技术领域
[0001] 本
发明属于烟气颗粒物检测技术领域，特别涉及一种高温烟气中超细模态颗粒物粒径分布在线检测系统及方法。
背景技术
[0002] 燃烧源是雾霾形成的最重要排放源之一，掌握燃烧过程中细颗粒物的形成机理对控制燃烧源细颗粒物的排放至关重要。但是，目前有关燃烧源颗粒物的
采样主要集中在烟气
温度较低的尾气排放一端，取样点较为靠后，细模态颗粒物经过长时间流动后易发生
湍流团聚，细模态的颗粒物团聚生成大粒径颗粒物，会改变细模态颗粒物粒径的分布，无法反应高温初始条件下细颗粒物形成的特性。如果需要全称掌握细颗粒物的形成机理，则有必要沿程从火焰初期一直到尾气排放的冷端进行全程的细颗粒物取样，而目前有关燃烧火焰中尤其是高温环境下细颗粒物的采样则十分具有挑战性。主要存在的挑战包括：现有的取样装置容易被高温火焰烧坏；高温火焰区通常共存着大量的
碳质细颗粒物和无机矿物质灰颗粒物，现有的取样方法很难将二者进行区分取样和测量。
[0003] 综上所述，为了深入的研究和揭示高温环境下细颗粒物的形成机理，亟需一种高温烟气中超细模态颗粒物粒径分布在线检测系统。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种高温烟气中超细模态颗粒物粒径分布在线检测系统及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明能够较精确地获得高温烟气内因燃烧产生的细模态soot和细模态矿物质灰的粒径分布，对火焰燃烧生成颗粒物的形成机理研究有重大意义。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种高温烟气中超细模态颗粒物粒径分布在线检测系统，包括：取样枪、第一管路、稀释器、粒径选择装置、第二管路、第三管路、卧式炉和颗粒物粒径测量装置；所述取样枪用于对待测烟气进行等速取样；所述取样枪的出口通过所述第一管路与所述粒径选择装置的入口相连通；所述第一管路上设置有用于稀释烟气的稀释器；所述稀释器与所述粒径选择装置之间的第一管路上设置有第一调节口，用于调节进入所述粒径选择装置的烟气流量和流速；所述粒径选择装置的出口通过所述第二管路与所述颗粒物粒径测量装置的入口相连通；所述第二管路上设置有第一流量调节
阀；所述粒径选择装置的出口还通过所述第三管路与所述颗粒物粒径测量装置的入口相连通；所述第三管路上沿烟气流向依次设置有排空口、第二流量调节阀和卧式炉；所述第二流量调节阀和所述卧式炉之间的第三管路上设置有
氧气混入口，用于在烟气中混入氧气。
[0007] 本发明的进一步改进在于，所述粒径选择装置与所述第一流量调节阀之间的第二管路上或者所述粒径选择装置与所述第二流量调节阀之间的第三管路上设置有取样口，所述取样口设置有可拆卸的封盖。
[0008] 本发明的进一步改进在于，所述稀释器通过载流气体将烟气稀释，稀释倍数为20～40倍；其中，载流气体为氮气或惰性气体。
[0009] 本发明的进一步改进在于，粒径选择装置为PM
切割器、旋
风分离装置或来流撞击分离器。
[0010] 本发明的进一步改进在于，所述颗粒物粒径测量装置为DMS500或FMPS3091。
[0011] 本发明的进一步改进在于，还包括：纯氧气瓶；所述纯氧气瓶的出口通过第四管路与所述氧气混入口相连通；所述第四管路上设置有第三流量调节阀。
[0012] 本发明的进一步改进在于，所述卧式炉保持温度恒定，所述温度大于等于800℃；卧式炉入口粒径小于等于200nm，soot浓度小于等于0.01g/cm3，
停留时间大于等于12s；烟气中混入纯氧后，氧气浓度小于等于5％。
[0013] 本发明的进一步改进在于，所述第一管路、所述第二管路和所述第三管路均为不锈
钢管。
[0014] 本发明的进一步改进在于，所述取样枪包括壳体和引射管；所述壳体套装于所述引射管外部；所述壳体的内壁与所述引射管的外壁之间的区域为载流气体流道；所述壳体的前端设置有取样嘴；所述取样嘴采用折流加文丘里引射的结构，用于通过载流气体将烟气引入所述引射管；所述壳体的后端设置有载流气体入口，用于向载流气体流道内通入载流气体；所述引射管与所述第一管路相连通；其中，载流气体可以为氮气或惰性气体。
[0015] 一种高温烟气中超细模态颗粒物粒径分布的在线检测方法，基于本发明的在线检测系统，包括以下步骤：
[0016] 通过取样枪将待测高温烟气引入在线检测系统；高温指温度在1000K以上；
[0017] 通过烟气稀释器对引入的烟气进行稀释，稀释倍数为20～40倍；
[0018] 通过粒径选择装置去除烟气中预设尺寸的大粒径颗粒；通过氧气混入口在烟气中混入氧气，然后通入卧式炉燃尽soot颗粒；其中，所述卧式炉保持温度恒定，所述温度大于等于800℃；卧式炉入口粒径小于等于200nm，soot浓度小于等于0.01g/cm3，恒温区停留时间大于等于12s；烟气中混入纯氧后，氧气浓度小于等于5％；
[0019] 测量总体颗粒物分布情况时，开启第一流量调节阀，关闭第二流量调节阀；
[0020] 测量矿物质灰颗粒的粒径分布时，关闭第一流量调节阀，开启第二流量调节阀；
[0021] 测量soot颗粒物的粒径分布时，先测量总体颗粒物分布和矿物质灰颗粒的粒径分布，然后将二者做差，最后获得soot颗粒物的粒径分布
[0022] 与
现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] 本发明的在线检测系统，通过卧式炉与卧式炉旁路的切换，能够测得燃烧生成的烟气中细模态soot及矿物质灰颗粒的粒径分布；可以在线测量高温烟气的细模态颗粒物粒径分布，可以在燃烧的火焰后迅速取样，对研究平面火焰燃烧特性有重要的实用性价值。其中，高温是指1000K以上。本发明的取样点较为靠前，可避免细模态颗粒物经过长时间流动后易发生湍流团聚，可提高检测的准确性。本发明之所以能够适用于高温环境且取样点靠前，是因为最采用大倍率载流气引射的取样方式，能够迅速冷却取样得到的烟气，保证取样
喷嘴不被烧坏，使得对温度>1000K的高温区烟气取样成为可能；另外，经过稀释后烟气中颗粒物的浓度降低，可极大地降低细模态的颗粒物在之后的流动中湍流团聚生成大颗粒物的可能性，能够避免改变研究对象的粒径分布。综上，本发明能够较精确地获得高温烟气内因燃烧产生的细模态soot和细模态矿物质灰的粒径分布，对火焰燃烧生成颗粒物的形成机理研究有重大意义。
[0024] 进一步地，本发明还设置有取样口，在测量的同时还能进行颗粒物的取样，方便进行其他检测。
[0025] 进一步地，本发明中，高温取样枪出口与大倍率稀释器入口相连，稀释器通过大倍率的载流气体将取样得到的烟气迅速稀释，增大烟气内颗粒物之间的距离，能够防止细模态颗粒物发生湍流团聚形成大粒径颗粒物。
[0026] 进一步地，本系统卧式炉前的氧气混入量可调，通过限制气流中氧气浓度，控制卧式炉中的反应，进一步避免炉内出现明火改变颗粒物粒径分布。
[0027] 进一步地，本发明中的各管路均采用
不锈钢管连接，可防止颗粒物在管路内流动的过程中沉积在壁面上。
[0028] 进一步地，本发明的取样嘴采用折流加文丘里管引射的结构，能够有效的引射高温烟气并迅速稀释烟气，进一步减少颗粒物团聚变大的可能性。具体的，通过折流改变载流气体的流动方向，经过文丘里管的渐缩段
加速后通过引射作用，将燃烧环境内的高温烟气吸入取样枪内。本发明的取样最采用大倍率载流气引射的取样方式，能够迅速冷却取样得到的烟气，保证取样喷嘴不被烧坏，使得对温度>1000K的高温区烟气取样成为可能，能够更好的反映燃烧时颗粒物的生成规律，对颗粒物生成的研究具有巨大意义。
[0029] 本发明的检测方法通过卧式炉与卧式炉旁路的切换，能够测得燃烧生成的烟气中细模态soot及矿物质灰颗粒的粒径分布，检测精确性高，具有较高的实用价值。
附图说明
[0030] 图1为本发明
实施例的一种在线测量高温烟气中多模态细颗粒物粒径分布的检测系统结构示意图；
[0031] 图2为本发明实施例中取样枪的内部结构示意图；
[0032] 图1和图2中，1、沉降炉；2、取样枪；3、稀释器；4、粒径选择装置；5、取样口；6、第一流量调节阀；7、纯氧气瓶；8、第二流量调节阀；9、第三流量调节阀；10、卧式炉；11、第二管路；12、颗粒物粒径测量装置。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0034] 请参阅图1，本发明实施例的一种在线测量高温烟气中多模态细颗粒物粒径分布的检测系统，包括：耐高温的用于从高温烟气内取样的取样枪2，取样枪2的出口连接大倍率的稀释器3，用于将取样得到的烟气迅速稀释；其中，高温指的是1000K以上的温度区间，大倍率指的是20～40倍。大倍率的稀释器3后连接一个三通
接口，三通接口一侧接空，另一侧与PM切割器入口相连通，以去除大粒径颗粒，通过调节进入切割器阀
门的开度来控制进入切割器的流量，以达到PM切割器进口对应的标准流速。PM切割器出口连接卧式炉10，卧式炉10通过调整参数，能够将烟气中soot颗粒彻底氧化。卧式炉10前的烟气管路上设置一氧气支路，包括纯氧气瓶7；通过调节氧气支路阀门的开度，即第三流量调节阀9的开度，能够控制混入烟气中氧气的量，控制卧式炉10入口处氧气的浓度，卧式炉10入口前设有一旁路(第二管路11)，可以通过第一流量调节阀6和第二流量调节阀8的切换；卧式炉10出口与颗粒物粒径测量装置12相连，如DMS500或FMPS3091(或其他粒径分布实时测量设备)，用于在线测量颗粒物粒径分布。
[0035] 请参阅图2，取样枪2的结构如图所示，取样嘴可以伸入沉降炉1内，取样嘴采用折流加文丘里引射的结构，通过折流改变载流气体的流动方向，经过文丘里管的渐缩段加速后通过引射作用，将燃烧环境内的高温烟气吸入取样枪2内。其中，载流气体可以使用氮气或惰性气体。载流气体入口的设置
位置在取样枪2的后端。取样枪2后连接的稀释器3使用大的稀释倍率，迅速将取样得到的烟气稀释，增大烟气内颗粒物之间的距离，防止细模态颗粒物发生湍流团聚形成大粒径颗粒物。
[0036] 实施例
[0037] 本发明的实施例中，PM切割器也可用其他粒径选择装置4代替，如旋风分离装置或来流撞击分离器，同时，根据研究对象范围的改变，可以更换使用不同选择效果的粒径选择装置4以得到不同粒径范围的颗粒物。
[0038] PM切割器出口与卧式炉10入口相连，卧式炉10的作用为将烟气中燃烧生成的soot氧
化成CO2，彻底去除烟气中颗粒物内夹带的soot颗粒，剩下无法燃烧去除的矿物质灰的颗粒物。
[0039] 在检测过程中，卧式炉10保持温度恒定，且该温度必须保证不低于800摄氏度，经过颗粒切割器后卧式炉10入口粒径<200nm，soot浓度低于0.01g/cm3，通过氧气支路调节阀混入的纯氧量应保证混合后氧气浓度低于5％，通过卧式炉10的尺寸设计，保证烟气停留时间，从而使得soot燃尽。所述卧式炉10出口与DMS500或fmps3091(或其他粒径分布实时测量设备)相连，以实时测量得到烟气内超细模态颗粒物的分布。
[0040] 具体的，卧式炉10保持温度恒定1000摄氏度，在入口粒径<200nm，soot浓度低于0.01g/cm3且氧气浓度低于5％的条件下，经过模拟计算可以得到，需要13s可以将烟气中的soot氧化完全，设计卧式炉10的入口流量4L/min，管径50mm，管长0.5～0.7m即可保整达到完全氧化且不产生明火的要求。通过卧式炉10将烟气中燃烧生成的soot氧化成CO2，彻底去除烟气中颗粒物内夹带的soot颗粒，剩下无法燃烧去除的矿物质灰的颗粒物。
[0041] PM切割器与卧式炉10之间设置的支路具体可以是，支路另一端连接一个三通，三通的一侧接空，另一侧为取样口5，用于进行颗粒物取样进行其他分析，当不需要取样的时候，使用堵头将该处封堵。
[0042] 本发明的一种高温烟气超细模态颗粒物粒径分布在线测量方法，包括以下步骤：
[0043] 通过取样枪对燃烧生成的高温烟气进行等速取样，使用大量的载流气体作为引射引流气，在经过折返
角后载流气体转向，之后在文丘里管的渐缩段加速，高速的气流能够有效的引射喷嘴外的烟气，做到等速取样。
[0044] 引射进取样枪的烟气首先与载流气体混合，之后迅速进入稀释器内，使用大倍率的载流气体对其进行稀释，防止细模态的颗粒物在流动的过程中团聚形成较大模态的颗粒物，导致颗粒物粒径分布的改变。
[0045] 从稀释器中经稀释后得到的气体，被送入PM切割器中，去除不在考虑范围内的较大模态的颗粒物；因为研究对象关心的为细模态的颗粒物，因此较大模态的颗粒物不在考虑范围内，故使用切割器将粒径过大的颗粒物去除，可以根据实际需要选用不同规格的切割器以达到不同的切割效果，也可以使用诸如旋风分离器的其他装置替代。
[0046] 去除大模态颗粒物后的烟气被送入卧式炉，目的是氧化除去颗粒物中的soot，平面火焰燃烧得到的产物主要包括soot和矿物质灰，氧化除去soot后剩余的为矿物质灰，通过卧式炉后布置的DMS500或fmps3091(或其他粒径分布实时测量设备)可以测量得到矿物质灰颗粒的粒径分布。
[0047] 通过调节卧式炉入口前氧气支路混入量的多少，调节卧式炉入口O2的比例<5％，限制
炉膛内的氧气浓度不足以使soot在卧式炉内产生明火燃烧，而是缓慢氧化，防止燃烧改变烟气内颗粒物的粒径分布。
[0048] 若需要测量总体颗粒物分布情况，则关闭第二流量调节阀，开启第一流量调节阀，则测量得到的粒径分布为总体颗粒物粒径分布；若需测量矿物质灰颗粒的粒径分布，则关闭第一流量调节阀，开启第二流量调节阀，则测量得到的颗粒物分布为矿物质灰颗粒粒径分布；若需要测量soot颗粒物的粒径分布，则先通过旁路测量总颗粒物分布，之后测量卧式炉颗粒物分布，将二者做差，就可以得到soot颗粒物的粒径分布。卧式炉的阀门与卧式炉之间设置纯氧支路，与纯氧气瓶相连，通过调节氧气支路阀门以调节烟气中混入的氧量<5％，防止供入过量氧气导致soot燃烧，改变颗粒物分布特性。
[0049] 综上所述，准确获得燃烧时细模态颗粒物的生成量及分布特性对研究火焰的燃烧特性有重大作用。当前对平面火焰燃烧生成的颗粒物检测方法存在的
缺陷包括：适用的温度较低，取样点较为靠后，细模态颗粒物经过长时间流动后易发生湍流团聚，细模态的颗粒物团聚生成大粒径颗粒物，会改变细模态颗粒物粒径的分布，导致测量的准确性较差。目前主要存在的挑战包括：(1)火焰温度通常>1200℃，普通取样装置的材料容易被烧坏；(2)高温火焰区通常共存着大量的碳质细颗粒物和无机矿物质灰颗粒物，常规的取样方法很难将二者进行区分取样和测量。本发明针对现有上述技术问题提供了一种能够在线测量高温烟气中多模态细颗粒物粒径分布的检测系统及检测方法。本发明的检测系统依次包括了耐高温的用于从高温烟气内取样的取样枪，大倍率烟气稀释器，PM切割器，卧式炉，旁路及颗粒物粒径测量装置。本发明的检测方法通过取样枪对燃烧生成的高温烟气进行等速取样，引射进取样枪的烟气首先与载流气体混合，之后迅速进入稀释器内，使用大倍率的载流气体对其进行稀释，防止细模态的颗粒物在流动的过程中团聚形成较大模态的颗粒物。从稀释器中经稀释后得到的气体，被送入PM切割器中去除大粒径颗粒。去除大模态颗粒物后的烟气被送入卧式炉，氧化除去颗粒物中的soot。卧式炉后布置的DMS500或fmps3091(或其他粒径分布实时测量设备)可以测量得到矿物质灰颗粒的粒径分布卧式炉设有旁路，关闭卧式炉阀门打开旁路阀门，则可以通过DMS500或fmps3091(或其他粒径分布实时测量设备)测量得到总颗粒物的粒径分布；将二者做差值，就能得到氧化除去的soot的粒径分布。本发明能够同步在线测量火焰燃烧生成的细模态soot及矿物质灰颗粒的粒径分布，检测精确性较高。
[0050] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行
修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在
申请待批的本发明的
权利要求保护范围之内。
