CN109596474A - 一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统，包括依次相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置、模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱、云凝结核仪；本发明系统同时具备三个功能，准确、真实的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的过程；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；通过该系统可准确真实反应生物质燃烧排放的颗粒物成云凝结核能力，通过测试发现，随着着时间的改变，燃烧生成气溶胶颗粒物的成云凝结核的能力在逐步提升，为颗粒物深一步的研究提供了指导。

Description

一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾 系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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箱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，另外，现有的大气气溶胶烟雾箱也无法测量颗粒物成核能力。

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，亟需一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统。

本发明是通过如下方案实现的：

一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统，包括依次相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置、模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱、云凝结核仪；

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，气溶胶烟雾箱的气体测试口通过导电橡胶管与云凝结核仪连接。

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。

根据本发明优选的，所述的云凝结核仪为CCN-100云凝结核仪，气体测试口上设置单向阀。CCN-100云凝结核仪为现有市购仪器,美国DMT公司有售。

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，开启气体测试口上的单向阀，通过云凝结核仪在线测量模拟环境中颗粒物成云凝结核能力。

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，而且烟雾箱内的湿度调节装置可使相对湿度从0.5％到100％。

本发明的系统具有以下三个特点：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；三是准确模拟并在线测量模拟环境中云凝结核数目。

本发明的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、本发明的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统同时具备三个功能，准确、真实的模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的过程；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；通过该系统能准确分析不同生物质燃烧排放的成云凝结核的能力，通过测试发现，在排放初期生物质燃烧产生的颗粒物的初始成核能力较差，随着着时间的改变，燃烧生成气溶胶颗粒物的成云凝结核的能力在逐步提升，可准确真实反应生物质燃烧排放的颗粒物成云凝结核能力，为颗粒物深一步的研究提供了指导。

2、本发明的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统CCN-100云凝结核仪，测量参数包括单个活化粒子光散射、温度、气压，采用660nm，35mW光学计数器激光，粒径范围为0.75-10μm，可以连续扫描250个预先设置的过饱和度值，测量精度高、稳定性强且易于维护。

附图说明

图1为用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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；36导电橡胶管，37CCN-100云凝结核仪。

图2为水稻秸秆燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图3为小麦秸秆燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图4为玉米秸秆燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图5为大豆秸秆燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图6为棉花秸秆燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图7为梧桐落叶燃烧产生的气溶胶粒子分别在室内空气、ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力曲线图；

图8为水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、梧桐落叶燃烧产生的气溶胶粒子分别在ss为0.2％、0.6％和1％的成云凝结核能力柱状图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

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

实施例1：

一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统，结构如图1所示，包括依次相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置、模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱、CCN-100云凝结核仪37；

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；气体测试口24上设置单向阀，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，气溶胶烟雾箱的气体测试口通过导电橡胶管与CCN-100云凝结核仪37连接。

实施例2：

实施例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，开启气体测试口上的单向阀，通过云凝结核仪在线测量模拟环境中颗粒物成云凝结核能力。

实际应用实例：

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；

缓慢打开大气污染物输入管上的单向阀，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烟雾箱内，5分钟后关闭大气污染物输入管上的单向阀，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；将气体测试口通过导电橡胶管与CCN-100云凝结核仪连接后，缓慢打开气体测试口，通过CCN-100云凝结核仪的测量即可获得在模拟环境中颗粒物的成核能力。

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(可选用液氨)抽出雾箱的制冷剂循环层，使罐体回温至室温；打开空气泵补气，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：成核能力测试

颗粒物成云凝结核能力：在不同过饱和度(Supersaturation，ss)下测得的云凝结核CCN和总颗粒物浓度的比值，即CCN/CN，又成为成核指数或者活化指数。其中，SS为相对湿度与100％的差值。

ss＝RH％-100％

云凝结核计数仪(CCNC)可以提供一个过饱和度的梯度变化，由于大气中过饱和度经常低于2％，因此本实验中选用三个过饱和度(0.2％、0.6％和1％)来表征颗粒物成云凝结核能力。

采用实施例1的装置，参照实施例2的方法分别对水稻、小麦、玉米、大豆、棉花秸秆和梧桐落叶进行模拟露天燃烧、排放，并测试燃烧产生的气溶胶粒子的成核潜力，不同生物质燃烧产生的气溶胶粒子分别在ss为0.2％、0.6％和1％的成核潜力见图2-7所示。

通过图2-7可以看出，所有秸秆燃烧产生的气溶胶颗粒在一开始的成核能力较差，过饱和程度从0.2～1.0％内，成核率都仅在0.05～0.5％，差别不大。而在这其中，玉米、棉花和大豆秸秆燃烧产生的颗粒物的初始成核能力要比其他三种生物质稍差，其主要原因是在燃烧初期，水稻、小麦和落叶产生的颗粒物的峰值粒径要比玉米、棉花和大豆秸秆燃烧后生成的颗粒物的峰值粒径要大，玉米、棉花和大豆燃烧后生成的颗粒物的峰值粒径相对较小，而颗粒物的粒径至少要达到75～120nm才有可能成为CCN，所以玉米、棉花和大豆的初始成云凝结核的能力要相对弱一点。

之后随着时间的改变，所有秸秆燃烧生成气溶胶颗粒物的成云凝结核的能力都在逐步提升，这主要是因为颗粒物在燃烧开始后的几min内就能逐渐长大，当峰值粒径长大到一定程度的时候，其成核能力开始增加，从而在任何过饱和度下，颗粒物的成云凝结核的能力都有所加强。图中虚线是指在没有进行实验时候，室内空气的CCN/CN值，从图2-7中，可以看出，水稻、小麦、玉米和落叶燃烧生成的气溶胶颗粒在4～5min后，颗粒物整体的CCN/CN值已经超过背景值下的该值。这是因为颗粒物的粒径不断增大，从而促进了颗粒物成为云凝结核。但是，也观察到棉花和大豆秸秆燃烧后，其颗粒物的成核能力在5min内都达不到背景值的CCN/CN。通过观察燃烧实验发现，大豆和棉花秸秆，由于其结构和成分的不同，从而较其他4种生物质燃烧的过程更为持久，而且伴随着大量时间的阴烧，从而会在实验过程中不段释放出粒径小于70nm的颗粒物。由于这部分颗粒物成核能力较差，从而降低了整体的成核能力。

图8展示了10min内不同生物质燃烧产生颗粒物总的活化程度，即总的CCN除以总的颗粒物。发现各种气溶胶颗粒物的活化程度基本符合图2-7的成核能力。其中，水稻、小麦和落叶燃烧缠身的颗粒物的活化程度较另外三种生物质较高一些，并且在高饱和度下活化程度更高。

Claims (10)

1.一种用于测量露天燃烧颗粒物成核能力的大气气溶胶烟雾系统，包括依次相连接的模拟生物质露天燃烧的燃烧装置、模拟大气污染物排放到大气中的气溶胶烟雾箱、云凝结核仪；

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，气溶胶烟雾箱的气体测试口通过导电橡胶管与云凝结核仪连接。

2.根据权利要求1所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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1所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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1所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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，所述的云凝结核仪为CCN-100云凝结核仪，气体测试口上设置单向阀。

10.权利要求1所述的用于测量露天燃烧颗粒物成核能力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，开启气体测试口上的单向阀，通过云凝结核仪在线测量模拟环境中颗粒物成云凝结核能力。