗粒易团聚，尤其是生物质燃烧产生的碳烟通常和焦炭颗粒及通过气化-冷凝形成的无机灰颗粒相互混杂，并致使颗粒表面被焦油等成分覆盖，限制了在碳烟颗粒物取样方面的应用。
发明内容
本发明提供简便易行的生物质碳烟制备装置及对碳烟颗粒进行去焦油取样的方法，获得相对纯净的碳烟颗粒，从而对其进行单独的分析研究。
本发明的技术方案是：
生物质燃烧产生烟气的装置，包括供气单元、烟气产生单元、净化单元和捕集反应箱。氮气罐与湿度发生器气体入口连接组成供气单元，湿度发生器出口管与烟气产生单元连接，烟气产生单元包括塔香形生物质燃料、烟气浓缩器、玻璃罩，净化单元包括碳烟输送管、冷凝管、净化器，碳烟输送管将玻璃罩出口烟气加热至300℃左右送至冷凝器冷凝控制，经过净化器净化后进入捕集反应箱，碳烟颗粒与外部配气反应老化，老化后的颗粒经收集后剩余烟气经尾气处理瓶处理。
进一步作为本发明技术方案的改进，湿度发生器可使用苏州阿洛斯SHG-AT01型环境湿度发生器，用于实现气体湿度控制或水含量控制，湿度范围5%~95%RH；氮气流量、温度、湿度均可数显设置和显示，温度显示精度±1℃，湿度显示精度±2%RH。
所述玻璃罩为长度是300 mm，宽度是300mm，高度是400mm的透明密封箱体，箱体顶端设有轴孔，箱体一侧设有烟气入口，箱体另一侧设有烟气出口。
所述的塔香形生物质燃料是由秸秆、锯末经过粉碎、混合、挤压、烘干工艺，制成的可直接燃烧的生物质成型燃料，塔香形生物质燃料呈上部小下部大的中空圆台形，圆台的上底面直径是4mm，下底面直径是26mm，高度是60mm；圆台上底面上面设有直径为4mm的实心半球体，圆台轴心设置圆椎形盲孔，位于圆台下底面的盲孔的直径是8mm，盲孔的深度是55mm进一步作为本发明技术方案的改进，烟气浓缩器呈倒牛角形，包括支撑柱、中轴、固定座和微型涡轮机。固定座为圆心处开孔的底板，位于烟气浓缩器顶盖，圆孔孔径为8mm，圆孔孔口处有垂直向上延伸的针，用于稳定塔燃料，顶盖上设有小孔用于氮气通过，灰槽呈盆状，绕支撑柱边缘用于承接掉落的灰烬；中轴设置在固定座下方，中间开有孔道。微型涡轮机可加速烟气浓缩，同时扰动烟气减少微粒聚集。
进一步作为本发明技术方案的改进，碳烟输送管为耐高温不锈钢金属管，管外绕有加热金属丝，加热丝外面包裹有保温套，采用温度控制仪可将其加热至300～350℃。所述其他装置之间的连接管为普通硅胶。
进一步作为本发明技术方案的改进，冷凝器由置于冰浴中的冷凝管组成；所述的净化器内含去除焦油吸附剂，如粉碎的木屑、洁净谷壳和金属过滤器等。
进一步作为本发明技术方案的改进，捕集反应箱下方设有采样孔，可用于样品采集，上方的两个配气孔可用于人为导入外部气体在捕集反应箱中模拟碳烟颗粒静态老化过程。
进一步作为本发明技术方案的改进，尾气处理瓶内的溶液为乙醇或者异丙醇水溶液（体积浓度w>80％）；瓶内气液交界面处设有滤网，未溶解的碳烟被滤网阻拦收集在滤膜上，所述滤膜孔径为0.5～2μm。
本发明经济效益高，设备成本低，适用性广泛，安全级别更高，实现了对碳烟颗粒进行去焦油取样，获得相对纯净的碳烟颗粒，从而对其进行单独的分析研究。
附图说明
图1是本发明的整体连接示意图。
图2是本发明中烟气浓缩器的结构图。
图3是图2的俯视图。
图中，1-氮气罐，2-湿度发生器，3-玻璃罩，4-塔香形生物质燃料，5-烟气浓缩器，6-碳烟输送管，7-冷凝器，8-冷凝管，9-净化器，10-捕集反应箱，11-采样口，12-配气口，13-尾气处理瓶，14-滤网，501-支撑柱，502-中轴，503-固定座，504-通气孔，505-微型涡轮机，506-集灰槽。
具体实施方式
图1所示，生物质燃烧产生烟气的装置，包括供气单元、烟气产生单元、净化单元和捕集反应箱；供气单元连接烟气产生单元，烟气产生单元连接净化单元，净化单元连接捕集反应箱，捕集反应箱连接尾气处理瓶；所述供气单元由氮气罐1、湿度发生器2通过管路连接组成，湿度发生器2出口管与烟气产生单元的玻璃罩连接；所述烟气产生单元包括玻璃罩3、塔香形生物质燃料4、烟气浓缩器5，烟气浓缩器5的上部设置塔香形生物质燃料4；所述净化单元包括碳烟输送管6、冷凝管8、净化器9，碳烟输送管6将玻璃罩出口烟气加热至300℃送至冷凝器7冷凝控制，经过净化器9净化后进入捕集反应箱10，碳烟与外部配气反应老化，老化后的碳烟颗粒经收集后剩余烟气经尾气处理瓶13处理。
进气口1前安装或不安装高效过滤器。
烟气浓缩器5外形呈倒牛角形、内部为空腔的筒，顶端较大尾端较小，高度为311mm，烟气浓缩器5顶部有顶盖底部敞口；顶端截面为直径是173mm的圆形，尾端截面为直径是28mm的圆形；顶端的顶盖的直径为161mm，顶盖中心设有孔径为20mm的轴孔，顶盖还设置若干烟气输入口504，中轴502设置在轴孔上并位于顶盖下面；顶盖上面且轴孔位置处设置圆环形固定座503，固定座503上面设置支撑柱501，支撑柱501上端穿过玻璃罩3并伸出玻璃罩之外，支撑柱501上设置塔香形生物质燃料4，支撑柱501、固定座503、中轴502同心；所述中轴为中空的，中轴的孔径是10mm；支撑柱501为中空的；
圆环形固定座503的内径是20mm，外径为48mm；
支撑柱501下端穿过固定座501与中轴502相接形成孔道；烟气输入口504的口径是4mm；沿支撑柱501一周设置用于承接灰烬的集灰槽506，集灰槽506边缘向上凸起呈内凹外边缘凸起的盆形；
集灰槽506外径是50mm，烟气浓缩器的外侧曲面弧度为80°，内侧曲面的弧度为90°，烟气浓缩器的侧面安装有微型涡轮机505。
所述的捕集反应箱10也可以是多个串联，可分别研究不同气体对烟气中颗粒物的老化影响。
所述湿度发生器2采用苏州阿洛斯SHG-AT01型环境湿度发生器。
所述尾气处理瓶13的瓶身尺寸选用直径是81mm、高度是114mm的圆柱形瓶体，容积500ml。
所述老化反应箱10的工作室尺寸D×W×H (mm)：450×450×500。
老化反应箱10的箱体内插设有多片的隔板，隔板上设有若干通孔，隔板的通孔交错设置，在隔板上设有数片导流片，导引烟气并将粉体拦截捕集在隔板上，在箱体内设有多排螺旋回绕的冷却管。
一种观察烟气老化过程的方法，包括下述步骤：
1、按照氮气罐1、湿度发生器2、烟气产生单元、冷凝器7、净化器9、捕集反应箱10和尾气处理瓶13的顺序依次摆放，根据实际需要，除各部件之间的水平连接，还包括垂直连接、左连和右连。
2、开启温度控制器，输入预设温度300℃，同时打开湿度发生器2预设湿度值RH0为15%~80%；开启氮气罐，通过湿度发生器上的数字显示器观察流量，流量先大后小连续通入氮气3到5分钟以去除残存的气体；
3、点燃塔香形生物质燃料4，3~4分钟后见烟气由烟气浓缩器5出口流出，开始微型涡轮机浓缩烟气同时吸入氮气，一方面对烟气进行稀释，可避免碳烟颗粒的聚集，另一方面作为保护气，防止其与空气发生反应 。烟气在气流推动下向碳烟输送管6流动，烟气中的焦油在加热至300℃的碳烟输送管6中受热呈气态而不会冷凝于烟气中固体颗粒物上。
4、将冰块砸碎制作成冰浴，冷凝管8置于冰浴中，呈气态的焦油随后在冷凝管8中发生冷凝由气态受冷变成液态，用去除焦油吸附剂有粉碎的木屑、洁净谷壳和金属过滤器等可以捕获液态焦油，使较干净的烟气进入捕集反应箱10。捕集反应箱10下方设有采样孔11，可用于样品采集，上方设有配气孔12，可用于人为导入外部气体在捕集反应箱10中模拟碳烟颗粒静态老化过程，根据研究需求控制变量（温度、湿度、气体混合比例）进行多次样品采集并记录箱内情况。
5、在每次样品采集后应尽快对样品进行观察、检测，对于专业的测试需要保存的，保存方式为密封干燥保存。
6、取一支试管，将乙醇、去离子水按照4:1的比例制成80%的乙醇水溶液，转移到广口瓶，对尾气进行吸收得到的悬混液，未溶解的碳烟被滤网阻拦收集在滤膜14上。
7、生物质吸附剂用过后继续作为燃烧做原料使用，防止二次污染。收集到碳烟的滤膜可以通过超声波进行超声分散提取干燥后得到纯化的固态碳烟并重新利用进行其他相关研究。
Claims (10)
1.生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是由供气单元、烟气产生单元、净化单元、捕集反应箱（10）和尾气处理瓶（13）组成；供气单元连接烟气产生单元，烟气产生单元连接净化单元，净化单元连接捕集反应箱（10），捕集反应箱（10）连接尾气处理瓶（13）；所述供气单元由氮气罐（1）与湿度发生器（2）组成，氮气罐（1）与湿度发生器（2）连接；所述的烟气产生单元包括玻璃罩（3）、塔香形生物质燃料（4）和烟气浓缩器（5）；所述净化单元包括碳烟输送管（6）、冷凝器（7）、净化器（9）；烟气浓缩器（5）的出烟管连接碳烟输送管（6），碳烟输送管（6）连接冷凝器（7）的输入管，冷凝器（7）的输出管连接净化器（9）的输入管，净化器（9）的输出管连接捕集反应箱（10）的输入管，捕集反应箱（10）的输出管连接尾气处理瓶（14）；所述的塔香形生物质燃料（4）是由秸秆、锯末经过粉碎、混合、挤压、烘干工艺，制成的可直接燃烧的生物质成型燃料，塔香形生物质燃料（4）呈上部小下部大的中空圆台形，圆台的上底面直径是4mm，下底面直径是26mm，高度是60mm；圆台上底面上面设有直径为4mm的实心半球体，圆台轴心设置圆椎形盲孔，位于圆台下底面的盲孔的直径是8mm，盲孔的深度是55mm；碳烟输送管（6）设置温度控制仪。
2.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述湿度发生器（2）湿度范围是5%~95%RH。
3.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述玻璃罩（3）为长度是300 mm，宽度是300 mm，高度是400mm的透明密封箱体，箱体顶端设有轴孔，箱体一侧设有烟气入口，箱体另一侧设有烟气出口。
4.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述烟气浓缩器（5）为上部粗下部细且上部设有顶盖下部敞口的中空筒，顶盖设有烟气输入口（504）、轴孔，空心中轴（502）设置在轴孔上并位于顶盖下面；顶盖上面且轴孔位置处设置圆环形固定座（503），固定座（503）上面设置中空的支撑柱（501），支撑柱（501）上设置塔香形生物质燃料（4），支撑柱（501）、固定座（503）、中轴（502）同心；支撑柱（501）穿过固定座（503）与中轴（502）相接形成孔道；沿支撑柱（501）外周一周设置用于承接灰烬的集灰槽（506），烟气浓缩器的侧面安装有微型涡轮机（505）。
5.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述的碳烟输送管（6）为耐高温不锈钢金属管，碳烟输送管（6）缠绕有加热丝，加热丝外面包裹有保温套。
6.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述的冷凝器（7）由置于冰浴中的冷凝管（8）组成。
7.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述的净化器（9）内设置粉碎的木屑、洁净谷壳和金属过滤器。
8.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述的捕集反应箱（10）下方设有采样孔（11），上方设有两个配气孔（12）。
9.如权利要求1所述的生物质燃烧产生烟气的装置，其特征是所述的尾气处理瓶（13）内的溶液为乙醇或者异丙醇水溶液；瓶内气液交界面处设有滤膜（14）。
10.一种观察烟气老化过程的方法，其特征是包括下述步骤：
（1）开启权利要求1所述的温度控制仪，输入预设温度300℃，同时打开湿度发生器并预设湿度值RH0 为15%~80%；开启氮气罐，通过湿度发生器上的数字显示器观察流量，连续通入氮气3到5分钟以去除残存的气体；
（2）点燃塔香形生物质燃料，3~4分钟后见烟气由烟气浓缩器出口流出，开始微型涡轮机浓缩烟气同时吸入氮气，氮气对烟气进行稀释，避免碳烟颗粒的聚集，同时氮气作为保护气，防止碳烟颗粒与空气发生反应；烟气在气流推动下在烟气浓缩器出口处浓缩，然后继续向碳烟输送管流动，烟气中的焦油在加热至300℃的碳烟输送管中受热呈气态；
（3）将冰块砸碎制作成冰浴，冷凝管置于冰浴中，呈气态的焦油随后在冷凝管中发生冷凝由气态受冷变成液态，用焦油吸附剂捕获液态焦油，使较干净的烟气进入捕集反应箱；捕集反应箱下方的采样孔用于样品采集，上方设有配气孔用于人为导入外部气体在捕集反应箱中模拟碳烟静态老化过程；其中，焦油吸附剂用过后继续作为燃烧做原料使用，防止二次污染；
（4）取一支试管，将乙醇、去离子水按照4:1的比例制成80%的乙醇水溶液，转移到尾气处理瓶，对尾气进行吸收得到的悬混液，未溶解的碳烟被滤网阻拦收集在滤膜上，对滤膜通过超声波进行超声分散提取干燥后得到纯化的固态碳烟。
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