本发明涉及黑碳制备和纯化装置，具体属于一种供室内研究使用的固液两用燃料燃烧制备黑碳并的装置。
背景技术：
一般认为，黑碳气溶胶是由化石燃料和生物质等含碳物质不完全燃烧所产生的细小颗粒物，粒径在0.01μm-1μm之间，是大气是pm2.5的重要组成部分。
黑碳在我国排放量大，可造成能见度降低，促进灰霾天气形成，并在大气输送过程中吸附有机物、重金属和二次污染物等影响大气组成和大气化学过程，同时，其本身或其表面吸附的污染物可引发呼吸系统、心血管以及其它疾病的发生，对人体健康带来不利影响。
目前对黑碳研究主要来自室外采样研究，对实验室燃烧多种燃料获得黑碳的研究报道较少，现有的黑碳制备方法大多操作麻烦或获取黑碳的方法与现实脱节，且黑碳来源单一，对不同状态燃料尤其是日常生活常见燃料燃烧产生黑碳的研究分析存在较大局限性。另外，有关实验室通过燃烧制备黑碳后立即纯化获得新鲜黑碳的研究手段报道不多，不能满足研究工作者的科研需求。
技术实现要素：
为了更好地研究不同来源黑碳的理化性质以及获取较纯净黑碳的技术，并能在实验室模拟自然界不同燃料黑碳的制备，通过对其纯化产生需要的黑碳颗粒，为开展其在大气中转化过程和毒理学研究奠定基础。
本发明提供一种黑碳制备装置及制备方法，以实现在室内尤其是实验室内研究不同来源黑碳的产生并获取纯化黑碳。
本发明的技术方案是：
一种黑碳制备装置，包括燃料燃烧装置、纯化系统、尾气处理装置和电控自动化系统；所述燃料燃烧装置包括液体燃料燃烧装置和固体燃料燃烧装置，液体燃料燃烧装置通过耐温保温管与固体燃料燃烧装置连接；所述的液体燃料燃烧装置由燃油机及设置在燃油机外部的耐高温防火隔板组成；固体燃料燃烧装置由管式电阻炉及顶部安装的温度控制器组成；所述纯化系统包括旋风除尘器、粗粒过滤器、纯化管和储气箱，旋风除尘器连接粗粒过滤器且安装有灰斗，粗粒过滤器连接纯化管，纯化管连接储气箱，储气箱连接；所述储气箱内部设置温度传感器，上面安装带有液晶屏的直读式黑碳浓度测量仪，侧面设有采样孔；所述电控自动化系统包括供电电源、可编程控制器，可编程控制器通过导线与烟气浓度传感器、黑碳浓度测量仪、引风机连接；出气口连接尾气处理瓶，尾部连接引风机。
进一步作为本发明技术方案的改进，固体燃烧装置采用管式电阻炉，其外壳采用钢板圈焊而成，外表静电喷涂，炉膛采用耐高温的碳化硅材料制成，加热元件为铁铬铝合金丝，保温材料为优质陶瓷纤维，管式电阻炉炉膛尺寸（mm）φ60×2000，温度范围为室温～1000℃。管式电阻炉与可编程逻控制辑器相连，智能pid控制，可设多段升温保温曲线。
进一步作为本发明技术方案的改进，燃料燃烧装置共有三种燃烧方式：（1）.运行液体燃料燃烧装置（燃油机）而不运行固体燃料燃烧装置（管式电阻炉），此时模拟液体燃料燃烧；（2）.运行固体燃料燃烧装置而不运行液体燃料燃烧装置，此时模拟固体燃料燃烧；（3）.运行液体燃料燃烧装置同时运行固体燃料燃烧装置，固体燃料、液体燃料两者共同燃烧。
所述的液体燃料包括汽油、柴油；
所述的固体燃料包括煤炭、秸秆、树枝；
进一步作为本发明技术方案的改进，旋风除尘器处理粒径大于5um的颗粒，对焚烧后的烟气进行初步除尘，除尘效率大于80%，。
所述旋风除尘器由集尘圆筒、倒锥和排气风管组成，旋风除尘器的进口流速12-22m/s，外形尺寸为φ300×870（筒体×高，单位mm）。
进一步作为本发明技术方案的改进，粗粒过滤器由骨架、布袋组成。骨架由外表镀锌的8根筋（l=500mm）和7个圆环（φ=95mm）组成，其外部为玻璃纤维布袋（φ=100mm，l=550mm），过滤精度0.5-150μm，布袋上方具有吊钩方便滤袋的取用更换；布袋由圆柱外套φ=180mm，l=850mm罩起保护，其左右分别为过滤器进出口，其上法兰φ=95mm，底部有螺纹可拧开。
进一步作为本发明技术方案的改进，纯化管内部间隔涂覆有机和无机气体的吸收材料，且外形为连环葫芦形，大口径φ=100mm，小口径φ=50mm，目的是增大气体与吸收材料的接触面积，延长作用时间。
进一步作为本发明技术方案的改进，储气箱内部设置有温度传感器，用于箱内温度的测定，上方安装带有液晶屏的直读式黑碳浓度测量仪；储气箱侧面凸出，设有颗粒物采样孔，连接管道通向采样器直接采样分析。
进一步作为本发明技术方案的改进，尾气处理瓶内装有初效过滤网、蜂窝型活性炭滤芯、hepa滤网，并能通过瓶身上方的插入口随时替换。
进一步作为本发明技术方案的改进，储气箱和各连接管道均采用保温材料制成，储气箱和各连接管道均可拆卸。
进一步作为本发明技术方案的改进，可编程控制器的构建为电子领域公知技术，包括储存器、运算芯片，并可以进行编程，它实现了对整个系统监视控制功能，提高了系统控制的可靠性。
进一步作为本发明技术方案的改进，可编程控制器，与温度控制器、温度传感器进行通讯连接，温度传感器及时向可编程控制器反馈储气箱内温度信息，由可编程控制器发出命令使温度控制器调节控制燃烧温度，
燃烧温度的具体调节方式为：
a.若实际温度小于理想预设温度t0（例如汽油、柴油、块煤、秸秆、树枝理想预设温度t0分别是1200℃、1200℃、800℃、400℃、400℃），控制系统命令使温度控制器选择为升温，此时提示研究者该时刻样品不宜采集，并将气体过滤后排放，不在储气箱中保留。
b.若温度介于t0和实验设备理论极限温度t1之间，温度控制器自动选择为降温，达到预设温度之后提示研究者该时刻采集样品，此时样品可在储气箱中暂时储存。需要说明，若对采集烟气温度有要求还需对进行冷却考虑。
此外，可编程控制器接受黑碳浓度测量仪的信号并将实时浓度c与浓度预设值c0比较，然后根据比较结果发出控制命令反馈至引风机控制其转速，进而控制空气供应量以调节燃料的燃烧程度，具体调节方式：
a.若实时浓度c小于浓度预设值c0，可编程控制器接受黑碳浓度测量仪的信号控制系统命令使引风机转速提高为燃料燃烧提供较足的空气，同时研究者应根据实际情况适当添加燃料以促进产生较高浓度的烟气。
b.若实时浓度c大于浓度预设值c0，可编程控制器接受黑碳浓度测量仪的信号控制系统命令使引风机转速减小，同时研究者应根据实际情况人工配合适当调节温度抑制烟气产生。
本发明具有如下优点：
1）本发明设计简单，各部件容易更换，模拟过程可控，装置体积小易拆分，便于放置，适于室内特别是科研工作实验室内的使用。
2）本发明适用于不同状态燃料产生黑碳的研究，既可以分别模拟固体、液体燃料燃烧产生黑碳又可以实现固体、液体共同燃烧产生黑碳的研究。
3）本发明采用可编程自动反馈系统对实验条件进行控制，将黑碳的产生及后续纯化操作一体化、自动化，极大方便了科研工作者对黑碳颗粒物的采集研究。
4）本发明设有颗粒物采样孔，可以连接不同孔径的管道以连接采样器直接采样分析。
5）本发明可以很好地模拟不同燃料燃烧产生并纯化得到黑碳，对研究不同来源黑碳的理化性质及对黑碳的实验室精确研究提供了一种手段。
附图说明
图1是本发明中黑碳制备装置的结构示意图。
图2是本发明自动反馈控制原理示意图。
图中，1-可编程控制器，2-燃油机，3-管式电阻炉，4-温度控制器，5-温度传感器，6-旋风除尘器，7-灰斗，8-粗粒过滤器，9-纯化管，10-储气箱，11-采样孔，12-过滤瓶，13-引风机。
具体实施方式
图1所示，一种黑碳制备装置，包括燃料燃烧装置、纯化系统、尾气处理装置和电控自动化系统；所述燃料燃烧装置包括液体燃料燃烧装置和固体燃料燃烧装置，液体燃料燃烧装置通过耐温保温管与固体燃料燃烧装置连接；所述的液体燃料燃烧装置由燃油机2及设置在燃油机外部的耐高温防火隔板组成；固体燃料燃烧装置由管式电阻炉3及顶部安装的温度控制器4组成；所述纯化系统包括旋风除尘器6、粗粒过滤器8、纯化管9和储气箱10，旋风除尘器上部连接粗粒过滤器且，旋风除尘器底部安装有灰斗7，粗粒过滤器连接纯化管，纯化管连接储气箱，储气箱连接；所述储气箱内部设置温度传感器5，上面安装带有液晶屏的直读式黑碳浓度测量仪，侧面设有采样孔11；所述电控自动化系统包括供电电源、可编程控制器1，可编程控制器通过导线与烟气浓度传感器、黑碳浓度测量仪、引风机13连接；出气口连接尾气过滤瓶12，尾部连接引风机。
管式电阻炉顶部安装的温度控制器，对炉内温度进行控制，当固体燃料装置未有燃料燃烧时对烟气进行温度调节；纯化系统的气体经过-旋风除尘器进行初步筛选后粗尘进入灰斗，气体进入粗粒过滤器过滤，后由纯化管进一步纯化，最后流入储气箱；储气箱设置的温度传感器和液晶屏的直读式黑碳浓度测量仪实时监测黑碳浓度；侧面的采样孔，用于连接不同孔径的管道通向采样器直接采样分析；
电控自动化系统集中反馈、集中控制实现了对整个系统监视；出气口连接尾气处理瓶过滤防止污染空气，尾部连接电动引风机，其为整个装置系统提供动力。
本发明通过燃烧液体、固体获得碳烟，碳烟经过纯化系统多级纯化去除碳烟中的杂质，达到获取较纯净黑碳的目的。
一种黑碳制备方法，包括如下内容：
1）首先启动引风机并调节转速抽气一段时间，抽空燃料燃烧装置内的残留气体；打开可编程控制器进行编程输入黑碳浓度预设值c0、温度预设值t0和理论极限温度t1。
2）点燃燃料燃烧装置产生碳烟（点燃液体燃料装置或固体燃料装置或液体燃料装置和固体燃料装置同时点燃），此时黑碳浓度测量仪和温度传感器自动反馈信息至可编程控制器，由其自行判断并发送调节信号；
3）碳烟在旋风除尘器中由于颗粒物间质量存在差异，在离心力的作用下大颗粒物落入灰斗，小颗粒由上方出口流出到粗粒过滤器，气体在粗粒过滤器中被玻璃纤维布袋拦截，载有细小颗粒（此处指粒径＜1μm）的气体由过滤器出口流出，而粒径较大的颗粒则被拦截在布袋滤孔以外，通过人工振动滤布沉淀到过滤器底部。
4）气体在纯化管中经过多级吸收去除掉大部分有机和无机气体，进一步纯化黑碳，最终载有黑碳的气体流入储气箱。通过直读式黑碳浓度测量仪可实时监测储气箱内黑碳的浓度，通过可编程控制器记录温度；同时研究者可根据实际需求打开采样孔连接大气单颗粒采样器来采集制得的黑碳颗粒物；
5）未被利用的黑碳随气体进入尾气处理瓶被吸附至特质滤芯上，研究者通过定时更换瓶内滤芯防止堵塞。
6）使用完毕以后各设备的关闭顺序与开机顺序相反。若短时间内不再进行相关研究，应将设备间连接管道拆除将设备清洁后放置保存。