一種分離提取煤和生物質產生的碳煙的系統與方法與流程
2023-05-30 21:10:31 1
本發明涉及環境檢測領域，特別涉及一種分離提取煤和生物質產生的碳煙的系統與方法。
背景技術：
碳煙是一種黑色碳質顆粒，產生於含碳燃料不完全燃燒過程，是大氣細顆粒物的重要組分，尤其是嚴重汙染天氣。我國由於能源結構的原因，能源消耗主要以煤和生物質等固體燃料為主。國家統計局發布的2016年統計公報顯示，2016年煤炭在中國能源消費中的佔比為64％，雖為歷史最低值，但仍是我國能源消費的主導燃料。另外，在我國廣大農村地區，以秸稈和薪柴作為炊事及採暖用燃料非常普遍，並且每年夏收秋收季節秸稈露天焚燒的現象非常嚴重。煤和生物質等固體燃料在燃燒、氣化、熱解等熱利用過程中很容易產生碳煙，即「冒黑煙」現象，成為大氣碳煙的重要來源。碳煙氣溶膠在從可見光到紅外的波長範圍內對太陽輻射都有強烈的吸收效應，能降低大氣能見度和影響雲凝結核的生成，對區域和全球氣候有著重要的影響。此外，由於碳煙的粒徑極小(納米至數微米級)，大部分碳煙可隨人體呼吸深入細支氣管及肺泡區，引起人體多系統和組織的損害。
針對碳煙這種重要顆粒物組分的形成、排放及環境健康效應的研究引起了眾多學者專家的重視。作為我國大氣碳煙的主要來源，來自於煤和生物質各種熱利用產生的碳煙通常和大的焦炭顆粒以及通過氣化-冷凝形成的無機灰顆粒相互混雜在一起，並且其表面還覆蓋有未完全燃燒乾淨的焦油成分。各組分之間難於分離，特別是焦炭顆粒，二者均為碳質顆粒，但具有完全不同的形成機理，導致無法獲得相對純淨的碳煙顆粒，使得現有的研究無法針對這種重要的顆粒物組分進行單獨的研究。熱光透射法(tor)雖然可以測量濾膜上顆粒物的各種碳組分，但是該方法屬於破壞性分析，並且測試需要昂貴的儀器。目前尚未有一種有效的方法在不破壞碳煙分子結構的前提下將碳煙和其他顆粒物組分分離。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種分離提取煤和生物質產生的碳煙的系統與方法，方法簡單易行，無需昂貴的設備儀器，利於操作。
為達到上述目的，本發明採用如下的技術方案：
一種分離提取煤和生物質產生的碳煙的方法，包括以下步驟：
(1)碳煙樣品收集：
1.1)將採樣槍單元、旋風切割器、碳煙過濾器以及連接管加熱至250～350℃；
1.2)將採樣槍單元置於煤和生物質在熱利用時的煙道內，進行等速取樣；
1.3)煙氣中的碳煙初步收集在碳煙過濾器的濾膜上，將初始碳煙刮下來，完成碳煙樣品的收集；
(2)碳煙顆粒物進一步分離：
2.1)將收集的碳煙樣品加入到醇溶液中，得到懸混液；
2.2)將懸混液進行超聲後靜置；
2.3)將試管內的上層液倒入坩堝中，真空乾燥，得到純化的碳煙。
本發明進一步的改進在於，醇溶液為乙醇水溶液或者異丙醇水溶液。
本發明進一步的改進在於，醇溶液中醇的體積濃度為80％～90％。
本發明進一步的改進在於，碳煙樣品與醇溶液的比為1mg：2～4ml。
本發明進一步的改進在於，超聲的功率為400～600w，時間為10～20min；靜置的時間為1～2h。
分離提取煤和生物質產生的碳煙的系統，包括沿煤和生物質在熱利用過程產生的煙氣流動方向順次布置的採樣槍單元、碳煙收集單元、焦油去除單元和抽氣單元；所述碳煙收集單元包括旋風切割器以及與旋風切割器相連的碳煙過濾器；所述焦油去除單元包括焦油冷凝器和焦油過濾器，焦油冷凝器與焦油過濾器相連。
本發明進一步的改進在於，採樣槍單元與碳煙收集單元通過連接管相連，採樣槍單元、碳煙收集單元以及連接管外均纏有金屬加熱絲，加熱絲外面包裹有保溫棉，加熱絲連接有溫度控制儀，並且通過溫度控制儀使採樣槍單元與碳煙收集單元的溫度為250～350℃。
本發明進一步的改進在於，旋風切割器的切割粒徑為1.0～2.5μm。
本發明進一步的改進在於，碳煙過濾器中的濾膜材料為不鏽鋼金屬燒結氈，不鏽鋼金屬燒結氈的孔徑為3～5μm。
與現有技術相比，本發明具有的有益效果：
本發明首先在採樣時採用旋風切割器將富含碳煙的細顆粒物與煙氣中粗顆粒物初步分離，並且通過加熱煙氣至250～350℃達到去除煙氣中焦油的目的，於碳煙過濾器中獲得初始碳煙。之後利用超聲將初始碳煙溶解分散於一種複合溶劑中。初始碳煙中部分可溶性焦炭和無機灰顆粒溶於溶劑中，不溶性部分因為密度較大沉於管底，而密度較小的碳煙分散懸浮於上層溶液中，從而達到分離純化碳煙的目的。將純化後的碳煙按照gb/t28731-2012進行灰分分析，表明採用本發明提供的方法可有效分離純化顆粒物中的碳煙。本發明提供的針對煤和生物質等固體燃料熱利用產生煙氣中碳煙的分離提取方法，可定量測得煙氣中碳煙的濃度。經純化後的碳煙固體顆粒可用於醫學和氣候環境學研究，對推動pm2.5及其各化學組分對人體的健康及環境效應具有重大意義。
進一步的，醇溶液中醇的體積濃度為80％～90％，確保能實現碳煙顆粒和其他顆粒分層的前提條件下加入水溶解初始碳煙中的水溶性顆粒。
進一步的，初始碳煙樣品與醇溶液的比為1mg：2～4ml，在不浪費藥品的前提下確保有足夠的溶劑將初始碳煙中的水溶性顆粒溶解完全。
本發明中通過設置採樣槍單元，可以將煙氣中含碳煙的顆粒物引入取樣系統並去除焦油的影響；通過設置碳煙收集單元，可以將含碳煙的細顆粒物和其他粗顆粒物初步分離得到初始碳煙；通過設置焦油去除單元，焦油去除單元由冷凝管和過濾器組成，作用是將煙氣中為氣態的焦油及水分冷卻成液滴並由二級過濾器去除，防止後續儀表被腐蝕；通過設置抽氣單元，可以維持取樣系統穩定的流量。使用時，開啟溫度控制加熱系統，使採樣槍至碳煙過濾器整個系統的溫度維持在250～350℃，將採樣槍單元置於煙道中，開啟抽氣系統，以旋風切割器要求的流量進行等速取樣。含碳煙的細顆粒物被收集於金屬濾膜上，稱量取樣前後金屬濾膜的質量可定量初始碳煙的質量。
進一步的，採樣槍單元和碳煙收集單元及兩個單元各部件的連接系統外部均纏繞有金屬加熱絲，並包裹保溫棉通過溫度控制儀使溫度控制在250～350℃，在此溫度下的焦油呈氣態，不會冷凝於固體顆粒物上，從而達到去除顆粒物上焦油的目的。
進一步的，碳煙收集單元由旋風切割器和碳煙過濾器組成。旋風切割器的切割粒徑為1.0～2.5μm，旋風切割器初步將粒徑大於切割粒徑的粗顆粒與粒徑小於切割粒徑的細顆粒物分離，將碳煙初步富集在細顆粒物中，含碳煙的細顆粒物由碳煙過濾器收集。
進一步的，碳煙過濾器的濾膜採用不鏽鋼金屬燒結氈材料，濾膜的孔徑規格為3～5μm，可將煙氣中絕大部分細顆粒物收集下來。
附圖說明
圖1是本發明的碳煙分離原理圖。
圖2是本發明的碳煙採樣系統結構示意圖。
圖中，1為採樣槍單元、2為碳煙收集單元、21為旋風切割器、22為碳煙過濾器、3為焦油去除單元、31為焦油冷凝器、32為第一焦油過濾器、33為第二焦油過濾器。
具體實施方式
下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
如圖1所示，本發明基於以下原理實現煤和生物質熱利用煙氣中碳煙顆粒物的分離和純化。首先在採樣時採用旋風切割器將富含碳煙的細顆粒物與煙氣中粗顆粒物初步分離，並且通過加熱煙氣至250～350℃達到去除煙氣中焦油的目的，於碳煙過濾器中經濾膜過濾獲得初始碳煙。之後利用超聲將初始碳煙溶解分散於一種複合溶劑中。初始碳煙中部分可溶性焦炭和無機灰顆粒溶於溶劑中，靜置時不溶性部分因為密度較大沉於管底，而密度較小的碳煙顆粒分散懸浮於上層溶液中，從而達到分離純化碳煙的目的。
如圖2所示，本發明的碳煙採樣系統由沿煤和生物質在熱利用過程產生的煙氣流動方向順次布置採樣槍單元1、碳煙收集單元2、焦油去除單元3和抽氣單元4組成。所述碳煙收集單元2包括旋風切割器21以及與旋風切割器21相連的碳煙過濾器22；所述焦油去除單元3包括焦油冷凝器31、第一焦油過濾器32以及第二焦油過濾器33，焦油冷凝器31與第一焦油過濾器32相連，第一焦油過濾器32與第二焦油過濾器33相連。
採樣槍單元1用於將煙氣中含碳煙的顆粒物引入取樣系統，通過更換採樣嘴實現等速採樣。含顆粒物的煙氣經旋風切割器21按照粒徑大小分離，粗顆粒物沉降入底部灰鬥，含碳煙的細顆粒物被碳煙過濾器22捕集。採樣槍單元1和碳煙收集單元2及其連接管路外部均纏繞有金屬加熱絲，採用溫度控制儀將溫度控制在250～350℃。在該溫度下，煙氣中的焦油呈氣態，不會冷凝於煙氣中固體顆粒物上。呈氣態的焦油隨後在焦油冷凝器31中發生冷凝，並被第一焦油過濾器32和第二焦油過濾器33過濾去除，乾淨的煙氣進入抽氣單元4，由其控制採樣過程的流量。
基於上述採樣系統的分離提取方法如下：
(1)碳煙樣品收集：
1.1)將採樣槍單元、旋風切割器、碳煙過濾器以及連接管加熱至250～350℃；
1.2)將採樣槍單元置於煤和生物質在熱利用時的煙道內，按照旋風切割器要求的流量進行等速取樣；
1.3)煙氣中的碳煙初步收集在碳煙過濾器的濾膜上，將初始碳煙刮下來，完成碳煙樣品的收集；
(2)碳煙顆粒物進一步分離：
2.1)將收集的碳煙樣品加入到醇溶液中，得到懸混液；其中，醇溶液為乙醇水溶液或者異丙醇水溶液；醇溶液中醇的體積濃度為80％～90％。
2.2)將懸混液進行超聲後靜置；
2.3)將試管內的上層液倒入坩堝中，真空乾燥，得到碳煙。
步驟2.2)中超聲的功率為400～600w，時間為10～20min；靜置的時間為1～2h。
下面通過一具體實例來進一步說明本發明的方案。該實例的測試分為現場取樣和實驗室分析。
現場取樣：
(1)現場取樣於某一生物質循環流化床氣化爐旋風分離器的出口煙道。按照gb16157的方法，測定該處的煙氣流速為8.50m/s。測試採用的旋風切割器的流量為16.7nl/min，根據等速採樣原理，計算出採樣槍入口採樣嘴的直徑為3.2mm，選擇直徑最為接近的3.0mm的採樣嘴。
(2)取樣抽氣單元4採用集成式自動採樣儀，可自動調節並計量採樣期間的計前壓力、計前溫度、瞬時流量及累計流量，並自動換算成標準幹煙氣採樣體積。
(3)將事先準備的冰塊砸碎，製作成冰浴，將冷凝管置於冰浴中。
(4)碳煙過濾器22的濾膜材料採用不鏽鋼金屬燒結氈，孔徑大小為3μm。考慮到煙道內高顆粒物濃度，選擇直徑為90mm的不鏽鋼金屬濾膜。事先將濾膜浸泡於純乙醇中採用超聲波發生器超聲清洗20min，隨後採用去離子水衝洗，將乾淨的濾膜放置於烘箱中烘乾後於乾燥器中冷卻，稱重後將濾膜安裝在碳煙過濾器22中。
(5)按照如圖2所示的系統順次將各單元連接。採樣槍單元1和碳煙收集單元2之間及其內部各部件之間的連接採用金屬卡套接頭，焦油去除單元3和抽氣單元4各部件之間採用矽膠軟管連接。
(6)將金屬加熱絲纏繞於採樣槍單元1和碳煙收集單元2及其連接管路上，連接溫度控制系統，覆蓋保溫棉保溫，通電使取樣系統的溫度維持在300℃左右。
(7)檢查整個取樣系統裝置的氣密性，確認嚴密後將採樣槍伸入煙道採樣孔，設定取樣流量為16.7nl/min，啟動抽氣系統，待採集2.06m3(標準狀態，幹煙氣)煙氣時，關閉抽氣系統，停止採樣。
(8)拆下碳煙過濾器22中的金屬濾膜，置於乾燥器中冷卻後稱重。本次取樣獲得初始碳煙質量為168.74mg。採用乾淨的刮勺將初始碳煙刮下來，置於乾燥器中備用。
實驗室分析：
(1)取一長試管，加入40.0ml乙醇，再加入10.0ml去離子水，製成體積濃度80％的乙醇水溶液；
(2)稱取15.00mg初始碳煙於步驟(1)的乙醇水溶液中；
(3)將超聲波發生器的功率調節至600w，採用超聲波發生器對步驟(2)的懸混液進行超聲分散提取20min，之後靜置2h；
(4)將試管的上層液緩慢倒入事先恆重的坩堝中，放入真空乾燥箱內乾燥，待乙醇與水揮發完全坩堝恆重後，稱量得到本次試驗經純化的碳煙質量為9.25mg，按照gb16157中的計算公式得到本次採樣即煙氣中碳煙的濃度為(9.25/15.00)×168.74/2.06＝50.51mg/m3(標準幹煙氣，實際氧)。
將純化後的碳煙按照gb/t28731-2012進行灰分分析得出碳煙中的灰分含量為0.1％，而初始碳煙中的灰分含量達33％，表明採用本發明提供的方法可有效分離純化顆粒物中的碳煙。
醇溶液中醇的體積濃度為80％～90％，確保能實現碳煙顆粒和其他顆粒分層的前提條件下加入水溶解初始碳煙中的水溶性顆粒。
初始碳煙樣品與醇溶液的比為1mg：2～4ml，在不浪費藥品的前提下確保有足夠的溶劑將初始碳煙中的水溶性顆粒溶解完全。
本發明針對煤和生物質等固體燃料在進行熱利用時產生的一種重要細顆粒物成分——碳煙進行捕集和純化。本發明的系統在使用時，採樣槍單元和碳煙收集單元各部件之間的連接採用金屬卡套接頭連接，後繼單元可採用普通矽膠管連接。整個系統連接固定好之後，開啟溫度控制加熱系統，使採樣槍至碳煙過濾器整個系統的溫度維持在250～350℃，去除焦油的影響。將採樣槍置於煙道中，開啟抽氣系統，以旋風切割器要求的流量進行等速取樣，利用pm1.0～pm2.5旋風切割器將富含碳煙的細顆粒物從煙氣中捕集下來。含碳煙的細顆粒物被收集於金屬濾膜上，稱量取樣前後金屬濾膜的質量可定量初始碳煙的質量。隨後在醇溶液中利用超聲分散的方法將碳煙和其他組分分離。利用本發明可準確測定煙氣中碳煙的濃度，經純化的碳煙可以用於環境與醫學研究，對推動pm2.5及其化學組分對人體健康及地球環境的影響具有重要意義。