一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法
【专利摘要】本发明属于安全与清洁能源利用领域，具体涉及一种采用反扩散火焰研究燃烧过程中微细颗粒物富集痕量重金属元素的方法。采用反扩散火焰燃烧器产生稳定燃烧的火焰，重金属元素以蒸气或溶液形式由氮气作为载气微量通入燃烧器参与燃烧过程，气体燃料在反扩散燃烧过程中生成的炭黑微细颗粒物会富集掺入的重金属元素，并向火焰外缘方向释放。沿火焰轴向设置不同的点采集炭黑颗粒物，采集的样品(以汞为例)通过滤膜分级称重以及汞元素定量分析，可得到沿火焰高度不同采样点处炭黑微细颗粒物富集汞的含量，即可对燃烧过程中微细颗粒物富集汞元素的规律和机理进行研究。此方法同样适于燃烧过程中微细颗粒物富集砷、镉、铅、锌等其他痕量重金属元素的研究。
【专利说明】一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于安全与清洁能源利用领域，具体涉及一种采用反扩散火焰研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法。
【背景技术】
[0002]研究表明，在煤粉燃烧过程中，汞、砷、硒、镉、铅、锌等重金属元素会发生迁移和转化，经过复杂的物理化学作用之后，在不同粒径的飞灰颗粒物中重新再分配，从而在粒径大小不同的飞灰颗粒中表现出不同的富集特性。而其中粒径较小的微细颗粒物吸附和富集痕量重金属元素的能力更强，成为有毒有害物质的反应体和载体。并且这部分颗粒极易逃逸除尘设备进入大气，经呼吸进入人体后，可至肺泡甚至进入血液，参与血液循环，将有毒元素输送至人体各组织和细胞，提高人类的致病率和死亡率。因而富集有重金属元素的微细颗粒物的排放及控制一直备受国际能源与环境领域的关注。
[0003]目前国内外对微细颗粒物富集重金属元素的研究，绝大多数集中于对煤粉燃烧后的灰颗粒物采样分析，研究重金属元素在不同粒径颗粒物上的富集规律和赋存形态。但鲜有从燃烧火焰中直接采样和检测、分析重金属元素化学形态转化及再分配后富集于微细颗粒物的过程与机理的研究。究其缘由，主要是因为无论是现场还是实验室设备，都很难在煤粉燃烧的火焰中直接采样对痕量重金属元素的燃烧产物进行分析，因此无法准确获得重金属元素在燃烧火焰中的形态转化及富集于微细颗粒物的过程。
[0004]为了克服燃煤系统在火焰中直接采样、在线检测操作性差的弊端，本发明提供了一种采用反扩散火焰研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法。采用反扩散火焰燃烧器产生稳定燃烧的火焰，并向外释放大量的炭黑微细颗粒。以氮气作为载气，将预研究的重金属元素以蒸气或溶液形式定量挟带至燃烧器参与燃烧过程，炭黑微细颗粒在生成和向外释放的过程中富集重金属元素，沿火焰轴向设置不同的采样点，采用套管式水冷采样器连接级联式粒子撞击器(如ELP1、Anderson等)采集炭黑颗粒物，然后通过检测仪器对其富集的重金属元素的含量进行测定，分析不同火焰高度采样点处的样品，就可以对燃烧过程中微细颗粒物富集所研究的重金属元素的规律和机理进行研究。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法。主要内容包括:
[0006]1.一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，包括以下内容:
[0007](I)以甲烷(或乙烯)为燃料、氧气(或空气)为氧化剂、氮气为保护气在反扩散火焰燃烧器中形成稳定燃烧的火焰，并向外释放大量的亚微米级微细炭黑颗粒。
[0008](2)调节燃料、空气、氮气的流量，测量并得到预期的、合理的火焰温度分布。
[0009](3)以氮气为载气，将所研究的重金属元素以蒸气或溶液形式定量供入反扩散火焰中参与燃烧过程。并根据需要，调节重金属元素的微量掺入浓度。
[0010]2.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，沿燃烧火焰轴向选择并设置合适的采样点，进行燃烧过程中微细颗粒物的在线采样；
[0011]3.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，通过确定的燃料流量、氧化剂流量、氮气流量获得固定高度的稳定燃烧火焰、火焰温度分布以及炭黑颗粒的释放量，再通过精确定量预研究重金属元素的掺入浓度，能够在同一采样点处采集得到具有相同理化性质的富集有重金属元素的炭黑粒子，重复性好。
[0012]4.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，样品的采集采用套管水冷式采样器采样，以停止炭黑颗粒在采样器内继续燃烧以及与汞等重金属元素的表面反应，保留其在燃烧火焰中的状态。采集的样品(以汞为例)通过滤膜分级称重以及采用冷蒸气原子吸收光谱法(CVAAS)、中子活化分析法(INAA)等方法对其富集的汞的含量进行测定。
[0013]5.根据权利要求4所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，对不同采样点(即不同燃烧温度及燃烧历程)下的微细炭黑颗粒物样品进行比较和分析，可研究燃烧过程中微细颗粒物富集汞等重金属元素的特性及规律。
[0014]6.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，同样适用于燃烧过程中微细颗粒物富集砷、镉、铅、锌等其他痕量重金属元素的研究。
[0015]有益效果:
[0016]本发明有以下创新点和优点:
[0017]1.采用反扩散火焰研究燃烧过程中微细颗粒物对重金属元素的富集特性，克服了锅炉燃烧过程中在线采样难的困难，解决了不能在燃烧过程中研究微细颗粒物对重金属元素富集特性进行研究的困难。
[0018]2.适用于燃烧过程中微细颗粒物对汞、砷、镉、铅、锌等有毒重金属元素富集特性的研究。
【专利附图】
【附图说明】:
[0019]图1为研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法示意图。图中(a)所示的火焰采样点网格根据温度分布曲线进行设置。图中(b)所示反扩散火焰燃烧器由3层同心管组成，外层通以氮气，中间层通以燃料、预研究的重金属元素和载气，内层通以氧化剂。采样器为套管式水冷采样器，与ELP1、Anderson等级联式粒子撞击器相连接，尾部真空泵提供采样动力。采样器的采样位置由三维移动平台精确定位。
[0020]具体实施过程:
[0021]1.打开气体燃料的气源，微量供以燃料，同时打开氧化剂气源，点火形成小火焰后，打开保护气氮气的气源。
[0022]2.逐渐调节气体燃料、氧化剂流量和氮气流量至给定值，形成稳定燃烧的火焰，并伴随大量炭黑粒子释放出来。[0023]3.开启微量供入设备(如汞蒸气发生器)，调整预掺入的重金属元素的给定量，打开载气气源，将微量重金属元素挟带至燃烧火焰中。
[0024]4.调整三维移动平台，将采样器精确定位于预采样点进行采样。
[0025]5.对级联式粒子撞击器的滤膜分级称重，并检测各级滤膜样品中所研究的重金属元素的含量。
[0026]6.如步骤4、5所述，调整三维移动平台在预设的所有采样点处分别采样并进行分级称重和含量测定。
[0027]7.总结和揭示燃烧过程中微细颗粒物对所研究重金属元素的富集特性及规律。
【权利要求】
1.一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，包括以下内容: (1)以甲烷(或乙烯)为燃料、氧气(或空气)为氧化剂、氮气为保护气在反扩散火焰燃烧器中形成稳定燃烧的火焰，并向外释放大量的亚微米级微细炭黑颗粒。 (2)调节燃料、空气、氮气的流量，测量并得到预期的、合理的火焰温度分布。 (3)以氮气为载气，将所研究的重金属元素以蒸气或溶液形式定量供入反扩散火焰中参与燃烧过程。并根据需要，调节重金属元素的微量掺入浓度。
2.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，沿燃烧火焰轴向选择并设置合适的采样点，进行燃烧过程中微细颗粒物的在线采样。
3.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，通过确定的燃料流量、氧化剂流量、氮气流量获得固定高度的稳定燃烧火焰、火焰温度分布以及炭黑颗粒的释放量，再通过精确定量预研究重金属元素的掺入浓度，能够在同一采样点处采集得到具有相同理化性质的富集有重金属元素的炭黑粒子，重复性好。
4.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，样品的采集采用套管水冷式采样器采样，以停止炭黑颗粒在采样器内继续燃烧以及与汞等重金属元素的表面反应，保留其在燃烧火焰中的状态。采集的样品(以汞为例)通过滤膜分级称重以及采用冷蒸气原子吸收光谱法(CVAAS)、中子活化分析法(INAA)等方法对其富集的汞的含量进行测定。
5.根据权利要求4所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，对不同采样点(即不同燃烧温度及燃烧历程)下的微细炭黑颗粒物样品进行比较和分析，可研究燃烧过程中微细颗粒物富集汞等重金属元素的特性及规律。
6.根据权利要求1所述的一种研究燃烧过程中微细颗粒物富集重金属元素的方法，其特征在于，同样适用于燃烧过程中微细颗粒物富集砷、镉、铅、锌等其他痕量重金属元素的研究。
【文档编号】G01N5/02GK103592196SQ201310171438
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】吕建燚 申请人:华北电力大学（保定）