研究燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠機(jī)理的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種研究煤燃燒產(chǎn)物演變過程的方法和裝置，特別是涉及一種研究燃煤光氧化反應(yīng)的機(jī)理的方法和裝置，應(yīng)用于大氣治理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國的基礎(chǔ)能源。近年來，受國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動，我國煤炭產(chǎn)量和消費(fèi)量呈現(xiàn)快速增長的勢頭。我國是“富煤、貧油、少氣”的國家，這一特點決定了煤炭將在一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位且長期不會改變。目前我國煤炭可供利用的儲量約占世界煤炭儲量的11.67%，位居世界第三。我國是當(dāng)今世界上第一產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)量占世界的35%以上。我國也是世界煤炭消費(fèi)量最大的國家，煤炭一直是我國的主要能源和重要原料，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中煤炭始終占一半以上。作為一次能源，煤的利用方式在我國主要是燃燒，我國每年生產(chǎn)的煤炭其中84%直接用于燃燒。據(jù)《中國青年網(wǎng)》稱，過度使用煤炭等污染型能源，是中國霧霾問題的最主要原因。在近來公布的《煤炭使用對中國大氣污染的貢獻(xiàn)》中有數(shù)據(jù)顯示，煤炭直接燃燒對中國環(huán)境空氣PM2.5的濃度貢獻(xiàn)為37%，煤炭使用對中國環(huán)境PM2.5濃度的貢獻(xiàn)總體在61%左右。數(shù)量巨大的煤燃燒為我們提供充足的熱源和電力資源的同時，也會帶來嚴(yán)重的污染。
[0003]煤中幾乎包含了元素周期表中所有的元素，煤炭在燃燒過程中，這些元素會以各種形式直接或間接的進(jìn)入大氣，除此以外，煤燃燒的同時不僅會生成大量的一次顆粒物和揮發(fā)性有機(jī)物，還會生成很多二次顆粒物的前體，這些前體包含于大氣中在光的催化下發(fā)生復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而形成成份異常復(fù)雜的二次有機(jī)氣溶膠。目前，對于二次有機(jī)氣溶膠的形成機(jī)理還不是十分清楚，特別是對于煤燃燒后究竟是怎樣一步步生成二次有機(jī)氣溶膠的更是知之甚少，這一方面是因為缺少體系化的研究系統(tǒng)以及可以實現(xiàn)實時在線準(zhǔn)確捕捉中間態(tài)產(chǎn)物的精密儀器，另一方面是缺乏系統(tǒng)的研究燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠機(jī)理的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種研究燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠機(jī)理的方法和裝置，煙霧箱體系，可準(zhǔn)確捕捉燃煤在光氧化反應(yīng)中各中間態(tài)的成份、濃度及其變化趨勢。本發(fā)明利用煙霧箱體系考察不同燃燒時間下燃煤在光化學(xué)反應(yīng)中氣體、顆粒物的化學(xué)成分、粒徑等參數(shù)及其變化趨勢，分析中間態(tài)數(shù)據(jù)，并比對靜態(tài)煤剝蝕實驗及靜態(tài)煤燃燒實驗數(shù)據(jù)，得出燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠過程的機(jī)理。該方法可模擬燃煤在不同大氣環(huán)境中的演變過程，準(zhǔn)確捕捉其中間態(tài)產(chǎn)物，并量化煤燃燒及燃燒后光氧化的影響。
[0005]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種研究燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠機(jī)理的方法，包括如下步驟:
a.靜態(tài)煤剝蝕實驗分析:利用激光剝蝕方法，采用激光器對煤塊表面進(jìn)行剝蝕，將剝蝕的原煤顆粒物經(jīng)載氣送入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀(SPAMS)中，進(jìn)行化學(xué)成分及粒徑分析，得出原煤顆粒物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)；
b.靜態(tài)煤燃燒實驗分析:將煤塊置于燃燒爐內(nèi)燃燒，在煤燃燒的同時將燃煤產(chǎn)物煙氣樣品分別引入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀(PTR-MS)及單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀中，測定燃煤產(chǎn)物煙氣中的VOCs及顆粒物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)；
c.動態(tài)煤燃燒光氧化實驗分析:將煤塊置于燃燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，對不同燃燒時間的燃煤產(chǎn)物煙氣進(jìn)行采樣后通入煙霧箱內(nèi)，利用煙霧箱體系的測試分析系統(tǒng)測定燃煤產(chǎn)物煙氣在光化學(xué)反應(yīng)中各時間階段，所生成的燃煤光化學(xué)二次反應(yīng)產(chǎn)物中的氣體及顆粒物的化學(xué)成分與粒徑參數(shù)及其相應(yīng)檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢，通過分析燃煤在光化學(xué)反應(yīng)中的各中間態(tài)數(shù)據(jù)，并與在步驟a中進(jìn)行的靜態(tài)煤剝蝕實驗數(shù)據(jù)及在步驟b中進(jìn)行的靜態(tài)煤燃燒實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而得出燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠過程的機(jī)理。優(yōu)選煙霧箱體系的測試分析系統(tǒng)主要包括質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀和單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀，來分別檢測燃煤產(chǎn)物煙氣中的氣體及顆粒物的化學(xué)成分與粒徑參數(shù)及其相應(yīng)檢測數(shù)據(jù)的變化趨勢。作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，還將煙霧箱中的燃煤產(chǎn)物煙氣在光氧化條件下生成的燃煤光化學(xué)二次反應(yīng)產(chǎn)物引入相應(yīng)的其他檢測儀器，進(jìn)行臭氧分析和氮氧化物分析，將檢測得到的臭氧分析數(shù)據(jù)和氮氧化物分析數(shù)據(jù)一并作為分析燃煤在光化學(xué)反應(yīng)中的各中間態(tài)數(shù)據(jù)，來分析燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠過程的機(jī)理。本發(fā)明優(yōu)選對不同燃燒時間的燃煤產(chǎn)物煙氣進(jìn)行每次采樣時間間隔不超過I分鐘。
[0006]作為本發(fā)明另一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟b進(jìn)行的靜態(tài)煤燃燒實驗分析和步驟c進(jìn)行動態(tài)煤燃燒光氧化實驗分析非同時進(jìn)行，當(dāng)步驟b完成對燃煤產(chǎn)物煙氣中的VOCs及顆粒物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)的測定后，再將此時采集的燃煤產(chǎn)物煙氣通入煙霧箱，同時使質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀及單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀停止步驟b的靜態(tài)煤燃燒實驗分析工作，并用氮氣沖洗質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀及單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀的流體管路，清除在步驟b的靜態(tài)煤燃燒實驗分析中的儀器中樣品殘留物，然后將煙霧箱中的燃煤產(chǎn)物煙氣在光氧化條件下生成的燃煤光化學(xué)二次反應(yīng)產(chǎn)物引入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀及單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀中，對燃煤光化學(xué)二次反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)檢測。
[0007]—種研究燃煤光氧化衍變生成二次有機(jī)氣溶膠機(jī)理的裝置，由配氣系統(tǒng)、靜態(tài)煤剝蝕實驗分析系統(tǒng)、靜態(tài)煤燃燒實驗分析系統(tǒng)、動態(tài)煤燃燒光氧化實驗分析系統(tǒng)和相應(yīng)連接管路組成，配氣系統(tǒng)包括零空氣發(fā)生器、配氣平臺和多通閥組成，零空氣發(fā)生器將空氣輸送到配氣平臺后進(jìn)入多通閥的一個入口，靜態(tài)煤剝蝕實驗分析系統(tǒng)包括單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀，將原煤顆粒物通過配氣系統(tǒng)送入單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀中，進(jìn)行化學(xué)成分及粒徑分析，得出原煤顆粒物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)，靜態(tài)煤燃燒實驗分析系統(tǒng)包括燃燒爐、單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀、顆粒物過濾器和質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀，將煤塊置于燃燒爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，在煤燃燒的同時將燃煤產(chǎn)物煙氣樣品分別通過專用管路引入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀及單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀中，測定燃煤產(chǎn)物煙氣中的VOCs及顆粒物的化學(xué)成分和粒徑分布數(shù)據(jù)，顆粒物過濾器安裝在燃燒爐和質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀之間的專用管路上，對進(jìn)入質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)質(zhì)譜儀的燃煤產(chǎn)物煙氣樣品進(jìn)行過濾，動態(tài)煤燃燒光氧化實驗分析系統(tǒng)主要由配氣系統(tǒng)、采集器和煙霧箱體系測試分析系統(tǒng)組成，煙霧箱體系測試分析系統(tǒng)包括反應(yīng)器主體部分、照射系統(tǒng)、光化學(xué)測試分析系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，反應(yīng)器主體部分包括化學(xué)反應(yīng)腔和溫濕度控制室，化學(xué)反應(yīng)腔設(shè)置于溫濕度控制室內(nèi)，數(shù)據(jù)分析與控制系統(tǒng)控制溫濕控系統(tǒng)，對溫濕度控制室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控，排氣系統(tǒng)能將化學(xué)反應(yīng)腔中的煙氣進(jìn)行排放或收集，配氣系統(tǒng)的多通閥的一個出口與化學(xué)反應(yīng)腔的進(jìn)口連通，在燃燒爐中生成的燃煤產(chǎn)物煙氣樣品通過采集器的采集后進(jìn)入配氣系統(tǒng)的多通閥的另一個入口后，經(jīng)配氣系統(tǒng)中載氣進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)腔，照射系統(tǒng)設(shè)對化學(xué)反應(yīng)