石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法转让专利
申请号 : CN202010404350.X
文献号 : CN111521449B
文献日 : 2021-12-17
发明人 : 骆仲泱 , 唐宇星 , 余春江 , 方梦祥 , 王勤辉
申请人 : 浙江大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种石墨化装置,其特征在于,具有储存工业现场排放的烟气样品的样品管,所述烟气样品中的CO2和CO在所述样品管内被还原为石墨,还原得到的所述石墨被输送至质谱检测装置进行碳‑14丰度测量;所述样品管设置有:进气口,供所述烟气样品通入所述样品管;以及排气口,供所述烟气样品自所述样品管排出;
所述石墨化装置能够通过所述进气口和所述排气口的开闭实现洗气与采样,并在正压环境下制样,
所述样品管包括:
上段样品管,设置有冷阱,以用于捕获还原反应产生的水蒸气;
中段样品管,内部设置有所述药剂管,用于盛装CO催化还原所需的药剂粉末,所述进气口与所述排气口均设置于所述中段样品管;以及下段样品管,用于盛装CO2催化还原所需的药剂粉末即TiH2与Zn的混合粉末;
其中,所述上段样品管和下段样品管连接于中段样品管的上、下两端,并可自由拆卸更换。
2.如权利要求1所述的石墨化装置,其特征在于,还包括包围所述样品管的温度控制装置,所述温度控制装置具备以分别包围所述上段样品管、所述中段样品管以及所述下段样品管的方式设置且能够分别独立控温的上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置。
3.如权利要求1所述的石墨化装置,其特征在于,还包括形成有若干独立控温的槽的温度控制装置,所述样品管形成若干且分别收容于各个所述槽。
4.一种采样制样系统,其特征在于,包括:收集管路,收集混燃电站中产生的烟气样品;
如权利要求1‑3中任一项所述的石墨化装置,与所述收集管路相连接,并能够将所述烟气样品中的CO2和CO转化为石墨,以及烟气样品净化装置,连接于所述收集管路与所述石墨化装置之间,能够滤除所述烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种,烟气样品分析装置,与所述烟气样品净化装置相连接,用于测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度。
5.如权利要求4所述的采样制样系统,其特征在于,所述烟气样品净化装置包括:前滤尘器,用于过滤烟气样品中的颗粒物;
腐蚀性气体捕集器,用于捕集烟气样品中的腐蚀性气体;
干燥器,用于去除烟气样品中的水蒸气;以及后滤尘器,用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。
6.一种采样制样方法,应用于权利要求4或5所述的采样制样系统,其特征在于,包括如下步骤:
收集步骤:收集混燃电站产生的烟气样品;
烟气样品净化步骤:滤除所述烟气样品中的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种;以及
采样制样步骤:将经所述烟气样品净化步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨,在所述烟气样品净化步骤之后、所述制样步骤之前,还具备:烟气样品分析步骤,测量经净化后的所述烟气样品中CO2和CO的浓度;以及调整步骤,根据所述烟气样品分析步骤的测量结果,调整要在所述采样制样步骤中使用的药剂的量。
说明书 :
石墨化装置、采样制样系统以及采样制样方法
技术领域
背景技术
式。这种燃烧方式不仅能提高生物质燃料的发电效率,还能节省下生物质直燃电站的基建
的投资费用,是一种高效且环保的能源获取方法。
被广泛利用。碳‑14( C)是碳元素的一种具放射性的同位素,于1940年2月27日由加州大学
伯克利分校放射性实验室的马丁·卡门和萨姆·鲁本发现。
于地底,所以其含有的碳‑14几乎为零。因此通过测量混合燃烧煤与生物质的混燃电站的锅
炉烟气中二氧化碳含有的碳‑14丰度数据,就能知道该电站燃烧燃料中是否掺混了生物质
燃料,以及掺混生物质燃料的比例。
测应用的情况不同,生物质燃料供应受季节变化和收集半径的影响,在国内,混燃电站掺混
生物质的比例可能难以超过5%。在低掺混比时,加速器质谱法是最精确的碳‑14丰度检测
方法,样品需先被转化成石墨,才能进行测试。
相对,制样步骤则在专业碳‑14实验室完成,接收到从混燃电站运送来的采集样品后,在实
验室的高真空环境管路中进行制样(石墨样品制备),之后进行上机测试,从而得到碳‑14丰
度的相关数据。这一采样制样流程不仅花费的时间长,而且捕集到的二氧化碳在碱性吸收
剂捕集前后的保存期内还难免受到大气二氧化碳的污染,使得烟气样品碳‑14丰度测试结
果产生偏差。
发明内容
度,从而计算出生物质的掺混比。
通入样品管;以及排气口,供烟气样品自样品管排出;其中,石墨化装置能够通过进气口和
排气口的开闭实现洗气与采样,样品管储存的烟气样品中的CO2和CO最终在正压环境下被
转化为石墨。
气口和排气口均打开时,自进气口通入烟气样品,能够对样品管进行洗气,经洗气的样品管
中空气或其它杂质气体成分被排除,减少了现代碳对石墨样的影响;当洗气完成后,关闭进
气口和排气口以完成烟气样品的采样。
案电站捕集的CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题,提高了烟气样品中碳‑14
丰度的检测结果的准确度。本发明所提供的技术方案不再依赖传统技术方案中必备的高真
空泵机组,结构简单,降低了采样制样系统的制造成本。
于捕获还原反应产生的水蒸气;中段样品管,内部设置有药剂管;以及下段样品管,用于盛
装CO2催化还原所需的药剂粉末;其中,上段样品管和下段样品管连接于中段样品管的上、
下两端,并可自由拆卸更换。
拆卸更换,便于下段样品管的清理与拆换。从整体上来说,上、中、下段样品管分段连接,样
品管的拆换安装十分快捷方便。
控温的上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置。
生成石墨。另外,上段温度控制装置、中段温度控制装置以及下段温度控制装置能够分别独
立控温,可以根据样品管不同的部位的需要提供相匹配的温度条件。
来实现长时间连续地采样制样。
CO转化为石墨,以及烟气样品净化装置,连接于收集管路与石墨化装置之间,能够滤除所述
烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种。
差。
的时间成本。此外,烟气样品在正压下直接石墨化,不再依赖传统技术方案中必备的高真空
泵机组,结构简单,降低了采样制样系统的制造成本,还实现了本领域内采样制样系统的小
型化及便携化。另外,本发明所提供技术方案无需储备碱性吸收剂来捕集烟气中的CO2,解
决了传统技术方案电站捕集的CO2样品在保存和转运过程中容易受到污染的问题,提高了
烟气样品中碳‑14丰度的检测结果的准确度。
浓度也可以作为石墨化装置中药剂初始放置量或变更量的参考,避免药剂量不足或过多而
导致石墨的转化效率偏低。
烟气样品中的水蒸气;以及后滤尘器,用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。
样品净化装置净化后,对还原反应有抑制作用的杂质气体大部分被除去,提高了送入石墨
化装置内的CO2和CO气体浓度,并提高了还原反应的石墨转化率,进一步地减小碳‑14丰度
的检测误差。
实现;另外,在采样制样步骤中,由于本发明直接把净化后的烟气样品中的碳元素转化为石
墨化,省去了现有技术中对CO2捕集再释放的过程,不仅更为简便,而且避免CO2样品在保存
和转运过程中容易受到污染的问题,提高了烟气样品中碳‑14丰度的检测结果的准确度。
始放置量或变更量的参考,避免药剂量不足或过多导致石墨的转化效率偏低。
附图说明
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
化装置2之间,能够滤除烟气样品中的颗粒物、腐蚀性气体以及水蒸气中的一种或多种;烟
气样品分析装置4,与烟气样品净化装置3相连接,能够测量经净化后的所述烟气样品中CO2
和CO的浓度;抽气装置5,用于提供使烟气样品在系统管路内流动的动力。
作用的杂质气体大部分被除去,提高了送入石墨化装置2内的CO2和CO气体浓度,并提高了
还原反应的石墨转化率,具体而言,如图3所示,烟气样品净化装置3包括:前滤尘器31、腐蚀
性气体捕集器32、干燥器33以及后滤尘器34。前滤尘器31用于过滤烟气样品中的颗粒物;腐
蚀性气体捕集器32用于捕集烟气样品中的腐蚀性气体;干燥器33用于去除烟气样品中的水
蒸气;后滤尘器34用于进一步过滤烟气样品中的颗粒物。其中,后滤尘器34可以采用HEPA滤
网以提高过滤效果。当然,烟气样品净化装置3也可以选择性地包括前滤尘器、腐蚀性气体
捕集器、干燥器以及后滤尘器中的一种或几种。
装置2的具体构成和操作步骤在下面进行详细说明。
采用现有的烟气分析仪以及质量流量控制器。另外,根据不同的需要,烟气样品分析装置4
也可以设置石墨化装置2的下游、即设置在石墨化装置2与抽气装置5之间。需要说明的是:
烟气样品分析装置4利用旁通的方式支路连接在烟气样品净化装置3与石墨化装置2之间。
装置2并进行洗气,以实现在正压环境下制样,无需设置提供真空条件的真空泵机组,结构
更为简化,使得采样制样系统得以小型化。另外,由于省去了将烟气样品中的CO2捕集以及
保存的环节,解决了捕集后的样品CO2在保存过程中容易受到污染的问题,保证烟气样品中
碳‑14的丰度的测量结果更为准确。
的颗粒物、水以及腐蚀性气体中的一种或多种;以及采样制样步骤:将经所述烟气样品净化
步骤净化的烟气样品中的CO2和CO还原为石墨。
骤中采集的目标物为烟气样品,因此采样步骤更为简单且易于实现。
为石墨,省去了传统技术方案中对CO2捕集再释放的过程,不仅更为简便,而且避免CO2样品
在保存和转运过程中容易受到污染的问题,提高了烟气样品中碳‑14丰度的检测结果的准
确度。
谱检测装置并无特别限制,优选使用加速器质谱仪。
步骤,根据烟气样品分析步骤的测量结果,调整要在采样制样步骤中使用的药剂的量。获取
烟气样品中CO2和CO的浓度,一方面能用于计算石墨化装置中石墨的转化效率;另一方面,
烟气样品中CO2和CO的浓度也可以作为石墨化过程中药剂初始放置量或者变更量的参考,
避免药剂量不足或过多而导致石墨的转化效率偏低。调整步骤的执行主体没有特别限制,
可以利用与石墨化装置2通信连接的控制单元进行,控制单元的设置位置没有特别限制。调
整步骤中的调整方式也没有特别限制,例如可以与药剂的供给机构相联动而调整还原物质
的量。
长方体或者圆柱体的样品管21更便于拆分与安装。
剂粉末(本实施方案中优选Fe粉末),考虑到药剂管214的记忆效应,药剂管214不推荐重复
使用,可以选用玻璃材料以减少使用成本;下段样品管213用于盛装CO2催化还原所需的药
剂粉末(本实施方案中优选TiH2和Zn的混合粉末)。
段样品管213的清理与拆换。分段的样品管21在组装时可采用螺接密封,从而提高样品管组
合后的密封效果。只要能够使得烟气样品中的CO2、CO高效地被催化还原为石墨,则药剂管
214与下段样品管213中的药剂没有特殊限制。
口2121可以使用设置有阀门2123的管路与收集管路1接通,排气口2122可以使用设置有阀
门2124的管路将通入样品管21中的气体排出。通过控制上述管路上阀门2123和阀门2124的
开闭可以实现石墨化装置2的采样与洗气。
于下段样品管213外部。上段温度控制装置221、中段温度控制装置222以及下段温度控制装
置223的控温系统相互独立。中段温度控制装置222和下段温度控制装置223可以选用可编
程调控的电阻炉,以提供石墨化反应所需要的可变高温温度。上段温度控制装置221可以选
用半导体制冷片,以提供上段样品管211捕集样品烟气石墨化反应中产生水蒸气所需要的
低温环节。
实现长时间连续地采样制样。
CO2和CO进行还原反应提供温度条件。
传感器23可以更好地监测样品管21内的压力、温度或湿度,进而方便监控石墨化反应的进
程。
213紧密连接后,样品管21内形成密闭环境,安装好温度控制装置22,将中段温度控制装置
222和下段温度控制装置223的温度提升至300℃并保持1小时。
间,由于上述准备步骤期间样品管21形成密闭环境,阀门2123和阀门2124打开状态下,烟气
样品可以经管路从进气口2121进入中段样品管212内,进而扩散到样品管21的其余部位,烟
气样品经排气口2122从样品管21排出至与排气口2122相连的收集装置或空气中,通过关闭
阀门2123和阀门2124而控制洗气时间;
墨,上段样品管211的温度保持在‑20℃以捕集石墨化过程中产生的水蒸气。制样步骤中得
到的石墨样品被从样品管21取出并送往质谱检测装置测试。
的催化作用下烟气样品中CO2被还原为CO。
下被还原成石墨并依附在Fe粉上。
墨化反应产生抑制,上段样品管211的温度保持在‑20℃,能够捕捉反应中产生的水蒸气。
理7小时。预处理步骤中对药剂和样品管21进行高温处理,可以避免有机碳或单质杂质的污
染。