CN109813637A - 一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 - Google Patents
一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109813637A CN109813637A CN201811624879.1A CN201811624879A CN109813637A CN 109813637 A CN109813637 A CN 109813637A CN 201811624879 A CN201811624879 A CN 201811624879A CN 109813637 A CN109813637 A CN 109813637A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- burning
- cabinet
- aerosol
- tonifying
- simulation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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、颗粒物密度演化装置;本发明的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;并且通过差分电迁移率分析仪、气溶胶质量谱仪与冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪联用,然后对单分散粒径颗粒物密度分布曲线的高斯拟合求得100~400nm颗粒物的有效密度,准确反映颗粒物在不同环境下的密度演化过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统。
背景技术
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 箱无法测试颗粒物密度演化趋势。
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,亟需一种测 试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶 胶系统。
本发明是通过如下方案实现的:
一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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、颗粒物密度演化 装置;
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;
颗粒物密度演化装置包括差分电迁移率分析仪(DMA)、气溶胶质量谱仪和冷凝沉积增长 颗粒物数量分析仪,差分电迁移率分析仪的进样口与气溶胶烟雾箱的气体测试口通过导电橡 胶管连接,差分电迁移率分析仪的出口与气溶胶质量谱仪连接,气溶胶质量谱仪与冷凝沉积 增长颗粒物数量分析仪连接,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。
差分电迁移率分析仪(DMA)、冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)购自美国TSI公 司,气溶胶质量谱仪(APM)购自美国MSP公司。
本发明的系统在气体测试口上设置有单向阀。
上述测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统的应用方法,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, 通过颗粒物密度演化装置测量100~400nm颗粒物的有效密度。
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%。
本发明的系统有以下三点功能: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;三是采用差分电迁移率分析仪(DMA)、冷凝沉积增长颗粒物数量分 析仪(CPC)与气溶胶质量谱仪(APM)联用形成DMA-APM-CPC,测量100~400nm颗粒物的 有效密度,其有效密度通过对单分散粒径颗粒物密度分布曲线的高斯拟合求得。
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、本发明的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶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;并且通过差分电迁移率分析仪(DMA)、气溶胶 质量谱仪(APM)与冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)联用,然后对单分散粒径颗粒 物密度分布曲线的高斯拟合求得100~400nm颗粒物的有效密度,准确反映颗粒物在不同环 境下的密度演化过程,本发明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、颗粒物密度演化装置三者之间相互配合,达到准确反映颗 粒物在不同环境下的密度演化过程的目的。
2、本发明的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统采用差分电迁移率分 析仪(DMA)、气溶胶质量谱仪(APM)与冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)联用形 成DMA-APM-CPC联用,与本发明的系统适配性好,测量100~400nm颗粒物的有效密度,其有效密度通过对单分散粒径颗粒物密度分布曲线的高斯拟合求得。
附图说明
图1为测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统的结构示意图;
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,37差分电迁移率分析仪(DMA)、38气溶胶质量谱仪(APM)、39冷 凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)。
图2为高斯拟合求算单分散颗粒物有效密度曲线图,a为高斯拟合求算150nm小麦秸秆 颗粒物有效密度曲线图,a为高斯拟合求算250nm小麦秸秆颗粒物有效密度曲线图;
图3为5种秸秆燃烧100~400nm颗粒物有效密度分布图;
图4为秸秆燃烧气溶胶总有效密度与无机和有机含量相关性分析图;
图5为小麦秸秆燃烧排放的颗粒物在不同湿度下颗粒物密度变化曲线图,其中a为在相 对湿度为50-55RH%下,不同粒径颗粒物相对密度随时间变化图,b为在相对湿度为90-95RH% 下,不同粒径颗粒物相对密度随时间变化图,c为在相对湿度为50-95RH%下,不同粒径颗粒 物相对密度随时间变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,但本发明不限于此。
燃烧效率公式:η=[CO2秸秆燃烧]/([CO2秸秆燃烧]+[CO秸秆燃烧])
实施例1:
一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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、 颗粒物密度演化装置;颗粒物密度演化装置包括差分电迁移率分析仪(DMA)37、气溶胶质量 谱仪(APM)38、冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)39。
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,
差分电迁移率分析仪(DMA)37的进样口与气溶胶烟雾箱的气体测试口24通过导电橡胶 管连接,差分电迁移率分析仪(DMA)37的出口与气溶胶质量谱仪(APM)38连接,气溶胶质 量谱仪(APM)38与冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)39连接,气体测试口24上设置有单向阀。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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统的测试方法,包 括步骤如下:
1)称量10.00g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, 通过颗粒物密度演化装置测量100~400nm颗粒物的有效密度。
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;缓慢 打开气体测试口,缓慢打开气体测试口,通过差分电迁移率分析仪(DMA)、气溶胶质量谱 仪(APM)、冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪(CPC)的测量即可获得在模拟环境中颗粒物的 密度演化情况。
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50 vol.%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:颗粒物密度演化
1、利用本发明的系统测量了5种秸秆燃烧气溶胶100~400nm颗粒物的有效密度;有效 密度通过对单分散粒径颗粒物密度分布曲线的高斯拟合求得,取拟合的峰值密度,具体拟合 方法见图2。对于双峰分布,默认为较大密度值(~3.0g/cm3)为颗粒物多电荷效应导致测量 错误而只取较小值。
5种秸秆燃烧100~400nm颗粒物有效密度测量结果如图3所示,介于1.1~1.4g/cm3,不 同粒径和秸秆类型间颗粒物密度存在显著差异,对于水稻、小麦、和棉花秸秆,颗粒物密度 与粒径正相关,而玉米和大豆秸秆燃烧气溶胶颗粒物密度随粒径增大而减小。
颗粒物密度除了与构成成分密切相关外,还与颗粒物形态结构和化学混合状态有关,而 上述单颗粒TEM分析也表明,秸秆燃烧气溶胶具有形貌和化学构成特异性,如致密的无机盐 和飞灰颗粒,疏松的soot等碳质颗粒,其统计粒径上也存在显著差异;可以部分解释其密度 的差异性。结合体积浓度粒径分布,通过加权平均算法可得出各秸秆燃烧气溶胶平均密度:
Vi、ρi分别为粒径i的颗粒物体积浓度和密度;得到小麦、水稻、玉米、棉花、和大豆秸 秆燃烧气溶胶密度1.286±0.033、1.301±0.035、1.346±0.015、1.317±0.013、和1.194±0.016 g/cm3,与现有文献报道生物质燃烧气溶胶密度一致,Levin et al.基于不同生物质燃烧源气溶 胶化学成分估算出密度在1.22~1.92g/cm3。此外通过膜采样质量与气溶胶体积浓度亦可推导 出SPM平均密度,得到各秸秆PM2.5平均密度如下:小麦1.21±0.13、水稻1.38±0.29、玉 米1.22±0.09、棉花1.38±0.25、大豆1.13±0.13g/cm3;PM1.0平均密度如下:小麦1.15±0.14、 水稻1.29±0.29、玉米1.32±0.14、棉花1.40±0.26、大豆1.05±0.13g/cm3,与APM测得结 果基本一致。各秸秆燃烧气溶胶平均密度与SPM无机盐含量存在正相关,无机盐含量越高, 平均密度越大,如无机盐含量排序:玉米>棉花>小麦>水稻>大豆,与平均密度排序一致为。 为进一步探究密度与无机盐的关系,采用平均密度变形ρ-1与各秸秆SPM无机盐成分拟合分 析如图4,结果如下:
finorg+forg=1
finorg和forg表示SPM中无机盐与有机物质量百分比,有机物为OM+EC,无机盐涵盖水溶无 机离子和重金属成分。ρ-1与PM1.0和PM2.5的finorg均存在较高的相关性。
假定颗粒物是致密无空隙的惰性球体,则其容积密度(bulk density)等于各化学成分密度 的体积加权,算法如下:
经数学变形:
结合上述相关性分析,可得知秸秆燃烧PM1.0中无机盐和有机物拟合平均密度为ρinorg 2.13± 0.44g/cm3,ρorg 1.14±0.13g/cm3;在PM2.5中ρinorg为2.42±0.53g/cm3,ρorg1.13±0.13g/cm3。 可见PM2.5中无机盐密度较大,综上分析,PM2.5中含有更高质量浓度的重金属,此外水溶无 机盐中等效电荷比率分析表明,PM1.0中RC/A和Cl-/K+均高于PM2.5,即是在PM2.5中更多的 K2SO4与KCl,而PM1.0中除了钾盐外还将存在更多的(NH4)2SO4与NH4Cl,钾盐密度高于 铵盐,这些都直接证明PM2.5中无机盐整体密度会较大。5种秸秆PM1.0中主要无机盐离子平 均等效摩尔电荷比NO3 -:SO4 2-:Cl-:K+:NH4 +为0.02:0.18:0.79:0.56:0.44,推知其可能的KNO3-KCl-K2SO4-NH4NO3-NH4Cl-(NH4)2SO4组合,结合各无机盐密度,算出 KNO3-KCl-K2SO4-NH4NO3-NH4Cl-(NH4)2SO4混合容积密度在1.83~1.91g/cm3,与拟合算出 的ρinorg2.13±0.44g/cm3一致而略有偏低’考虑到PM1.0无机盐体系中尚有一定量的重金属、 Na+、Ca2+、Mg2+等高密度成分,其总体无机盐密度基于化学成分推导和数学拟合算法基本吻 合。在PM1.0和PM2.5中,ρorg无显著差异,代表了OM和EC的混合密度。EC的材料密度介 于1.8~2.0g/cm3,然而其有效可测的密度在不同黑炭来源、不同粒径、不同形貌和混合状态、 不同陈化水平而剧烈波动;如新鲜soot表现出多空隙的疏松结构,其可测的有效密度在0.1~1.1g/cm3,而不同机动车工况下和不同程度的大气陈化氧化会改变soot拓扑结构,使其更致 密,表观上密度会出现增大。Schmid et al.通过拟合光学折射指数法推导出生物质燃烧气溶胶 中有机质OM和黑炭EC密度为1.4和1.8g/cm,Schkolnik et al.使用同样方法得出OM和 EC密度为0.9和1.8g/cm3。相较而言,OM因其成分形貌复杂且反应活性强,其密度会有 更大的不确定性,基于现有文献报道生物质秸秆燃烧生成新鲜的OM有效密度介于0.8~1.5 g/cm3,与燃烧环境、燃烧状态、以及生物质类型相关。OM等于1.3×OC,综上分析,PM1.0和PM2.5中OC/EC平均值为3.6和3.8,ρorg为1.14和1.13g/cm3,当取用EC密度为1.8g/cm3, 推导出OM密度分别为PM1.0 1.06±0.14g/cm3,PM2.5 1.05±0.14g/cm3
2、本发明同时测量了小麦秸秆燃烧气溶胶在50%~55%RH和90%~95%RH下演化过程 重100~400nm颗粒物的密度变化,测试结果如图5所示,从图5中可以看出颗粒物密度受 粒径,环境湿度,和陈化时间的影响;粒径越大,密度越大,环境湿度越高密度越大,并且 随着气溶胶陈化,密度的粒径差异逐渐消失。如图5(a),在相对干燥条件下,颗粒物初始密度在1.23~1.27g/cm3,在前120min密度迅速增长,达到1.31~1.34g/cm3后开始稳定。在较高的湿度下如图5(b),颗粒物初始密度较大,在1.37~1.42g/cm3,前60min出现少量增长,然后保持稳定。根据颗粒物吸湿性分析,在90%~95%RH,chamber内颗粒物因吸湿而会以液滴形式存在(GF>1.3,体积含水率>100%),更有利于颗粒物碰并以及气态污染物吸附 和非均相反应,最终导致其密度增大。
Claims (10)
1.一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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、颗粒物密度演化装置;
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;
颗粒物密度演化装置包括差分电迁移率分析仪(DMA)、气溶胶质量谱仪和冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪,差分电迁移率分析仪的进样口与气溶胶烟雾箱的气体测试口通过导电橡胶管连接,差分电迁移率分析仪的出口与气溶胶质量谱仪连接,气溶胶质量谱仪与冷凝沉积增长颗粒物数量分析仪连接,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统,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所述的测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统的测试方法,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,通过颗粒物密度演化装置测量100~400nm颗粒物的有效密度。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811624879.1A CN109813637A (zh) | 2018-12-28 | 2018-12-28 | 一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811624879.1A CN109813637A (zh) | 2018-12-28 | 2018-12-28 | 一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109813637A true CN109813637A (zh) | 2019-05-28 |
Family
ID=66602731
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201811624879.1A Pending CN109813637A (zh) | 2018-12-28 | 2018-12-28 | 一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109813637A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113925231A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-01-14 | 深圳市吉迩科技有限公司 | 气溶胶产生装置 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105833808A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-10 | 沈阳工业大学 | 一种模拟雾霾气溶胶粒的发生系统 |
CN106769697A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 北京大学 | 大气纳米颗粒热动力学性质实时追踪测量装置及方法 |
CN107374585A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-24 | 西安医学院 | 一种实验动物用雾霾环境模拟装置 |
CN107946165A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪 |
-
2018
- 2018-12-28 CN CN201811624879.1A patent/CN109813637A/zh active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105833808A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-10 | 沈阳工业大学 | 一种模拟雾霾气溶胶粒的发生系统 |
CN106769697A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 北京大学 | 大气纳米颗粒热动力学性质实时追踪测量装置及方法 |
CN107374585A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-11-24 | 西安医学院 | 一种实验动物用雾霾环境模拟装置 |
CN107946165A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-04-20 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
张鹤丰: "中国农作物秸秆燃烧排放气态、颗粒态污染物排放特征的实验室模拟", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技I辑》 * |
樊茹霞等: "大气气溶胶密度观测研究进展", 《冰川冻土》 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113925231A (zh) * | 2021-11-02 | 2022-01-14 | 深圳市吉迩科技有限公司 | 气溶胶产生装置 |
CN113925231B (zh) * | 2021-11-02 | 2024-05-28 | 深圳市吉迩科技有限公司 | 气溶胶产生装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109612884A (zh) | 一种可分级颗粒物采样的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596473A (zh) | 一种测量大气颗粒物中重金属浓度的模拟系统 | |
CN109596475A (zh) | 一种可测量模拟环境中大气气溶胶壁损的气溶胶烟雾系统 | |
Glytsos et al. | Characterization of particulate matter concentrations during controlled indoor activities | |
McBride et al. | Investigations of the proximity effect for pollutants in the indoor environment | |
CN109596470A (zh) | 一种双化学模拟大气环境的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596467A (zh) | 一种用于模拟生物质露天燃烧且可测量质量浓度的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596481A (zh) | 一种用于测量颗粒物在模拟环境中粒径分布的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596474A (zh) | 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 | |
CN108786938B (zh) | 雾霾颗粒形成模拟仪 | |
CN109596472A (zh) | 一种测量大气颗粒物中碳质浓度系统 | |
Schare et al. | Particulate emission rates of simple kerosene lamps | |
CN109596482A (zh) | 一种测量颗粒物化学组分的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596469A (zh) | 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 | |
CN109813637A (zh) | 一种测试生物质燃烧排放颗粒物密度演化的模拟气溶胶系统 | |
CN210293983U (zh) | 一种模拟生物质露天燃烧排放的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN209878545U (zh) | 一种双化学模拟大气环境的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596468A (zh) | 一种模拟生物质露天燃烧且可测量颗粒物数浓度的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596479A (zh) | 一种集模拟生物质露天燃烧与单颗粒采样于一体的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596471A (zh) | 一种可测量水溶性颗粒物阴阳离子浓度的大气气溶胶烟雾系统 | |
CN109596771A (zh) | 一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置及燃烧测试方法 | |
CN109596478A (zh) | 一种集模拟生物质露天燃烧与颗粒物采样于一体的气溶胶系统 | |
CN115032347B (zh) | 一种草木烟发生装置 | |
CN109596477A (zh) | 一种用于测量生物质露天燃烧颗粒物挥发性的气溶胶系统 | |
CN209878691U (zh) | 一种模拟生物质露天燃烧排放大气污染物的燃烧装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190528 |
|
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |