一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法
【專利摘要】本發明屬于安全與清潔能源利用領域，具體涉及一種采用反擴散火焰研究燃燒過程中微細顆粒物富集痕量重金屬元素的方法。采用反擴散火焰燃燒器產生穩定燃燒的火焰，重金屬元素以蒸氣或溶液形式由氮氣作為載氣微量通入燃燒器參與燃燒過程，氣體燃料在反擴散燃燒過程中生成的炭黑微細顆粒物會富集摻入的重金屬元素，并向火焰外緣方向釋放。沿火焰軸向設置不同的點采集炭黑顆粒物，采集的樣品(以汞為例)通過濾膜分級稱重以及汞元素定量分析，可得到沿火焰高度不同采樣點處炭黑微細顆粒物富集汞的含量，即可對燃燒過程中微細顆粒物富集汞元素的規律和機理進行研究。此方法同樣適于燃燒過程中微細顆粒物富集砷、鎘、鉛、鋅等其他痕量重金屬元素的研究。
【專利說明】一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于安全與清潔能源利用領域，具體涉及一種采用反擴散火焰研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法。
【背景技術】
[0002]研究表明，在煤粉燃燒過程中，汞、砷、硒、鎘、鉛、鋅等重金屬元素會發生遷移和轉化，經過復雜的物理化學作用之后，在不同粒徑的飛灰顆粒物中重新再分配，從而在粒徑大小不同的飛灰顆粒中表現出不同的富集特性。而其中粒徑較小的微細顆粒物吸附和富集痕量重金屬元素的能力更強，成為有毒有害物質的反應體和載體。并且這部分顆粒極易逃逸除塵設備進入大氣，經呼吸進入人體后，可至肺泡甚至進入血液，參與血液循環，將有毒元素輸送至人體各組織和細胞，提高人類的致病率和死亡率。因而富集有重金屬元素的微細顆粒物的排放及控制一直備受國際能源與環境領域的關注。
[0003]目前國內外對微細顆粒物富集重金屬元素的研究，絕大多數集中于對煤粉燃燒后的灰顆粒物采樣分析，研究重金屬元素在不同粒徑顆粒物上的富集規律和賦存形態。但鮮有從燃燒火焰中直接采樣和檢測、分析重金屬元素化學形態轉化及再分配后富集于微細顆粒物的過程與機理的研究。究其緣由，主要是因為無論是現場還是實驗室設備，都很難在煤粉燃燒的火焰中直接采樣對痕量重金屬元素的燃燒產物進行分析，因此無法準確獲得重金屬元素在燃燒火焰中的形態轉化及富集于微細顆粒物的過程。
[0004]為了克服燃煤系統在火焰中直接采樣、在線檢測操作性差的弊端，本發明提供了一種采用反擴散火焰研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法。采用反擴散火焰燃燒器產生穩定燃燒的火焰，并向外釋放大量的炭黑微細顆粒。以氮氣作為載氣，將預研究的重金屬元素以蒸氣或溶液形式定量挾帶至燃燒器參與燃燒過程，炭黑微細顆粒在生成和向外釋放的過程中富集重金屬元素，沿火焰軸向設置不同的采樣點，采用套管式水冷采樣器連接級聯式粒子撞擊器(如ELP1、Anderson等)采集炭黑顆粒物，然后通過檢測儀器對其富集的重金屬元素的含量進行測定，分析不同火焰高度采樣點處的樣品，就可以對燃燒過程中微細顆粒物富集所研究的重金屬元素的規律和機理進行研究。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法。主要內容包括:
[0006]1.一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，包括以下內容:
[0007](I)以甲烷(或乙烯)為燃料、氧氣(或空氣)為氧化劑、氮氣為保護氣在反擴散火焰燃燒器中形成穩定燃燒的火焰，并向外釋放大量的亞微米級微細炭黑顆粒。
[0008](2)調節燃料、空氣、氮氣的流量，測量并得到預期的、合理的火焰溫度分布。
[0009](3)以氮氣為載氣，將所研究的重金屬元素以蒸氣或溶液形式定量供入反擴散火焰中參與燃燒過程。并根據需要，調節重金屬元素的微量摻入濃度。
[0010]2.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，沿燃燒火焰軸向選擇并設置合適的采樣點，進行燃燒過程中微細顆粒物的在線采樣；
[0011]3.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，通過確定的燃料流量、氧化劑流量、氮氣流量獲得固定高度的穩定燃燒火焰、火焰溫度分布以及炭黑顆粒的釋放量，再通過精確定量預研究重金屬元素的摻入濃度，能夠在同一采樣點處采集得到具有相同理化性質的富集有重金屬元素的炭黑粒子，重復性好。
[0012]4.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，樣品的采集采用套管水冷式采樣器采樣，以停止炭黑顆粒在采樣器內繼續燃燒以及與汞等重金屬元素的表面反應，保留其在燃燒火焰中的狀態。采集的樣品(以汞為例)通過濾膜分級稱重以及采用冷蒸氣原子吸收光譜法(CVAAS)、中子活化分析法(INAA)等方法對其富集的汞的含量進行測定。
[0013]5.根據權利要求4所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，對不同采樣點(即不同燃燒溫度及燃燒歷程)下的微細炭黑顆粒物樣品進行比較和分析，可研究燃燒過程中微細顆粒物富集汞等重金屬元素的特性及規律。
[0014]6.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，同樣適用于燃燒過程中微細顆粒物富集砷、鎘、鉛、鋅等其他痕量重金屬元素的研究。
[0015]有益效果:
[0016]本發明有以下創新點和優點:
[0017]1.采用反擴散火焰研究燃燒過程中微細顆粒物對重金屬元素的富集特性，克服了鍋爐燃燒過程中在線采樣難的困難，解決了不能在燃燒過程中研究微細顆粒物對重金屬元素富集特性進行研究的困難。
[0018]2.適用于燃燒過程中微細顆粒物對汞、砷、鎘、鉛、鋅等有毒重金屬元素富集特性的研究。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0019]圖1為研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法示意圖。圖中(a)所示的火焰采樣點網格根據溫度分布曲線進行設置。圖中(b)所示反擴散火焰燃燒器由3層同心管組成，外層通以氮氣，中間層通以燃料、預研究的重金屬元素和載氣，內層通以氧化劑。采樣器為套管式水冷采樣器，與ELP1、Anderson等級聯式粒子撞擊器相連接，尾部真空泵提供采樣動力。采樣器的采樣位置由三維移動平臺精確定位。
[0020]具體實施過程:
[0021]1.打開氣體燃料的氣源，微量供以燃料，同時打開氧化劑氣源，點火形成小火焰后，打開保護氣氮氣的氣源。
[0022]2.逐漸調節氣體燃料、氧化劑流量和氮氣流量至給定值，形成穩定燃燒的火焰，并伴隨大量炭黑粒子釋放出來。[0023]3.開啟微量供入設備(如汞蒸氣發生器)，調整預摻入的重金屬元素的給定量，打開載氣氣源，將微量重金屬元素挾帶至燃燒火焰中。
[0024]4.調整三維移動平臺，將采樣器精確定位于預采樣點進行采樣。
[0025]5.對級聯式粒子撞擊器的濾膜分級稱重，并檢測各級濾膜樣品中所研究的重金屬元素的含量。
[0026]6.如步驟4、5所述，調整三維移動平臺在預設的所有采樣點處分別采樣并進行分級稱重和含量測定。
[0027]7.總結和揭示燃燒過程中微細顆粒物對所研究重金屬元素的富集特性及規律。
【權利要求】
1.一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，包括以下內容: (1)以甲烷(或乙烯)為燃料、氧氣(或空氣)為氧化劑、氮氣為保護氣在反擴散火焰燃燒器中形成穩定燃燒的火焰，并向外釋放大量的亞微米級微細炭黑顆粒。 (2)調節燃料、空氣、氮氣的流量，測量并得到預期的、合理的火焰溫度分布。 (3)以氮氣為載氣，將所研究的重金屬元素以蒸氣或溶液形式定量供入反擴散火焰中參與燃燒過程。并根據需要，調節重金屬元素的微量摻入濃度。
2.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，沿燃燒火焰軸向選擇并設置合適的采樣點，進行燃燒過程中微細顆粒物的在線采樣。
3.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，通過確定的燃料流量、氧化劑流量、氮氣流量獲得固定高度的穩定燃燒火焰、火焰溫度分布以及炭黑顆粒的釋放量，再通過精確定量預研究重金屬元素的摻入濃度，能夠在同一采樣點處采集得到具有相同理化性質的富集有重金屬元素的炭黑粒子，重復性好。
4.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，樣品的采集采用套管水冷式采樣器采樣，以停止炭黑顆粒在采樣器內繼續燃燒以及與汞等重金屬元素的表面反應，保留其在燃燒火焰中的狀態。采集的樣品(以汞為例)通過濾膜分級稱重以及采用冷蒸氣原子吸收光譜法(CVAAS)、中子活化分析法(INAA)等方法對其富集的汞的含量進行測定。
5.根據權利要求4所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，對不同采樣點(即不同燃燒溫度及燃燒歷程)下的微細炭黑顆粒物樣品進行比較和分析，可研究燃燒過程中微細顆粒物富集汞等重金屬元素的特性及規律。
6.根據權利要求1所述的一種研究燃燒過程中微細顆粒物富集重金屬元素的方法，其特征在于，同樣適用于燃燒過程中微細顆粒物富集砷、鎘、鉛、鋅等其他痕量重金屬元素的研究。
【文檔編號】G01N5/02GK103592196SQ201310171438
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年3月22日 優先權日:2013年3月22日
【發明者】呂建燚 申請人:華北電力大學（保定）