CN109596469A - 一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统，包括相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置和模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱；燃烧装置至少包括：燃烧炉壳体，以及与燃烧炉壳体内部连通的补气传输管；气溶胶烟雾箱至少包括：密闭的箱体，大气污染物输入管，加湿器，黑光灯，气体测试口和补气口；燃烧装置炉盖上的气体传输管与气溶胶烟雾箱的大气污染物输入管连通。本发明的大气气溶胶烟雾系统可以通过调节气溶胶烟雾箱的温度、湿度、气压、光照强度等参数，人为可控且可重复地模拟生物质露天燃烧所产生大气污染物在对流层乃至平流层各个高度的物理化学反应，同时排除实际环境中复杂的气象、地形等因素的影响。

Description

一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾 系统

技术领域

本发明涉及一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统。

背景技术

中国作为世界范围内的农业大国，其农作物秸秆拥有量居世界首位，据统计，约20％以上的农作物秸秆被直接露天燃烧。农作物秸秆露天燃烧所产生的大气气溶胶对环境质量恶化(如雾霾的形成)和能见度降低起重要作用，并会参与大气传输与化学过程，其特殊的光学性质和化学构成，影响着地表辐照平衡和大气氧化性，并能有效的作为云凝结核直接或间接的影响着气候和气-液循环；此外农作物秸秆露天燃烧所产生的大气气溶胶有显著的呼入毒性，对人群健康也起着潜在的威胁。

然而，在实际大气环境中难以捕捉农作物秸秆露天燃烧所造成的大气污染的物理化学过程，为进一步了解并研究农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的区域环境影响、气候效应以及居民身心健康的问题，需要通过室内实验模拟的方法来研究其排放大气污染物所造成的区域环境效应和气候效应。

烟雾箱是一种应用于进行大气环境化学模拟研究的必不可少的光化学反应模拟装置，不但能排除实际环境中复杂的气象、地形等因素的影响，还可以在人为可控且可重复的条件下模拟大气化学过程，提炼大气化学反应本质，获得反应的机制机理，并验证大气化学模式，其研究成果还可以为大气污染防治对策的制定提供科学依据。

国外烟雾箱的研究起源于20世纪70年代，1976年美国北卡罗来那大学建立了室外烟雾箱，以收集数据评价化学反应机理。国内烟雾箱的研究起步较晚，北京大学于1982年建成国内最早的室内烟雾箱；中国环境科学研究院1995年建成石英材料的室内烟雾箱；清华大学2005年建成较大型的室外烟雾箱实验系统。然而，特殊针对模拟生物质露天燃烧的大气气溶胶烟雾系统在国内尚且缺乏。在生物质露天燃烧过程中会产生多种复杂的大气污染物，其中大量的小分子量污染物会随空气的垂直对流运动上升扩散至对流层顶部，并随大气环流参与到全球范围内的大气污染物传输过程。为模拟生物质露天燃烧过程中产生大气污染物的反应及传输过程，需提供低温，低压，持续强光辐射的环境，而现有的大气气溶胶烟雾箱因其材质和结构(大多数采用FEP-Teflon薄膜)的局限不能实现。

为更好地揭示农作物秸秆露天燃烧源排放大气污染物所造成的区域环境效应和气候效应,乃至进一步为国家制定相关政策提供科学支撑,达到减轻并控制大气污染的目的，亟需一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统，包括相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置和模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱；

所述的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置至少包括：燃烧炉壳体，用于密封燃烧炉壳体的炉盖，以及与燃烧炉壳体内部连通的补气传输管，炉盖上连通有气体传输管；

所述的模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱至少包括：密闭的箱体，位于箱体内底部的搅拌器，用于对密闭的箱体抽真空的真空泵，贯穿箱体的大气污染物输入管，大气污染物输入管上设置有单向阀，对箱体内提供水分的加湿器，以及位于箱体内部的黑光灯，所述的箱体包括内壳体和外壳体，内壳体和外壳体之间的空腔被分割成制冷剂循环层和隔热保护层，贯穿内壳体和外壳体设置有气体测试口和补气口；

燃烧装置炉盖上的气体传输管与气溶胶烟雾箱的大气污染物输入管连通。

根据本发明优选的，所述的燃烧炉壳体为一端开口另一端密封的结构，炉盖设置在燃烧炉壳体开口端处，炉盖与燃烧炉壳体密封连接，炉盖的顶部设置有气体传输管，气体传输管与燃烧炉壳体内部连通，在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网，补气传输管设置在燃烧网的下方，补气传输管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵连接，在补气传输管的管路上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，通过流量控制器使补气流速控制在4-10L/min，优选的，补气流速为6-9L/min，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管延伸至壳体外并与烟气分析仪连接。

根据本发明优选的，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹固定连接。

根据本发明优选的，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管连接，炉盖开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗。

根据本发明优选的，燃烧炉壳体高度为800-1200mm，内直径为700-800mm，炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖的高度为100-200mm，炉盖底部开口端内径为700-800mm。

根据本发明优选的，气体传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为20-40mm。

根据本发明优选的，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上。

根据本发明优选的，在燃烧网的底部设置电打火装置，电打火装置与燃烧炉壳体侧壁外的打火开关电连接，电打火装置紧贴燃烧网底部。

根据本发明优选的，所述的烟气分析仪为德图testo350pro烟气分析仪，颗粒物过滤器为高效空气颗粒物(HEPA)过滤器。

根据本发明优选的，补气传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm。

根据本发明优选的，在燃烧炉壳体内底部设置有收集托盘。

根据本发明优选的，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对,喷嘴与燃烧网之间的距离为10-15cm。

模拟生物质露天燃烧的燃烧装置，喷嘴与燃烧网之间的距离、补气流速、燃烧物质的选择、燃烧物质的量，可以使燃烧物质经历脱水、挥发分的析出和燃烧(明火的出现)、火焰熄灭后的阴烧(焦炭的表面燃烧)以及灰烬形成等阶段，燃烧时间久，温度高，与现实场景下的露天燃烧过程相符，使燃烧物质在室内情况下真实模拟了露天燃烧过程，使其明火燃烧，避免焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况，能真实准确模拟开放性生物质燃烧的整个过程。

根据本发明优选的，所述的箱体为圆柱形，圆柱形的两端分别为向外凸起的弧形，在箱体内上部设置有温度监测探头和湿度监测探头，温度监测探头与箱体外温度显示器电连接，湿度监测探头与箱体外湿度显示器电连接，黑光灯平行间隔设置在箱体内中部，每个黑光灯与箱体外的黑光灯开关电连接，在箱体内还设置有光感应器，光感应器与箱体外光强度测量仪电连接。

根据本发明优选的，贯穿内壳体和外壳体在箱体中部侧壁上设置有清洁口，清洁口上设置有密封盖，密封盖通过密封法兰与清洁口连接，实现密封盖与清洁口的密封连接。

根据本发明优选的，补气口外接补气管，补气管与气体泵连接，补气管上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，在箱体下部，贯穿内壳体和外壳体还设置有废气出口。

根据本发明优选的，制冷剂循环层与箱体外的循环管路连接，在循环管路上设置有循环泵。

根据本发明优选的，在箱体外底部设置有烟雾箱支撑架，搅拌器与箱体外的电机电连接，电机驱动搅拌器转动，烟雾箱的外壳体为不锈钢壳体，内壳体为不锈钢壳体，内壳体的内壁上涂覆有0.3mm的Teflon防粘涂层，烟雾箱的体积为4-8m³。

本发明的气溶胶烟雾箱可以真实准确的模拟实际大气环境背景的温度、湿度、气压、光照强度，进入气溶胶烟雾箱的大气污染物在气溶胶烟雾箱中，可重复地模拟生物质露天燃烧所产生大气污染物在对流层乃至平流层各个高度的物理化学反应，同时排除实际环境中复杂的气象、地形等因素的影响。

上述大气气溶胶烟雾系统的应用方法，包括步骤如下：

1)称量5-15g干净的生物质，烘干后置于燃烧装置的燃烧网上并铺开，打开补气泵，通过补气传输管向烧炉壳体输入无颗粒物的空气，打开烟气分析仪，观察谱图并记录CO、CO₂的初始浓度，点燃生物质，在生物质燃烧过程中通过烟气分析仪实时给出CO与CO₂的浓度值并计算燃烧效率，通过补气泵调节补气流速保证生物质的燃烧效率大于等于0.9；

2)通过真空泵对气溶胶烟雾箱的箱体抽真空，使气溶胶烟雾箱内压力达到8-12Pa，关闭真空泵，开启大气污染物输入管上的单向阀，燃烧装置上方的大气污染后通过倒吸的方式通过气体传输管进入真空的大气气溶胶烟雾箱，4-6min后关闭单向阀，根据模拟的大气污染物在对流层乃至平流层实际环境背景，调整烟雾箱内温度、湿度、光照强度，通过补气口补气调整箱体内压力，开启搅拌器搅拌，使内部混合均匀，待参数稳定后，即可展开大气实验。

以中纬度地区为例，中纬度地区大气对流层高度为10-12km，在对流层中环境温度一般情况下随高度每升高100m，降低0.6℃。以海平面环境温度为17℃计算，中纬度地区对流层顶部的环境温度约为-55℃。本发明中，大气气溶胶烟雾箱内外壁均采用不锈钢材质，可耐受低温低压的极端环境，并且烟雾箱内的湿度调节装置可使相对湿度从0.5％到100％，因此，该烟雾系统的显著功能有以下两点：一是通过实时监测农作物秸秆燃烧效率调节补气量，保证秸秆样品长时间的明火燃烧，更好地模拟农作物秸秆露天燃烧过程；二是通过调节烟雾箱的温度、湿度、气压、光照强度等参数，人为可控且可重复地模拟农作物秸秆露天燃烧所产生大气污染物在对流层乃至平流层各个高度的物理化学反应，同时排除实际环境中复杂的气象、地形等因素的影响。

该模拟农作物秸秆露天燃烧的大气气溶胶烟雾系统，为更好地揭示农作物秸秆露天燃烧源排放大气污染物所造成的区域环境效应和气候效应起到关键的奠基作用。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的大气气溶胶烟雾系统可以通过调节气溶胶烟雾箱的温度、湿度、气压、光照强度等参数，人为可控且可重复地模拟生物质露天燃烧所产生大气污染物在对流层乃至平流层各个高度的物理化学反应，同时排除实际环境中复杂的气象、地形等因素的影响；

2、本发明的大气气溶胶烟雾系统气溶胶烟雾箱的内壁有0.3mmTeflon防粘涂层，以减少气相物质在反应器壁上的衰减和颗粒物的沉积.并抑制壁金属材料的腐蚀和催化作用；同时烟雾箱体积大(5.29875m³)，表面积体积比小，背景影响小，因而能为评价农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的化学反应机理提供精度较高的数据；

3、本发明的大气气溶胶烟雾系统大气气溶胶烟雾箱内外壁均采用不锈钢材质，可耐受低温低压的极端环境，而且烟雾箱内的湿度调节装置可使相对湿度从0.5％到过饱和，罐体可通过分子真空泵抽真空至10Pa，因而可以有效模拟中纬度地区对流层(10-12km)各个区域的环境条件。

4、本发明的大气气溶胶烟雾系统大气气溶胶烟雾箱有多个测量口，可同时完成对气相污染物和大气颗粒物的样品采集，以及多套设备的联用分析。

5、本发明的大气气溶胶烟雾系统设置有单独设计的清洁口，实验结束后可供实验人员入内简单清洗，可避免实验间的交叉影响，且整套装置维护简单，结实耐用。

6、本发明的大气气溶胶烟雾系统的燃烧装置可根据实时监测的农作物秸秆样品燃烧效率调节进气量，保证农作物秸秆样品长时间的明火燃烧，有利于更加准确地模拟农作物秸秆露天燃烧排放大气污染物的燃烧过程。

附图说明

图1是模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统的结构示意图。

图中，1为密封夹、2为透明观察窗、3为电打火装置、4为电打火开关、5为燃烧灰烬收集托盘、6为气体传输管、7为炉盖、8为密封圈、9为德图testo350pro烟气分析仪、10为石棉燃烧网、11为硬性固定架、12为补气传输管、13为流量控制器、14为高效颗粒物过滤器(HEPA)、15为补气泵、16为燃烧炉壳体，

17单向阀，18温度显示器，19加湿器，20湿度显示器、21内壳体，22制冷剂循环层，23隔热保护层，24气体测试口，25补气口，26废气出口，27制冷剂循环管路，28烟雾箱支撑架，29磁力搅拌器，30真空泵，31密封盖，32密封法兰，33黑光灯，34清洁口，35外壳体。

图2为采用实施例1的系统不同补气量下生物质的燃烧效率柱状图；

图3为采用实施例1的系统不同补气量下生物质CO排放因子的柱状图；

图4为采用实施例1的系统不同补气量下生物质CO2排放因子的柱状图。

具体实施方式

下面结合图1和实施例对本发明进一步说明。

燃烧效率公式：η＝[CO_{2秸秆燃烧}]/([CO_{2秸秆燃烧}]+[CO_秸秆燃烧])

排放因子＝气态污染物的排放量/被燃烧物质的量。

实施例1：

一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统，结构如图1所示，包括相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置和模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱。

模拟生物质露天燃烧的燃烧装置包括一端开口另一端密封的燃烧炉壳体16，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，燃烧炉壳体高为1000mm，内直径为750mm，在燃烧炉壳体开口端处设置有设置有炉盖7，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈8，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹1固定连接，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管6连接，气体传输管6与燃烧炉壳体内部相通。炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖7的高度为150mm，炉盖底部开口端内径位750mm，炉盖底部开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，气体传输管6的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为30mm。

在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网10，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架11，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上。在燃烧网的下部设置有补气传输管12，补气传输管12贯穿燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵15连接，在补气传输管12的管路上设置有流量控制器13和高效颗粒物过滤器(HEPA)14，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管延伸至壳体外并与德图testo350pro烟气分析仪9连接。在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗2。

在燃烧网的底部设置电打火装置3，电打火装置3与燃烧炉壳体侧壁外的电打火开关4电连接。补气传输管12的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm。在燃烧炉壳体内底部设置有燃烧灰烬收集托盘5，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对，喷嘴与燃烧网之间的距离为15cm。

所述的模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱包括：密闭的箱体，箱体为圆柱形，圆柱形的两端分别为向外凸起的弧形，在箱体内上部设置有温度监测探头和湿度监测探头，温度监测探头与箱体外温度显示器18电连接，湿度监测探头与箱体外湿度显示器20电连接，箱体内上部还设置有加湿器19，对箱体内提供水分。

箱体内底部设置有搅拌器29，搅拌器与箱体外的电机电连接，电机驱动搅拌器转动，箱体外设置有真空泵30，真空泵连接真空管并对箱体抽真空，贯穿箱体设置有大气污染物输入管，大气污染物输入管上设置有单向阀17，箱体内部设置有多个黑光灯33。黑光灯平行间隔设置在箱体内中部，每个黑光灯与箱体外的黑光灯开关电连接，在箱体内还设置有光感应器，光感应器与箱体外光强度测量仪电连接。

所述的箱体包括内壳体21和外壳体35，内壳体和外壳体之间的空腔被分割成制冷剂循环层22和隔热保护层23，贯穿内壳体和外壳体设置有气体测试口24、补气口25和废气出口26；贯穿内壳体和外壳体在箱体中部侧壁上设置有清洁口34，清洁口上设置有密封盖31，密封盖通过密封法兰33与清洁口连接，并密封清洁口。补气口外接补气管，补气管与气体泵连接，补气管上设置有流量控制器13和颗粒物过滤器14。制冷剂循环层22与箱体外的循环管路27连接，在循环管路上设置有循环泵。在箱体外底部设置有烟雾箱支撑架28，电机驱动搅拌器转动，烟雾箱的外壳体为不锈钢壳体，内壳体为不锈钢壳体，内壳体的内壁上涂覆有0.3mm的Teflon防粘涂层，烟雾箱的体积为4-8m³。燃烧装置炉盖上的气体传输管与气溶胶烟雾箱的大气污染物输入管连通。

实施例2：

实施例1的大气气溶胶烟雾系统的应用方法，包括步骤如下：

1)称量10g干净秸秆，烘干后置于燃烧装置的燃烧网上并铺开，打开补气泵，通过补气传输管向烧炉壳体输入无颗粒物的空气，打开烟气分析仪，观察谱图并记录CO、CO₂的初始浓度，点燃生物质，在生物质燃烧过程中通过烟气分析仪实时给出CO与CO₂的浓度值并计算燃烧效率，通过补气泵调节补气流速保证生物质的燃烧效率大于等于0.9；

2)通过真空泵对气溶胶烟雾箱的箱体抽真空，使气溶胶烟雾箱内压力达到8-12Pa，关闭真空泵，开启大气污染物输入管上的单向阀，燃烧装置上方的大气污染后通过倒吸的方式通过气体传输管进入真空的大气气溶胶烟雾箱，4-6min后关闭单向阀，根据模拟的大气污染物在对流层乃至平流层实际环境背景，调整烟雾箱内温度、湿度、光照强度，通过补气口补气调整箱体内压力，开启搅拌器搅拌，使内部混合均匀，待参数稳定后，即可展开大气实验。

具体应用实例：

1.准备阶段：将模拟生物质露天燃烧的燃烧装置的烟气分析仪接上零滤过器，调整至“调零模式”持续2分钟后完成调零，启动补气泵对燃烧装置吹洗6min；将烟气分析仪调零后再与燃烧装置的测试管正确连接，

在使用之前，气溶胶烟雾箱需关闭单向阀、气体测试口、补气口、废气出口，将清洁口用密封盖盖紧，并用密封法兰拧紧，保证气密性，打开真空泵1小时，将罐体抽真空，打开制冷剂循环系统，将制冷剂(液氨)注入烟雾箱的制冷剂循环层，根据所需模拟的实际对流层高度通过温度监测探头设定罐体温度(海平面以上随高度每升高100m，温度降低0.6℃，以海平面环境温度为17℃计算)；

2.工作阶段：用天平准确称量10.00g干净的水稻秸秆，在烘箱内烘干24小时后，置于燃烧装置的圆形石棉燃烧网处均匀铺开，将装置密封，保证燃烧炉装置的气密性，并将气体传输管与气溶胶烟雾箱的大气污染物输入管相连；打开补气泵，调节流量控制器控制空气流速为9L/min，空气通过高效颗粒物过滤器(HEPA)去除空气中的颗粒物，并经补气传输管将无颗粒物的空气通入燃烧炉炉体中；打开德图testo350pro烟气分析仪，调至“CO、CO₂测定并记录数据模式”，观察谱图及CO、CO₂的初始浓度；使用电打火装置点燃水稻秸秆样品，通过透明观察窗观察水稻秸秆燃烧情况，15秒后开始计时并记录数据，通过德图testo350pro烟气分析仪所实时给出的CO、CO₂浓度计算农作物秸秆燃烧效率，根据实时的农作物秸秆燃烧效率调节质量流量计，当农作物秸秆燃烧效率小于0.9时调增进气流量，使农作物秸秆完全燃烧，保证燃烧效率在0.9以上；通过透明观察窗观察农作物秸秆样品燃烧完毕后，关闭空气泵；

缓慢打开单向阀，使农作物秸秆样品燃烧的大气污染物通过气体传输管倒吸入气溶胶烟雾箱的箱体内，5分钟后关闭单向阀，根据所需的湿度，打开加湿器加湿并通过湿度监测探头控制湿度；根据所需的压力，打开空气泵补气，调节质量流量计控制空气流速，空气通过高效颗粒物过滤器(HEPA)去除空气中的颗粒物，并经干洁空气补气口通入烟雾箱罐体中；打开黑光灯，根据所需模拟的紫外线强度，调节黑光灯的光辐射强度；打开磁力搅拌器1小时，通过磁力搅拌器的扇叶均匀搅拌使内部混合均匀；将气体测试口与检测仪器连接后，缓慢打开单通气体阀门，后续完成模拟农作物秸秆露天燃烧产生大气污染物的采样及测定工作。

3.清洗阶段：待完成模拟农作物秸秆露天燃烧产生大气污染物的采样及测定工作后，先关闭气体测试口，通过制冷剂循环系统，将制冷剂抽出雾箱的制冷剂循环层，使罐体回温至室温；打开气体泵补气，使罐体压力恢复至常压，再打开废气排出口，通过气泵将罐体内的废气排出，然后打开密封盖，实验人员可通过清洁口进入烟雾箱罐体，并用50vol.％含水酒精清洗内壁，最后向罐内鼓入干洁空气待下一次实验使用；打开燃烧炉炉盖，取出石棉燃烧网和燃烧灰烬收集托盘，清理农作物秸秆样品燃烧灰烬，并用50vol.％含水酒精清洗，干燥后待下一次实验使用。

实验例：不同补气流量对不同燃烧物质燃烧效率的影响

采用实施例2的测试方法对五种中国典型农作物秸秆(水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆)和落叶在流量为9L/min的高补气流量条件下，监测燃烧排放的气态污染物的排放因子(见表1)。从表1可以看到，水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆和落叶在高补气流量的明火充分燃烧的状态下，CO的平均排放因子分别为85.84、135.44、96.85、121.08、105.05和101.99g/kg；CO₂的平均排放因子分别为847.27、1595.60、1331.30、1344.86、1227.21和967.90g/kg。由于生物质秸秆的组分和结构不同，会导致生物质秸秆燃烧模式及燃烧特性不同。所有实验重复4次以上，以确保实验的准确性。

表1高补气流量(9L/min)下五种农作物秸秆(水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆)和落叶燃烧排放的气态污染物的排放因子(g/kg)

通过上表1可以看出，通过测试不同农作物秸秆和落叶在9L/min补气量条件下，燃烧效率均达到了90以上，秸秆燃烧过程包括了脱水、挥发分的析出和燃烧(明火的出现)、火焰熄灭后的阴烧(焦炭的表面燃烧)以及灰烬形成等阶段，燃烧时间久，温度高，因此与现实场景下的露天燃烧过程基本相符，充分证明了本发明的燃烧装置，能较好地模拟开放性生物质燃烧的整个过程。

2、在现实的开放性生物质燃烧时，由于天气等因素，会导致燃烧秸秆周围环境的补气流量不同，也会对生物质的燃烧过程带来影响。燃烧室进补气流量对生物质秸秆燃烧过程的影响主要有三个：氧气量(空燃比)，燃烧温度(外界空气带走生成的热)和颗粒物的稀释作用。含氧气氛中，燃料的燃烧主要存在两个不同过程或者路径：①燃料在高温作用下，先同时热解为挥发分和固定碳，然后这两部分同时燃烧；②固定碳和挥发分的同时多相氧化燃烧。其中，氧气含量会对生物质的燃烧模式以及生物质中固定碳的燃烧过程起着重要的作用。

采用实施例2的测试方法对五种生物质秸秆和落叶在低补气流量(3L/min)下的燃烧情况。表2展示了在低补气流量下，生物质燃烧产生气态污染物的状况。

表2低补气流量(3L/min)下五种农作物秸秆(水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆)和落叶燃烧排放的气态污染物的排放因子(g/kg)

从表中可以看到，水稻、小麦、玉米、大豆和棉花秸秆和落叶在低补气流量下进行明火燃烧时，CO的平均排放因子分别为117.84、225.44、150.19、160.78、150.55和122.89g/kg；CO₂的平均排放因子分别为806.28、1525.60、1258.50、1295.24、1130.21和919.77g/kg；SO₂的平均排放因子分别为0.58、0.60、0.79、1.01、0.63、1.13g/kg；NO_X的平均排放因子分别是4.11、3.40、4.26、4.19、4.15和3.37g/kg。上述排放因子的数值和高补气流量下的排放因子和燃烧效率有着一定的区别。

通过图3、图4可以看出，CO和CO₂在低补气流量下，生物质燃烧过程中产生的CO含量普遍高于高补气流量下的燃烧实验，于此同时CO₂含量有所降低，从而导致整个过程的燃烧效率降低。在高补气流量条件下，燃烧效率可以达到90％以上，而当补气流量降低，空燃比下降，燃烧效率会有所降低，因此，本发明的补气流量可以使生物质进行明火燃烧，避免生物质焖燃，避免燃烧不充分，真实、准确的模拟了露天燃烧的实际情况。

燃烧过程中通过烟气分析仪实时给出CO与CO₂的浓度值并计算燃烧效率，通过补气泵调节补气流速保证生物质的燃烧效率大于等于0.9；

2)通过真空泵对气溶胶烟雾箱的箱体抽真空，使气溶胶烟雾箱内压力达到8-12Pa，关闭真空泵，开启大气污染物输入管上的单向阀，燃烧装置上方的大气污染后通过倒吸的方式通过气体传输管进入真空的大气气溶胶烟雾箱，4-6min后关闭单向阀，根据模拟的大气污染物在对流层乃至平流层实际环境背景，调整烟雾箱内温度、湿度、光照强度，通过补气口补气调整箱体内压力，开启搅拌器搅拌，使内部混合均匀，待参数稳定后，即可展开大气实验。

Claims (10)

1.一种用于模拟生物质露天燃烧排放大气中的大气气溶胶烟雾系统，包括相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置和模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱；

所述的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置至少包括：燃烧炉壳体，用于密封燃烧炉壳体的炉盖，以及与燃烧炉壳体内部连通的补气传输管，炉盖上连通有气体传输管；

所述的模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱至少包括：密闭的箱体，位于箱体内底部的搅拌器，用于对密闭的箱体抽真空的真空泵，贯穿箱体的大气污染物输入管，大气污染物输入管上设置有单向阀，对箱体内提供水分的加湿器，以及位于箱体内部的黑光灯，所述的箱体包括内壳体和外壳体，内壳体和外壳体之间的空腔被分割成制冷剂循环层和隔热保护层，贯穿内壳体和外壳体设置有气体测试口和补气口；

燃烧装置炉盖上的气体传输管与气溶胶烟雾箱的大气污染物输入管连通。

2.根据权利要求1所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，所述的燃烧炉壳体为一端开口另一端密封的结构，炉盖设置在燃烧炉壳体开口端处，炉盖与燃烧炉壳体密封连接，炉盖的顶部设置有气体传输管，气体传输管与燃烧炉壳体内部连通，在燃烧炉壳体内横向设置有燃烧网，补气传输管设置在燃烧网的下方，补气传输管穿过燃烧炉壳体延伸至壳体外并与补气泵连接，在补气传输管的管路上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，通过流量控制器使补气流速控制在4-10L/min，优选的，补气流速为6-9L/min，在燃烧网的上部设置有测试管，测试管延伸至壳体外并与烟气分析仪连接。

3.根据权利要求2所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，在燃烧炉壳体开口端与炉盖之间设置有密封圈，燃烧炉壳体开口端与炉盖通过密封夹固定连接，燃烧炉壳体为圆柱形壳体，炉盖为倒漏斗形，倒漏斗形的顶部漏斗嘴与气体传输管连接，炉盖开口端内径与燃烧炉壳体开口端内径相匹配，在燃烧网上部的壳体上设置有透明观察窗。

4.根据权利要求2所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，燃烧炉壳体高度为800-1200mm，内直径为700-800mm，炉盖的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，炉盖的高度为100-200mm，炉盖底部开口端内径为700-800mm，气体传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，气体传输管的内直径为20-40mm。

5.根据权利要求2所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，燃烧网为圆形石棉燃烧网，燃烧网的周边设置有硬性固定架，硬性固定架的另一端固定在燃烧炉壳体的内侧壁上，在燃烧网的底部设置电打火装置，电打火装置与燃烧炉壳体侧壁外的打火开关电连接，电打火装置紧贴燃烧网底部，所述的烟气分析仪为德图testo350pro烟气分析仪，颗粒物过滤器为高效空气颗粒物(HEPA)过滤器，补气传输管的内侧壁涂覆有Teflon防粘涂层，补气传输管的内直径为10-30mm。

6.根据权利要求2所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，在燃烧炉壳体内底部设置有收集托盘，位于燃烧炉壳体内的补气传输管端部设置有喷嘴，喷嘴与燃烧网的中心相对,喷嘴与燃烧网之间的距离为10-15cm。

7.根据权利要求1所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，所述的箱体为圆柱形，圆柱形的两端分别为向外凸起的弧形，在箱体内上部设置有温度监测探头和湿度监测探头，温度监测探头与箱体外温度显示器电连接，湿度监测探头与箱体外湿度显示器电连接，黑光灯平行间隔设置在箱体内中部，每个黑光灯与箱体外的黑光灯开关电连接，在箱体内还设置有光感应器，光感应器与箱体外光强度测量仪电连接。

8.根据权利要求7所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，贯穿内壳体和外壳体在箱体中部侧壁上设置有清洁口，清洁口上设置有密封盖，密封盖通过密封法兰与清洁口连接，实现密封盖与清洁口的密封连接，补气口外接补气管，补气管与气体泵连接，补气管上设置有流量控制器和颗粒物过滤器，在箱体下部，贯穿内壳体和外壳体还设置有废气出口。

9.根据权利要求7所述的大气气溶胶烟雾系统，其特征在于，制冷剂循环层与箱体外的循环管路连接，在循环管路上设置有循环泵，在箱体外底部设置有烟雾箱支撑架，搅拌器与箱体外的电机电连接，电机驱动搅拌器转动，烟雾箱的外壳体为不锈钢壳体，内壳体为不锈钢壳体，内壳体的内壁上涂覆有0.3mm的Teflon防粘涂层，烟雾箱的体积为4-8m³。

10.权利要求1所述的大气气溶胶烟雾系统的应用方法，包括步骤如下：

1)称量5-15g干净的生物质，烘干后置于燃烧装置的燃烧网上并铺开，打开补气泵，通过补气传输管向烧炉壳体输入无颗粒物的空气，打开烟气分析仪，观察谱图并记录CO、CO₂的初始浓度，点燃生物质，在生物质燃烧过程中通过烟气分析仪实时给出CO与CO₂的浓度值并计算燃烧效率，通过补气泵调节补气流速保证生物质的燃烧效率大于等于0.9；

2)通过真空泵对气溶胶烟雾箱的箱体抽真空，使气溶胶烟雾箱内压力达到8-12Pa，关闭真空泵，开启大气污染物输入管上的单向阀，燃烧装置上方的大气污染后通过倒吸的方式通过气体传输管进入真空的大气气溶胶烟雾箱，4-6min后关闭单向阀，根据模拟的大气污染物在对流层乃至平流层实际环境背景，调整烟雾箱内温度、湿度、光照强度，通过补气口补气调整箱体内压力，开启搅拌器搅拌，使内部混合均匀，待参数稳定后，即可展开大气实验。