研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其步骤为：采用激光剥蚀原理，以单颗粒气溶胶质谱仪对原煤进行化学成分及粒径的分析；利用质子转移反应质谱及单颗粒气溶胶质谱探测燃煤中挥发性有机物及颗粒物的化学成分与粒径分布；利用烟雾箱体系考察不同燃烧时间下燃煤在光化学反应中气体、颗粒物的化学成分、粒径等参数及其变化趋势，分析中间态数据，并比对静态煤剥蚀实验及静态煤燃烧实验数据，得出燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。本发明专利技术还公开一种装置。本发明专利技术能模拟燃煤在不同大气环境中的演变过程，准确捕捉其中间态产物，并量化煤燃烧及燃烧后光氧化的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种研究煤燃烧产物演变过程的方法和装置，特别是涉及一种研究燃煤光氧化反应的机理的方法和装置，应用于大气治理

技术介绍
煤炭是我国的基础能源。近年来，受国民经济快速发展的推动，我国煤炭产量和消费量呈现快速增长的势头。我国是“富煤、贫油、少气”的国家，这一特点决定了煤炭将在一次性能源生产和消费中占据主导地位且长期不会改变。目前我国煤炭可供利用的储量约占世界煤炭储量的11.67%，位居世界第三。我国是当今世界上第一产煤大国，煤炭产量占世界的35%以上。我国也是世界煤炭消费量最大的国家，煤炭一直是我国的主要能源和重要原料，在一次能源生产和消费构成中煤炭始终占一半以上。作为一次能源，煤的利用方式在我国主要是燃烧，我国每年生产的煤炭其中84%直接用于燃烧。据《中国青年网》称，过度使用煤炭等污染型能源，是中国雾霾问题的最主要原因。在近来公布的《煤炭使用对中国大气污染的贡献》中有数据显示，煤炭直接燃烧对中国环境空气PM2.5的浓度贡献为37%，煤炭使用对中国环境PM2.5浓度的贡献总体在61%左右。数量巨大的煤燃烧为我们提供充足的热源和电力资源的同时，也会带来严重的污染。煤中几乎包含了元素周期表中所有的元素，煤炭在燃烧过程中，这些元素会以各种形式直接或间接的进入大气，除此以外，煤燃烧的同时不仅会生成大量的一次颗粒物和挥发性有机物，还会生成很多二次颗粒物的前体，这些前体包含于大气中在光的催化下发生复杂的光化学反应，进而形成成份异常复杂的二次有机气溶胶。目前，对于二次有机气溶胶的形成机理还不是十分清楚，特别是对于煤燃烧后究竟是怎样一步步生成二次有机气溶胶的更是知之甚少，这一方面是因为缺少体系化的研究系统以及可以实现实时在线准确捕捉中间态产物的精密仪器，另一方面是缺乏系统的研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法和装置，烟雾箱体系，可准确捕捉燃煤在光氧化反应中各中间态的成份、浓度及其变化趋势。本专利技术利用烟雾箱体系考察不同燃烧时间下燃煤在光化学反应中气体、颗粒物的化学成分、粒径等参数及其变化趋势，分析中间态数据，并比对静态煤剥蚀实验及静态煤燃烧实验数据，得出燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。该方法可模拟燃煤在不同大气环境中的演变过程，准确捕捉其中间态产物，并量化煤燃烧及燃烧后光氧化的影响。为达到上述专利技术创造目的，采用下述技术方案：一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，包括如下步骤：a．静态煤剥蚀实验分析：利用激光剥蚀方法，采用激光器对煤块表面进行剥蚀，将剥蚀的原煤颗粒物经载气送入单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)中，进行化学成分及粒径分析，得出原煤颗粒物的化学成分和粒径分布数据；b．静态煤燃烧实验分析：将煤块置于燃烧炉内燃烧，在煤燃烧的同时将燃煤产物烟气样品分别引入质子转移反应质谱仪(PTR-MS)及单颗粒气溶胶质谱仪中，测定燃煤产物烟气中的VOCs及颗粒物的化学成分和粒径分布数据；c．动态煤燃烧光氧化实验分析：将煤块置于燃烧炉内进行燃烧，对不同燃烧时间的燃煤产物烟气进行采样后通入烟雾箱内，利用烟雾箱体系的测试分析系统测定燃煤产物烟气在光化学反应中各时间阶段，所生成的燃煤光化学二次反应产物中的气体及颗粒物的化学成分与粒径参数及其相应检测数据的变化趋势，通过分析燃煤在光化学反应中的各中间态数据，并与在步骤a中进行的静态煤剥蚀实验数据及在步骤b中进行的静态煤燃烧实验数据进行对比，进而得出燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。优选烟雾箱体系的测试分析系统主要包括质子转移反应质谱仪和单颗粒气溶胶质谱仪，来分别检测燃煤产物烟气中的气体及颗粒物的化学成分与粒径参数及其相应检测数据的变化趋势。作为本专利技术优选的技术方案，还将烟雾箱中的燃煤产物烟气在光氧化条件下生成的燃煤光化学二次反应产物引入相应的其他检测仪器，进行臭氧分析和氮氧化物分析，将检测得到的臭氧分析数据和氮氧化物分析数据一并作为分析燃煤在光化学反应中的各中间态数据，来分析燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。本专利技术优选对不同燃烧时间的燃煤产物烟气进行每次采样时间间隔不超过1分钟。作为本专利技术另一种优选的技术方案，步骤b进行的静态煤燃烧实验分析和步骤c进行动态煤燃烧光氧化实验分析非同时进行，当步骤b完成对燃煤产物烟气中的VOCs及颗粒物的化学成分和粒径分布数据的测定后，再将此时采集的燃煤产物烟气通入烟雾箱，同时使质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪停止步骤b的静态煤燃烧实验分析工作，并用氮气冲洗质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪的流体管路，清除在步骤b的静态煤燃烧实验分析中的仪器中样品残留物，然后将烟雾箱中的燃煤产物烟气在光氧化条件下生成的燃煤光化学二次反应产物引入质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪中，对燃煤光化学二次反应产物的化学成分和粒径分布数据检测。一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的装置，由配气系统、静态煤剥蚀实验分析系统、静态煤燃烧实验分析系统、动态煤燃烧光氧化实验分析系统和相应连接管路组成，配气系统包括零空气发生器、配气平台和多通阀组成，零空气发生器将空气输送到配气平台后进入多通阀的一个入口，静态煤剥蚀实验分析系统包括单颗粒气溶胶质谱仪，将原煤颗粒物通过配气系统送入单颗粒气溶胶质谱仪中，进行化学成分及粒径分析，得出原煤颗粒物的化学成分和粒径分布数据，静态煤燃烧实验分析系统包括燃烧炉、单颗粒气溶胶质谱仪、颗粒物过滤器和质子转移反应质谱仪，将煤块置于燃烧炉内进行燃烧，在煤燃烧的同时将燃煤产物烟气样品分别通过专用管路引入质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪中，测定燃煤产物烟气中的VOCs及颗粒物的化学成分和粒径分布数据，颗粒物过滤器安装在燃烧炉和质子转移反应质谱仪之间的专用管路上，对进入质子转移反应质谱仪的燃煤产物烟气样品进行过滤，动态煤燃烧光氧化实验分析系统主要由配气系统、采集器和烟雾箱体系测试分析系统组成，烟雾箱体系测试分析系统包括反应器主体部分、照射系统、光化学测试分析系统和排气系统，反应器主体部分包括化学反应腔和温湿度控制室，化学反应腔设置于温湿度控制室内，数据分析与控制系统控制温湿控系统，对温湿度控制室内的温度和湿度进行调控，排气系统能将化学反应腔中的烟气进行排放或收集，配气系统的多通阀的一个出口与化学反应腔的进口连通，在燃烧炉中生成的燃煤产物烟气样品通...

【技术保护点】
一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特征在于，包括如下步骤：a．静态煤剥蚀实验分析：利用激光剥蚀方法，采用激光器对煤块表面进行剥蚀，将剥蚀的原煤颗粒物经载气送入单颗粒气溶胶质谱仪中，进行化学成分及粒径分析，得出原煤颗粒物的化学成分和粒径分布数据；b．静态煤燃烧实验分析：将煤块置于燃烧炉内燃烧，在煤燃烧的同时将燃煤产物烟气样品分别引入质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪中，测定燃煤产物烟气中的VOCs及颗粒物的化学成分和粒径分布数据；c．动态煤燃烧光氧化实验分析：将煤块置于燃烧炉内进行燃烧，对不同燃烧时间的燃煤产物烟气进行采样后通入烟雾箱内，利用烟雾箱体系的测试分析系统测定燃煤产物烟气在光化学反应中各时间阶段，所生成的燃煤光化学二次反应产物中的气体及颗粒物的化学成分与粒径参数及其相应检测数据的变化趋势，通过分析燃煤在光化学反应中的各中间态数据，并与在所述步骤a中进行的静态煤剥蚀实验数据及在所述步骤b中进行的静态煤燃烧实验数据进行对比，进而得出燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。

【技术特征摘要】
1.一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特征在于，包括如下
步骤：
a．静态煤剥蚀实验分析：利用激光剥蚀方法，采用激光器对煤块表面进行剥蚀，将剥蚀
的原煤颗粒物经载气送入单颗粒气溶胶质谱仪中，进行化学成分及粒径分析，得出原煤颗
粒物的化学成分和粒径分布数据；
b．静态煤燃烧实验分析：将煤块置于燃烧炉内燃烧，在煤燃烧的同时将燃煤产物烟气
样品分别引入质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪中，测定燃煤产物烟气中的VOCs
及颗粒物的化学成分和粒径分布数据；
c．动态煤燃烧光氧化实验分析：将煤块置于燃烧炉内进行燃烧，对不同燃烧时间的燃
煤产物烟气进行采样后通入烟雾箱内，利用烟雾箱体系的测试分析系统测定燃煤产物烟气
在光化学反应中各时间阶段，所生成的燃煤光化学二次反应产物中的气体及颗粒物的化学
成分与粒径参数及其相应检测数据的变化趋势，通过分析燃煤在光化学反应中的各中间态
数据，并与在所述步骤a中进行的静态煤剥蚀实验数据及在所述步骤b中进行的静态煤燃烧
实验数据进行对比，进而得出燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。
2.根据权利要求1所述研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特征
在于：在所述步骤c中，烟雾箱体系的测试分析系统主要包括质子转移反应质谱仪和单颗粒
气溶胶质谱仪，来分别检测燃煤产物烟气中的气体及颗粒物的化学成分与粒径参数及其相
应检测数据的变化趋势。
3.根据权利要求1或2所述研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特
征在于：所述步骤b进行的静态煤燃烧实验分析和所述步骤c进行动态煤燃烧光氧化实验分
析非同时进行，当所述步骤b完成对燃煤产物烟气中的VOCs及颗粒物的化学成分和粒径分
布数据的测定后，再将此时采集的燃煤产物烟气通入烟雾箱，同时使质子转移反应质谱仪
及单颗粒气溶胶质谱仪停止所述步骤b的静态煤燃烧实验分析工作，并用氮气冲洗质子转
移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪的流体管路，清除在所述步骤b的静态煤燃烧实验分
析中的仪器中样品残留物，然后将烟雾箱中的燃煤产物烟气在光氧化条件下生成的燃煤光
化学二次反应产物引入质子转移反应质谱仪及单颗粒气溶胶质谱仪中，对燃煤光化学二次
反应产物的化学成分和粒径分布数据检测。
4.根据权利要求1或2所述研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特
征在于：在所述步骤c中，还将烟雾箱中的燃煤产物烟气在光氧化条件下生成的燃煤光化学
二次反应产物引入相应的其他检测仪器，进行臭氧分析和氮氧化物分析，将检测得到的臭
氧分析数据和氮氧化物分析数据一并作为分析燃煤在光化学反应中的各中间态数据，来分
析燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶过程的机理。
5.根据权利要求1或2所述研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的方法，其特
征在于：在所述步骤c中，对不同燃烧时间的燃煤产物烟气进行每次采样时间间隔不超过1
分钟。
6.一种研究燃煤光氧化衍变生成二次有机气溶胶机理的装置，其特征在于：由配气系
统、静态煤剥蚀实验分析系统、静态煤燃烧实验分析系统、动态煤燃烧光氧化实验分析系统
和相应连接管路组成，所述配气系统包括零空气发生器（13）、配气平台（14）和多通阀（1）组
成，所述零空气发生器（13）将空气输送到所述配气平台（14）后进入所述多通阀（1）的一个
入口，所述静态煤剥蚀实验分析系统包括单颗粒气溶胶质谱仪（10），将原煤颗粒物通过所
述配气系统送入所述单颗粒气溶胶质谱仪（10）中，进行化学成分及粒径分析，得出原煤颗
粒物的化学成分和粒径分布数据，所述静态煤燃烧实验分析系统包括燃烧炉（11）、所述单
颗粒气溶胶质谱仪（10）、颗粒物过滤器（6）和质子转移反应质谱仪（7），将煤块置于所述燃
烧炉（11）内进行燃烧，在煤燃烧的同时将燃煤产物烟气样品分别通过专用管路引入所述质
子转移反应质谱仪（7）及所述单颗粒气溶胶质谱仪（10）中，测定燃煤产物烟气中的VOCs及
颗粒物的化学成分和粒径分布数据，所述颗粒物过滤器（6）安装在所述燃烧炉（11）和所述
质子转移反应质谱仪（7）之间的专用管路上，对进入所述质子转...

【专利技术属性】
技术研发人员：田学鑫，刘梅，石学峰，董俊国，程平，苗萌，韩明聪，庞星龙，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31