CN111521449B - 石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法，其中，具有储存烟气样品的样品管，烟气样品中的CO2和CO在样品管内被还原为石墨，样品管设置有：进气口，供烟气样品通入样品管；以及排气口，供烟气样品自样品管排出；石墨化装置能够通过进气口和排气口的开闭实现洗气与采样，样品管储存的烟气样品中的CO2和CO最终在正压环境下被转化为石墨。
Description
技术领域
本发明涉及同位素检测领域，具体涉及一种石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法。
背景技术
随着社会的发展与人类生活水平的提高，导致了对供能的需求增加。在可持续发展，绿色发展的大背景下，随着化石能源的储量下降，对能源的供应又提出了新的要求。
生物质能是一种“碳中性”的可再生能源。生物质燃料直接入炉燃烧供电技术在国内已十分成熟。国外经验表明，利用现有燃煤锅炉混烧生物质，是更优的生物质能利用方式。这种燃烧方式不仅能提高生物质燃料的发电效率，还能节省下生物质直燃电站的基建的投资费用，是一种高效且环保的能源获取方法。
在该燃烧方式中，有时需要对于生物质的掺混比进行测量。作为测量方式，碳-14被广泛利用。碳-14(14C)是碳元素的一种具放射性的同位素，于1940年2月27日由加州大学伯克利分校放射性实验室的马丁·卡门和萨姆·鲁本发现。
碳-14通过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生。活体生物由于参与全球碳循环过程，其含有的碳-14的丰度往往与当时当地大气水平一致。化石能源由于上百万年来深埋于地底，所以其含有的碳-14几乎为零。因此通过测量混合燃烧煤与生物质的混燃电站的锅炉烟气中二氧化碳含有的碳-14丰度数据，就能知道该电站燃烧燃料中是否掺混了生物质燃料，以及掺混生物质燃料的比例。
基于碳-14同位素的放射性定年法最早被用于考古学和地质学研究中，是一种有效的生物成分鉴别方法。将碳-14法应用于生物质与煤混燃电站的检测与垃圾焚烧电站检测应用的情况不同，生物质燃料供应受季节变化和收集半径的影响，在国内，混燃电站掺混生物质的比例可能难以超过5％。在低掺混比时，加速器质谱法是最精确的碳-14丰度检测方法，样品需先被转化成石墨，才能进行测试。
在现有技术中，碳-14丰度的整个测量过程需要在混燃电站以及实验室分开进行，具体来说，收集步骤在混燃电站完成，利用碱性吸收剂来捕集烟气中的二氧化碳气体，与之相对，制样步骤则在专业碳-14实验室完成，接收到从混燃电站运送来的采集样品后，在实验室的高真空环境管路中进行制样(石墨样品制备)，之后进行上机测试，从而得到碳-14丰度的相关数据。这一采样制样流程不仅花费的时间长，而且捕集到的二氧化碳在碱性吸收剂捕集前后的保存期内还难免受到大气二氧化碳的污染，使得烟气样品碳-14丰度测试结果产生偏差。
发明内容
本发明针对上述技术问题而提出，目的在于使得采样制样简便快速，且测试结果准确度更高，根据本发明，能够快速且准确地测量出混燃电站的烟气样品中的碳-14的丰度，从而计算出生物质的掺混比。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种石墨化装置，具有储存烟气样品的样品管，烟气样品中的CO2和CO在样品管内被还原为石墨，样品管设置有：进气口，供烟气样品通入样品管；以及排气口，供烟气样品自样品管排出；其中，石墨化装置能够通过进气口和排气口的开闭实现洗气与采样，样品管储存的烟气样品中的CO2和CO最终在正压环境下被转化为石墨。
该技术方案中，石墨化装置能够供烟气样品直接通入而进行制样，并且通过进气口和排气口的设置与开闭配合而实现洗气和采样，并能够在正压环境下制样。具体地，当进气口和排气口均打开时，自进气口通入烟气样品，能够对样品管进行洗气，经洗气的样品管中空气或其它杂质气体成分被排除，减少了现代碳对石墨样的影响；当洗气完成后，关闭进气口和排气口以完成烟气样品的采样。
本发明所提供的技术方案，实现了烟气样品采样制样的一体化。与传统技术方案不同，本发明所提供技术方案无需储备碱性吸收剂来捕集烟气中的CO2，解决了传统技术方案电站捕集的CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题，提高了烟气样品中碳-14丰度的检测结果的准确度。本发明所提供的技术方案不再依赖传统技术方案中必备的高真空泵机组，结构简单，降低了采样制样系统的制造成本。
在本发明的较优技术方案中，在样品管内部设置有药剂管，用于盛装CO催化还原所需的药剂粉末。在本发明的较优技术方案中，样品管包括：上段样品管，设置有冷阱，以用于捕获还原反应产生的水蒸气；中段样品管，内部设置有药剂管；以及下段样品管，用于盛装CO2催化还原所需的药剂粉末；其中，上段样品管和下段样品管连接于中段样品管的上、下两端，并可自由拆卸更换。
在该技术方案中，上段样品管连接于中段样品管上端并可自由拆卸更换，便于样品管的清理以及中段样品管内药剂管的拆换。下段样品管连接于中段样品管下段并可自由拆卸更换，便于下段样品管的清理与拆换。从整体上来说，上、中、下段样品管分段连接，样品管的拆换安装十分快捷方便。
在本发明的较优技术方案中，下段样品管内盛装的药剂可以选择Zn粉末与TiH2的混合粉末，TiH2用于提供H2，并在Zn的催化作用下将样品管内的CO2转化为CO。
在本发明的较优技术方案中，中段样品管的药剂管内盛装的药剂可以选择Fe粉末，在Fe的催化作用下样品管内的CO转化为石墨单质碳。
在本发明的较优技术方案中，还包括包围样品管的温度控制装置，所述温度控制装置具备以分别包围上段样品管、中段样品管以及下段样品管的方式设置且能够分别独立控温的上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置。
在该技术方案中，温度控制装置通过调节自身温度，间接控制包覆于其内部的样品管的温度，为CO2和CO进行还原反应提供温度条件，烟气样品在样品管内发生还原反应，生成石墨。另外，上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置能够分别独立控温，可以根据样品管不同的部位的需要提供相匹配的温度条件。
在本发明的较优技术方案中，还包括形成有若干独立控温的槽的温度控制装置，样品管形成若干且分别收容于各个槽。
在该技术方案中，若干个具有独立控温功能的槽与若干个样品管配合设置，一方面能在同一时段采集若干个烟气样品进行采样制样，另一方面能采集不同时段的烟气样品来实现长时间连续地采样制样。
本发明还提供了一种采样制样系统，包括：收集管路，采集混燃电站中产生的烟气样品；上述任一技术方案的石墨化装置，与收集管路相连接，并能够将烟气样品中的CO2和CO转化为石墨，以及烟气样品净化装置，连接于收集管路与石墨化装置之间，能够滤除所述烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种。
在该技术方案中，烟气样品经烟气样品净化装置净化后，降低了送入石墨化装置内的有害杂质气体的浓度，提高了烟气样品石墨转化率，进一步地减小碳-14丰度的检测误差。
相比较于传统技术方案中采样环节与制样环节有较大时间与空间的分割，本发明的采样制样系统提供了一体式解决方案。即、采样制样均在石墨化装置内进行，节省了大量的时间成本。此外，烟气样品在正压下直接石墨化，不再依赖传统技术方案中必备的高真空泵机组，结构简单，降低了采样制样系统的制造成本，还实现了本领域内采样制样系统的小型化及便携化。另外，本发明所提供技术方案无需储备碱性吸收剂来捕集烟气中的CO2，解决了传统技术方案电站捕集的CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题，提高了烟气样品中碳-14丰度的检测结果的准确度。
在本发明的采样制样系统的较优技术方案中，还包括：烟气样品分析装置，与烟气样品净化装置相连接，用于测量经净化后的烟气样品中CO2和CO的浓度。
在该技术方案中，通过烟气样品分析装置的设置，获取烟气样品中CO2和CO的浓度，一方面能用于计算烟气中碳元素向石墨的转化效率；另一方面，烟气样品中CO2和CO的浓度也可以作为石墨化装置中药剂初始放置量或变更量的参考，避免药剂量不足或过多而导致石墨的转化效率偏低。
在本发明的较优技术方案中，烟气样品净化装置包括：前滤尘器，用于过滤烟气样品中的颗粒物；腐蚀性气体捕集器，用于捕集烟气样品中的腐蚀性气体；干燥器，用于去除烟气样品中的水蒸气；以及后滤尘器，用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。
在该技术方案中，烟气样品净化装置能够滤除烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种，收集管路收集混燃电站中产生的烟气样品，烟气样品经烟气样品净化装置净化后，对还原反应有抑制作用的杂质气体大部分被除去，提高了送入石墨化装置内的CO2和CO气体浓度，并提高了还原反应的石墨转化率，进一步地减小碳-14丰度的检测误差。
本发明还提供了一种采样制样方法，应用于上述采样制样系统，包括如下步骤：
收集步骤：收集混燃电站产生的烟气样品；
烟气样品净化步骤：滤除在收集步骤中收集到的所述烟气样品中的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种；以及
采样制样步骤：将经烟气样品净化步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨。
相较于现有技术中使用碱性吸收剂单独捕集烟气中的CO2，本发明在收集步骤中采集的目标物为烟气样品，因此本发明所提供的采样制样方法的收集步骤更为简单，易于实现；另外，在采样制样步骤中，由于本发明直接把净化后的烟气样品中的碳元素转化为石墨化，省去了现有技术中对CO2捕集再释放的过程，不仅更为简便，而且避免CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题，提高了烟气样品中碳-14丰度的检测结果的准确度。
在此，为了便于区分各阶段步骤，“采样”是指在石墨化装置中采集经净化的烟气样品，“制样”是指在石墨化装置中将采集到的烟气样品利用还原反应制成石墨样品。
在本发明的较优技术方案中，在烟气样品净化步骤之后、采样制样步骤之前，还具备：
烟气样品分析步骤，测量经净化后的烟气样品中CO2和CO的浓度；以及
调整步骤，根据烟气样品分析步骤的测量结果，调整要在制样步骤中使用的药剂的量。
在该技术方案中，获取烟气样品中CO2和CO的浓度，一方面能用于计算石墨化装置中石墨的转化效率；另一方面，烟气样品中CO2和CO的浓度也可以作为石墨化过程中药剂初始放置量或变更量的参考，避免药剂量不足或过多导致石墨的转化效率偏低。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图；
图2为本发明实施例的石墨化装置的结构示意图；
图3为图2中烟气样品净化装置的结构示意图；
图4为本发明实施例的采样制样方法的流程示意图；
图5为本发明实施例的另一采样制样方法的流程示意图。
附图标记说明：
1-收集管路；
2-石墨化装置；
21-样品管；211-上段样品管；212-中段样品管；2121-进气口；2122-排气口；2123-阀门；2124-阀门；213-下段样品管；214-药剂管；
22-温度控制装置；221-上段温度控制装置；222-中段温度控制装置；223-下段温度控制装置；
23-传感器；
3-烟气样品净化装置；
31-前滤尘器；32-腐蚀性气体捕集器；33-干燥器；34-后滤尘器；
4-烟气样品分析装置；
5-抽气装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
(采样制样系统的整体构成)
结合图1-图3进行说明，本实施方式所提供的采样制样系统，主要包括：
收集管路1，收集混燃电站中产生的烟气样品；石墨化装置2，与收集管路1相连接，并能够将烟气样品中的CO2和CO转化为石墨；烟气样品净化装置3，连接于收集管路1与石墨化装置2之间，能够滤除烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种；烟气样品分析装置4，与烟气样品净化装置3相连接，能够测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度；抽气装置5，用于提供使烟气样品在系统管路内流动的动力。
收集管路1与混燃电站的锅炉的烟气通道相连，烟气经由设置在烟气通道上的开口被导入收集管路1。
烟气样品净化装置3与收集管路1相连，能够滤除烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种，烟气样品经烟气样品净化装置3净化后，对还原反应有抑制作用的杂质气体大部分被除去，提高了送入石墨化装置2内的CO2和CO气体浓度，并提高了还原反应的石墨转化率，具体而言，如图3所示，烟气样品净化装置3包括：前滤尘器31、腐蚀性气体捕集器32、干燥器33以及后滤尘器34。前滤尘器31用于过滤烟气样品中的颗粒物；腐蚀性气体捕集器32用于捕集烟气样品中的腐蚀性气体；干燥器33用于去除烟气样品中的水蒸气；后滤尘器34用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。其中，后滤尘器34可以采用HEPA滤网以提高过滤效果。当然，烟气样品净化装置3也可以选择性地包括前滤尘器、腐蚀性气体捕集器、干燥器以及后滤尘器中的一种或几种。
石墨化装置2，与烟气样品净化装置3相连接，收集管路1采集的烟气样品在除去了颗粒物及杂质气体后，烟气样品中的CO2和CO在石墨化装置2中被转化为石墨，关于石墨化装置2的具体构成和操作步骤在下面进行详细说明。
烟气样品分析装置4，设置在烟气样品净化装置3与石墨化装置2之间，能够测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度。烟气样品分析装置4的结构没有特别限制，可以采用现有的烟气分析仪以及质量流量控制器。另外，根据不同的需要，烟气样品分析装置4也可以设置石墨化装置2的下游、即设置在石墨化装置2与抽气装置5之间。需要说明的是：烟气样品分析装置4利用旁通的方式支路连接在烟气样品净化装置3与石墨化装置2之间。
抽气装置5连接于石墨化装置2，用于提供使烟气样品在系统管路内流动的动力，其结构没有特别的限制。
相比较于现有技术的分离式采样制样系统，本实施方式所提供的采样制样系统，采样制样均在石墨化装置2内进行，采样制样效率更高。此外，将烟气样品直接通入石墨化装置2并进行洗气，以实现在正压环境下制样，无需设置提供真空条件的真空泵机组，结构更为简化，使得采样制样系统得以小型化。另外，由于省去了将烟气样品中的CO2捕集以及保存的环节，解决了捕集后的样品CO2在保存过程中容易受到污染的问题，保证烟气样品中碳-14的丰度的测量结果更为准确。
(采样制样系统的控制方法)
基于上述方案，本实施方式还提供一种采样制样方法，参见图4，包括：收集步骤：收集混燃电站产生的烟气样品；烟气样品净化步骤：滤除收集步骤中收集到的烟气样品中的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种；以及采样制样步骤：将经所述烟气样品净化步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨。
在收集步骤中，混燃电站产生的烟气样品经由设置在烟气通道上的开口被导入收集管路1，相较于现有技术中使用碱性吸收剂单独捕集烟气中的CO2，本实施方案在采样步骤中采集的目标物为烟气样品，因此采样步骤更为简单且易于实现。
在烟气样品净化步骤中，利用烟气样品净化装置3滤除所述烟气样品中的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种。
在采样制样步骤中，利用石墨化装置2将经所述烟气样品净化步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨。由于本实施方式中直接把净化后的烟气样品中的碳元素转化为石墨，省去了传统技术方案中对CO2捕集再释放的过程，不仅更为简便，而且避免CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题，提高了烟气样品中碳-14丰度的检测结果的准确度。
在采样制样步骤中得到的石墨样品被取出并输送至质谱检测装置进行测量，得到碳-14的丰度。进而，能够利用烟气中碳-14的丰度结合烟气量计算得出生物质的掺混比。质谱检测装置并无特别限制，优选使用加速器质谱仪。
优选地，如图5所示，在烟气样品净化步骤之后，制样步骤之前，还具备：烟气样品分析步骤，利用烟气样品分析装置4测量经净化后的烟气样品中CO2和CO的浓度；以及调整步骤，根据烟气样品分析步骤的测量结果，调整要在采样制样步骤中使用的药剂的量。获取烟气样品中CO2和CO的浓度，一方面能用于计算石墨化装置中石墨的转化效率；另一方面，烟气样品中CO2和CO的浓度也可以作为石墨化过程中药剂初始放置量或者变更量的参考，避免药剂量不足或过多而导致石墨的转化效率偏低。调整步骤的执行主体没有特别限制，可以利用与石墨化装置2通信连接的控制单元进行，控制单元的设置位置没有特别限制。调整步骤中的调整方式也没有特别限制，例如可以与药剂的供给机构相联动而调整还原物质的量。
(石墨化装置2的整体构成)
下面，对于石墨化装置2的整体构成进行说明。
如图2所示，石墨化装置2主要包括：样品管21以及包覆于样品管21外部的温度控制装置22。
样品管21包括：中段样品管212、分别连接于中段样品管212上下两端的，可自由拆卸更换的上段样品管211以及下段样品管213。
样品管21的主体材料在高温下不能与烟气样品或者H2发生反应，可选用延展性好的惰性金属，或易于制造成本低廉的玻璃材料等。样品管21可以为长方体或者圆柱体，采用长方体或者圆柱体的样品管21更便于拆分与安装。
上段样品管211可作为冷阱使用，捕获烟气石墨化过程产生的水蒸气；在中段样品管212内部设置有可自由拆卸更换的药剂管214，药剂管214用于盛装CO催化还原所需的药剂粉末(本实施方案中优选Fe粉末)，考虑到药剂管214的记忆效应，药剂管214不推荐重复使用，可以选用玻璃材料以减少使用成本；下段样品管213用于盛装CO2催化还原所需的药剂粉末(本实施方案中优选TiH2和Zn的混合粉末)。
上段样品管211连接于中段样品管212上端并可自由拆卸更换，便于样品管21的清理以及药剂管214的拆换。下段样品管213连接于中段样品管212并可自由拆卸更换，便于下段样品管213的清理与拆换。分段的样品管21在组装时可采用螺接密封，从而提高样品管组合后的密封效果。只要能够使得烟气样品中的CO2、CO高效地被催化还原为石墨，则药剂管214与下段样品管213中的药剂没有特殊限制。
中段样品管212设置有进气口2121和排气口2122。进气口2121与收集管路1相接通，以供烟气样品进入中段样品管212；排气口2122供烟气样品自中段样品管212排出。进气口2121可以使用设置有阀门2123的管路与收集管路1接通，排气口2122可以使用设置有阀门2124的管路将通入样品管21中的气体排出。通过控制上述管路上阀门2123和阀门2124的开闭可以实现石墨化装置2的采样与洗气。
温度控制装置22包括：上段温度控制装置221、中段温度控制装置222以及下段温度控制装置223。
样品管21与温度控制装置22分别对应，即，上段温度控制装置221包覆于上段样品管211外部，中段温度控制装置222包覆于中段样品管212外部，下段温度控制装置223包覆于下段样品管213外部。上段温度控制装置221、中段温度控制装置222以及下段温度控制装置223的控温系统相互独立。中段温度控制装置222和下段温度控制装置223可以选用可编程调控的电阻炉，以提供石墨化反应所需要的可变高温温度。上段温度控制装置221可以选用半导体制冷片，以提供上段样品管211捕集样品烟气石墨化反应中产生水蒸气所需要的低温环节。
作为优选，样品管21的温度控制装置不限于上述方案，还可以形成为具有多个独立控温的槽，样品管21形成有多个且分别收容于各个槽。
在该技术方案中，多个具有独立控温功能的槽与多个样品管21配合设置，一方面能在同一时段采集若干个烟气样品进行采样制样，另一方面能采集不同时段的烟气样品来实现长时间连续地采样制样。
样品管21用于储存烟气样品，所述烟气样品中的CO2和CO在样品管21内被还原为石墨，温度控制装置22通过调节自身温度，间接控制包覆于其内部的样品管21的温度，为CO2和CO进行还原反应提供温度条件。
优选地，在样品管21内还可以设置传感器23，传感器23的线材通过气孔与外部终端连接，传感器23可以为压力传感器、温度传感器和湿度传感器的一种或多种的组合，借助传感器23可以更好地监测样品管21内的压力、温度或湿度，进而方便监控石墨化反应的进程。
(石墨化装置2的使用步骤)
下面，对于石墨化装置2的使用步骤进行说明：
准备步骤：将适量的TiH2与Zn的混合粉末放置于下段样品管213中，将适量的Fe粉末放置于中段样品管212内的药剂管214中，上段样品管211、中段样品管212和下段样品管213紧密连接后，样品管21内形成密闭环境，安装好温度控制装置22，将中段温度控制装置222和下段温度控制装置223的温度提升至300℃并保持1小时。
洗气步骤：待样品管21内温度冷却至环境水平，保持进气口2121—样品管21—排气口2122的畅通，引入烟气样品，在一定的气体流量下，用烟气样品冲洗样品管21一段时间，由于上述准备步骤期间样品管21形成密闭环境，阀门2123和阀门2124打开状态下，烟气样品可以经管路从进气口2121进入中段样品管212内，进而扩散到样品管21的其余部位，烟气样品经排气口2122从样品管21排出至与排气口2122相连的收集装置或空气中，通过关闭阀门2123和阀门2124而控制洗气时间；
采样步骤：在洗气步骤后关闭阀门2123和阀门2124，将烟气样品密封在样品管21内。
制样步骤：将中段样品管212和下段样品管213的温度提升至500℃并保持三个小时，随后将温度提升至550℃并保持四个小时，从而将样品管21中的CO2和CO逐步还原成石墨，上段样品管211的温度保持在-20℃以捕集石墨化过程中产生的水蒸气。制样步骤中得到的石墨样品被从样品管21取出并送往质谱检测装置测试。
下面对于制样步骤进行详细说明。
在制样步骤中，样品管21的中段样品管212、上段样品管211以及下段样品管213分别承担不同功能。
下段样品管213连接于中段样品管212下端并可自由拆换，便于添加与替换TiH2与Zn粉末，在石墨化步骤中，下段样品管213中TiH2粉末在高温条件下分解产出H2，在H2以及Zn的催化作用下烟气样品中CO2被还原为CO。
中段样品管212固定在中段温度控制装置222内，是烟气样品流动的主要通道，在制样步骤中，烟气样品中的原有CO与由CO2还原得来CO都在在药剂管内Fe粉末的催化作用下被还原成石墨并依附在Fe粉上。
上段样品管211同样可自由拆换，连接于中段样品管212上端，便于样品管的清理以及药剂管214的拆换，在制样步骤中，烟气样品中的CO2与O2会与H2反应生成水蒸气，对石墨化反应产生抑制，上段样品管211的温度保持在-20℃，能够捕捉反应中产生的水蒸气。
作为优选，在准备步骤之前，还包括预处理步骤：将石墨化反应中所需使用的药剂TiH2、Zn和Fe粉末在真空环境下360℃处理7小时，将未加入药剂的样品管21加温至550℃处理7小时。预处理步骤中对药剂和样品管21进行高温处理，可以避免有机碳或单质杂质的污染。
需要说明的是，上述各步骤中的温度、时间等参数仅为一例，可以根据实际需要而灵活调整。
优选地，TiH2粉末纯度大于99％，Zn粉末纯度大于99.9％，Fe粉末纯度大于99.5％，从而减少药品中携带的污染。
根据本发明，重新设计了石墨化装置的结构，使得采样制样一体化，还与之相关地重新设计了采样制样系统，并且提供了一种新的采样制样方法。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种石墨化装置，其特征在于，具有储存工业现场排放的烟气样品的样品管，所述烟气样品中的CO2和CO在所述样品管内被还原为石墨，还原得到的所述石墨被输送至质谱检测装置进行碳-14丰度测量；所述样品管设置有：
进气口，供所述烟气样品通入所述样品管；以及
排气口，供所述烟气样品自所述样品管排出；
所述石墨化装置能够通过所述进气口和所述排气口的开闭实现洗气与采样，并在正压环境下制样，
所述样品管包括：
上段样品管，设置有冷阱，以用于捕获还原反应产生的水蒸气；
中段样品管，内部设置有所述药剂管，用于盛装CO催化还原所需的药剂粉末，所述进气口与所述排气口均设置于所述中段样品管；以及
下段样品管，用于盛装CO2催化还原所需的药剂粉末即TiH2与Zn的混合粉末；
其中，所述上段样品管和下段样品管连接于中段样品管的上、下两端，并可自由拆卸更换。
2.如权利要求1所述的石墨化装置，其特征在于，还包括包围所述样品管的温度控制装置，所述温度控制装置具备以分别包围所述上段样品管、所述中段样品管以及所述下段样品管的方式设置且能够分别独立控温的上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置。
3.如权利要求1所述的石墨化装置，其特征在于，还包括形成有若干独立控温的槽的温度控制装置，所述样品管形成若干且分别收容于各个所述槽。
4.一种采样制样系统，其特征在于，包括：
收集管路，收集混燃电站中产生的烟气样品；
如权利要求1-3中任一项所述的石墨化装置，与所述收集管路相连接，并能够将所述烟气样品中的CO2和CO转化为石墨，以及
烟气样品净化装置，连接于所述收集管路与所述石墨化装置之间，能够滤除所述烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种，
烟气样品分析装置，与所述烟气样品净化装置相连接，用于测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度。
5.如权利要求4所述的采样制样系统，其特征在于，所述烟气样品净化装置包括：
前滤尘器，用于过滤烟气样品中的颗粒物；
腐蚀性气体捕集器，用于捕集烟气样品中的腐蚀性气体；
干燥器，用于去除烟气样品中的水蒸气；以及
后滤尘器，用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。
6.一种采样制样方法，应用于权利要求4或5所述的采样制样系统，其特征在于，包括如下步骤：
收集步骤：收集混燃电站产生的烟气样品；
烟气样品净化步骤：滤除所述烟气样品中的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种；以及
采样制样步骤：将经所述烟气样品净化步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨，
在所述烟气样品净化步骤之后、所述制样步骤之前，还具备：
烟气样品分析步骤，测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度；以及
调整步骤，根据所述烟气样品分析步骤的测量结果，调整要在所述采样制样步骤中使用的药剂的量。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107976342A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-05-01 | 浙江大学 | 采样制样系统及采样制样方法 |
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Family Cites Families (7)
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| CN111099593A (zh) * | 2018-10-26 | 2020-05-05 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种固体还原剂及其制备方法和应用 |
| CN110143590A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-08-20 | 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 | 一种Zn/Fe火焰封管法制备石墨的装置和方法 |
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