一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统与方法技术方案

一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统与方法，将采样枪单元、旋风切割器、碳烟过滤器以及连接管加热至250～350℃；将采样枪单元置于煤和生物质在热利用时的烟道内，进行等速取样；烟气中的碳烟初步收集在碳烟过滤器的滤膜上，将初始碳烟刮下来，并将收集的碳烟样品加入到醇溶液中，超声后静置，将试管内的上层液倒入坩埚中，真空干燥，得到纯化的碳烟。本发明专利技术提供的针对煤和生物质等固体燃料热利用产生烟气中碳烟的分离提取方法，可定量测得烟气中碳烟的浓度。经纯化后的碳烟固体颗粒可用于医学和气候环境学研究，对推动PM2.5及其各化学组分对人体的健康及环境效应具有重大意义。

System and method for separating and extracting carbon smoke produced by coal and biomass

A system and method for extraction and separation of coal and biomass to produce smoke, the sampling gun unit, whirlwind cutter, carbon smoke filter and the connecting pipe is heated to 250 to 350 DEG C; the sampling unit is arranged in the gun flue coal and biomass in the heat utilization, by isokinetic sampling in the smoke; smoke preliminary collect the membrane carbon smoke filter, the initial soot scraped off, and the soot samples were collected into alcohol solution, ultrasonic standing, the tube in the upper liquid is poured into the crucible, vacuum drying, purified smoke. The invention provides a method for separating and extracting soot from flue gas by utilizing heat of solid fuels such as coal and biomass, and can quantitatively measure the concentration of soot in the flue gas. The purified carbon smoke solid particles can be used in medicine, climate and environment research. It is of great significance to promote the health and environmental effects of PM2.5 and its chemical components on human body.

【技术实现步骤摘要】
一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统与方法
本专利技术涉及环境检测领域，特别涉及一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统与方法。
技术介绍
碳烟是一种黑色碳质颗粒，产生于含碳燃料不完全燃烧过程，是大气细颗粒物的重要组分，尤其是严重污染天气。我国由于能源结构的原因，能源消耗主要以煤和生物质等固体燃料为主。国家统计局发布的2016年统计公报显示，2016年煤炭在中国能源消费中的占比为64％，虽为历史最低值，但仍是我国能源消费的主导燃料。另外，在我国广大农村地区，以秸秆和薪柴作为炊事及采暖用燃料非常普遍，并且每年夏收秋收季节秸秆露天焚烧的现象非常严重。煤和生物质等固体燃料在燃烧、气化、热解等热利用过程中很容易产生碳烟，即“冒黑烟”现象，成为大气碳烟的重要来源。碳烟气溶胶在从可见光到红外的波长范围内对太阳辐射都有强烈的吸收效应，能降低大气能见度和影响云凝结核的生成，对区域和全球气候有着重要的影响。此外，由于碳烟的粒径极小(纳米至数微米级)，大部分碳烟可随人体呼吸深入细支气管及肺泡区，引起人体多系统和组织的损害。针对碳烟这种重要颗粒物组分的形成、排放及环境健康效应的研究引起了众多学者专家的重视。作为我国大气碳烟的主要来源，来自于煤和生物质各种热利用产生的碳烟通常和大的焦炭颗粒以及通过气化-冷凝形成的无机灰颗粒相互混杂在一起，并且其表面还覆盖有未完全燃烧干净的焦油成分。各组分之间难于分离，特别是焦炭颗粒，二者均为碳质颗粒，但具有完全不同的形成机理，导致无法获得相对纯净的碳烟颗粒，使得现有的研究无法针对这种重要的颗粒物组分进行单独的研究。热光透射法(TOR)虽然可以测量滤膜上颗粒物的各种碳组分，但是该方法属于破坏性分析，并且测试需要昂贵的仪器。目前尚未有一种有效的方法在不破坏碳烟分子结构的前提下将碳烟和其他颗粒物组分分离。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统与方法，方法简单易行，无需昂贵的设备仪器，利于操作。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，包括以下步骤：(1)碳烟样品收集：1.1)将采样枪单元、旋风切割器、碳烟过滤器以及连接管加热至250～350℃；1.2)将采样枪单元置于煤和生物质在热利用时的烟道内，进行等速取样；1.3)烟气中的碳烟初步收集在碳烟过滤器的滤膜上，将初始碳烟刮下来，完成碳烟样品的收集；(2)碳烟颗粒物进一步分离：2.1)将收集的碳烟样品加入到醇溶液中，得到悬混液；2.2)将悬混液进行超声后静置；2.3)将试管内的上层液倒入坩埚中，真空干燥，得到纯化的碳烟。本专利技术进一步的改进在于，醇溶液为乙醇水溶液或者异丙醇水溶液。本专利技术进一步的改进在于，醇溶液中醇的体积浓度为80％～90％。本专利技术进一步的改进在于，碳烟样品与醇溶液的比为1mg：2～4mL。本专利技术进一步的改进在于，超声的功率为400～600W，时间为10～20min；静置的时间为1～2h。分离提取煤和生物质产生的碳烟的系统，包括沿煤和生物质在热利用过程产生的烟气流动方向顺次布置的采样枪单元、碳烟收集单元、焦油去除单元和抽气单元；所述碳烟收集单元包括旋风切割器以及与旋风切割器相连的碳烟过滤器；所述焦油去除单元包括焦油冷凝器和焦油过滤器，焦油冷凝器与焦油过滤器相连。本专利技术进一步的改进在于，采样枪单元与碳烟收集单元通过连接管相连，采样枪单元、碳烟收集单元以及连接管外均缠有金属加热丝，加热丝外面包裹有保温棉，加热丝连接有温度控制仪，并且通过温度控制仪使采样枪单元与碳烟收集单元的温度为250～350℃。本专利技术进一步的改进在于，旋风切割器的切割粒径为1.0～2.5μm。本专利技术进一步的改进在于，碳烟过滤器中的滤膜材料为不锈钢金属烧结毡，不锈钢金属烧结毡的孔径为3～5μm。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术首先在采样时采用旋风切割器将富含碳烟的细颗粒物与烟气中粗颗粒物初步分离，并且通过加热烟气至250～350℃达到去除烟气中焦油的目的，于碳烟过滤器中获得初始碳烟。之后利用超声将初始碳烟溶解分散于一种复合溶剂中。初始碳烟中部分可溶性焦炭和无机灰颗粒溶于溶剂中，不溶性部分因为密度较大沉于管底，而密度较小的碳烟分散悬浮于上层溶液中，从而达到分离纯化碳烟的目的。将纯化后的碳烟按照GB/T28731-2012进行灰分分析，表明采用本专利技术提供的方法可有效分离纯化颗粒物中的碳烟。本专利技术提供的针对煤和生物质等固体燃料热利用产生烟气中碳烟的分离提取方法，可定量测得烟气中碳烟的浓度。经纯化后的碳烟固体颗粒可用于医学和气候环境学研究，对推动PM2.5及其各化学组分对人体的健康及环境效应具有重大意义。进一步的，醇溶液中醇的体积浓度为80％～90％，确保能实现碳烟颗粒和其他颗粒分层的前提条件下加入水溶解初始碳烟中的水溶性颗粒。进一步的，初始碳烟样品与醇溶液的比为1mg：2～4mL，在不浪费药品的前提下确保有足够的溶剂将初始碳烟中的水溶性颗粒溶解完全。本专利技术中通过设置采样枪单元，可以将烟气中含碳烟的颗粒物引入取样系统并去除焦油的影响；通过设置碳烟收集单元，可以将含碳烟的细颗粒物和其他粗颗粒物初步分离得到初始碳烟；通过设置焦油去除单元，焦油去除单元由冷凝管和过滤器组成，作用是将烟气中为气态的焦油及水分冷却成液滴并由二级过滤器去除，防止后续仪表被腐蚀；通过设置抽气单元，可以维持取样系统稳定的流量。使用时，开启温度控制加热系统，使采样枪至碳烟过滤器整个系统的温度维持在250～350℃，将采样枪单元置于烟道中，开启抽气系统，以旋风切割器要求的流量进行等速取样。含碳烟的细颗粒物被收集于金属滤膜上，称量取样前后金属滤膜的质量可定量初始碳烟的质量。进一步的，采样枪单元和碳烟收集单元及两个单元各部件的连接系统外部均缠绕有金属加热丝，并包裹保温棉通过温度控制仪使温度控制在250～350℃，在此温度下的焦油呈气态，不会冷凝于固体颗粒物上，从而达到去除颗粒物上焦油的目的。进一步的，碳烟收集单元由旋风切割器和碳烟过滤器组成。旋风切割器的切割粒径为1.0～2.5μm，旋风切割器初步将粒径大于切割粒径的粗颗粒与粒径小于切割粒径的细颗粒物分离，将碳烟初步富集在细颗粒物中，含碳烟的细颗粒物由碳烟过滤器收集。进一步的，碳烟过滤器的滤膜采用不锈钢金属烧结毡材料，滤膜的孔径规格为3～5μm，可将烟气中绝大部分细颗粒物收集下来。附图说明图1是本专利技术的碳烟分离原理图。图2是本专利技术的碳烟采样系统结构示意图。图中，1为采样枪单元、2为碳烟收集单元、21为旋风切割器、22为碳烟过滤器、3为焦油去除单元、31为焦油冷凝器、32为第一焦油过滤器、33为第二焦油过滤器。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。如图1所示，本专利技术基于以下原理实现煤和生物质热利用烟气中碳烟颗粒物的分离和纯化。首先在采样时采用旋风切割器将富含碳烟的细颗粒物与烟气中粗颗粒物初步分离，并且通过加热烟气至250～350℃达到去除烟气中焦油的目的，于碳烟过滤器中经滤膜过滤获得初始碳烟。之后利用超声将初始碳烟溶解分散于一种复合溶剂中。初始碳烟中部分可溶性焦炭和无机灰颗粒溶于溶剂中，静置时不溶性部分因为密度较大沉于管底，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳烟样品收集：1.1)将采样枪单元、旋风切割器、碳烟过滤器以及连接管加热至250～350℃；1.2)将采样枪单元置于煤和生物质在热利用时的烟道内，进行等速取样；1.3)烟气中的碳烟初步收集在碳烟过滤器的滤膜上，将初始碳烟刮下来，完成碳烟样品的收集；(2)碳烟颗粒物进一步分离：2.1)将收集的碳烟样品加入到醇溶液中，得到悬混液；2.2)将悬混液进行超声后静置；2.3)将试管内的上层液倒入坩埚中，真空干燥，得到纯化的碳烟。

【技术特征摘要】
1.一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳烟样品收集：1.1)将采样枪单元、旋风切割器、碳烟过滤器以及连接管加热至250～350℃；1.2)将采样枪单元置于煤和生物质在热利用时的烟道内，进行等速取样；1.3)烟气中的碳烟初步收集在碳烟过滤器的滤膜上，将初始碳烟刮下来，完成碳烟样品的收集；(2)碳烟颗粒物进一步分离：2.1)将收集的碳烟样品加入到醇溶液中，得到悬混液；2.2)将悬混液进行超声后静置；2.3)将试管内的上层液倒入坩埚中，真空干燥，得到纯化的碳烟。2.根据权利要求1所述的一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，醇溶液为乙醇水溶液或者异丙醇水溶液。3.根据权利要求1或2所述的一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，醇溶液中醇的体积浓度为80％～90％。4.根据权利要求1所述的一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，碳烟样品与醇溶液的比为1mg：2～4mL。5.根据权利要求1所述的一种分离提取煤和生物质产生的碳烟的方法，其特征在于，超声的功率为400～600W，时间为10～20min；静置的时间为1～2h。...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭厚章，李艳，王学斌，刘鹤欣，白胜杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61