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一种碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置及碳烟生成方法

2021-01-28 22:19:33

一种碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置及碳烟生成方法

  技术领域

  本发明属于燃料热解特性研究技术领域,具体涉及一种碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置及碳烟生成方法。

  背景技术

  能源问题和环境问题是目前世界亟需解决的两大重要问题。目前,化石燃料(煤、石油、天然气)是人类生产生活的主要能源。随着全球能源使用总量的增长,能源的不合理使用以及能源利用率低,化石能源等不可再生能源濒临枯竭。与此同时,化石能源的开发利用对环境产生的影响也日趋凸显,其生产和利用无论对大气污染、酸雨、森林减少等区域问题,还是气候变化、臭氧层损耗等全球问题来说,都是最主要的影响因素。有研究表明,由化石能源不完全燃烧所产生的碳烟颗粒极大程度上加剧了温室效应的恶化,其贡献度仅次于二氧化碳,位列第二。而且,这些高度碳化的极细小的碳烟颗粒非常容易被吸入人体,从而对人类健康造成严重危害。尽管三大化石燃料——煤、石油、天然气在未来依然占据世界能源结构的主导地位,可再生能源和清洁能源的占比在不断加大。中国的能源蕴藏量位居世界前列,同时也是世界第二大能源生产国与消费国。随着我国经济的飞速发展,在各项建设方面上有突出成就,也暴露出了很多严重的资源和环境问题。中国未来生态环境趋势非常严峻。解决我国的能源环境问题,根本出路是坚持开发新技术,加速可再生能源和清洁能源的开发和利用,大力推进节能减排,高效利用能源,其中开发和利用清洁能源和可再生能源是重中之重。

  生物质能是当前全球第四大可再生能源,被认为是未来最具有潜力的替代能源,可转化为生物燃料提供动力。生物燃料可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。根据生产技术的不同,生物燃料可以分为第一代生物燃料,第二代生物燃料和第三代生物燃料。第一代生物燃料主要通过淀粉、谷物等发酵和动植物油的酯交换获得生物乙醇等。第二代生物燃料主要通过对非粮作物,农业废弃物等的生物、化学降解得到醇类和呋喃类生物燃料。第三类生物燃料是由藻类和海草合成得来,由于技术不成熟并未得到广泛应用。其中,第二代生物燃料——呋喃类燃料,主要由果糖的一系列脱水和氢解作用得到。由于第二代生物合成技术的发展,它们受到了越来越广泛的关注。尤其是2,5二甲基呋喃(DMF),相比于第一代生物燃料生物乙醇,其能量密度高,火焰传播速度快,合成方法所需要的能耗低。DMF单独作为汽油替代燃料或者作为汽油的掺混燃料都具有非常广阔的前景。2-甲基呋喃(MF)是DMF热解过程中的重要产物之一,相比于DMF,它的结构更为简单,只有一个甲基。且相比于汽油,MF及其混合燃料的抗爆性更好,CO排放量更低,燃烧持续期更短。因此,对其热解和燃烧特性的研究有助于进一步构建其热解和燃烧机理。但是对于生物燃料在相同工况下热解产生的碳烟特性研究比较欠缺,严重限制了其在发动机中的应用。

  发明内容

  本发明的目的在于提供一种生物含氧燃料或稀释剂对碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置及方法。

  为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:

  一种碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置,包括燃料供给系统与碳烟颗粒收集系统,其特征在于,所述燃料供给系统包括第一气罐、第二气罐、注射泵、第一流量计、第二流量计、第三流量计、蒸发器、混气装置、单向止回阀,所述第一气罐的出口分为两路,其中一路通过第一流量计与所述蒸发器连接,另一路通过第二流量计与混气装置连接,所述注射泵的出口与第一流量计和所述蒸发器之间的管路连接,所述第二气罐通过第三流量计与混气装置连接,所述蒸发器与混气装置连接,所述混气装置的出口与单向止回阀的进口连接;

  所述碳烟颗粒收集系统包括热解装置和碳烟颗粒收集装置,所述单向止回阀的出口与热解装置的进口连接,所述碳烟颗粒收集装置设置于热解装置的出口处。

  优选地,所述热解装置是高温管式炉,所述碳烟颗粒收集装置是玻璃纤维过滤膜。

  优选地,所有的连接管路外部均缠有电加热带。

  优选地,还包括排放系统,所述排放系统包括过滤器以及废气收集装置,所述过滤器的进口与所述碳烟颗粒收集装置的出口连接,所述过滤器的出口与废气收集装置连接。

  根据上述所述的碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置的碳烟生成方法,通过注射泵供给液体生物含氧燃料,通过第一气罐供给气体稀释剂,通过第二气罐供给气体碳氢燃料,根据需要设定第一流量计、第二流量计、第三流量计的流量值,所述液体生物含氧燃料与气体稀释剂混合后进入蒸发器蒸发成气体后与气体碳氢燃料在混气装置中混合形成混合气体,所述混合气体通过单向止回阀进入热解装置中恒温热解生成碳烟颗粒,所述碳烟颗粒被碳烟颗粒收集装置收集。

  优选地,所述液体生物含氧燃料包括,二甲基呋喃、甲基呋喃或乙醇。

  优选地,所述气体碳氢燃料包括乙烯、乙炔和甲烷,所述气体稀释剂包括氩气、氦气或氮气。

  根据上述所述的碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置的碳烟生成方法,通过注射泵供给液体碳氢燃料,通过第一气罐供给第一气体稀释剂,通过第二气罐供给第二气体稀释剂,根据需要设定第一流量计、第二流量计、第三流量计的流量值,所述液体碳氢燃料与第一气体稀释剂混合后进入蒸发器蒸发成气体后与第二气体稀释剂在混气装置中混合形成混合气体,所述混合气体通过单向止回阀进入热解装置中恒温热解生成碳烟颗粒,所述碳烟颗粒被碳烟颗粒收集装置收集。

  优选地,所述液体碳氢燃料包括正癸烷、正庚烷或异辛烷。

  优选地,所述第一气体稀释剂包括氩气或氮气,所述第二气体稀释剂包括二氧化碳或氦气。

  本发明与现有技术相比,其显著优点在于:

  (1)本发明装置结构简单、通用性好,可用于研究不同组分或材料对碳氢燃料热解碳烟生成的影响;

  (2)可以直接从玻璃纤维微孔过滤膜上刮取热解得到的碳烟颗粒,实现碳烟颗粒的直接分离,操作简单;

  (3)可通过控制三个流量计以实现对液体生物含氧燃料、气体稀释剂和碳氢燃料的体积流量的精确控制,使得研究过程可控可调。

  附图说明

  图1为本发明碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置的示意图。

  具体实施方式

  为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

  以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

  结合图1,一种碳氢燃料热解碳烟生成的调控装置包括燃料供给系统1,碳烟颗粒收集系统2,尾气过滤与排放系统3;所述燃料供给系统1包括第一气罐4、第二气罐5、注射泵7、第一流量计6-1、第二流量计6-2、第三流量计6-3、蒸发器8、混气装置9、单向止回阀10,所述第一气罐4的出口分为两路,其中一路通过第一流量计6-1与所述蒸发器8连接,另一路通过第二流量计6-2与混气装置9连接,所述注射泵7的出口与第一流量计6-1和所述蒸发器8之间的管路连接,所述第二气罐5通过第三流量计6-3与混气装置9连接,所述蒸发器8与混气装置9连接,所述混气装置9的出口与单向止回阀10的进口连接;

  所述碳烟颗粒收集系统2包括高温管式炉11和玻璃纤维过滤膜12,所述单向止回阀10的出口与高温管式炉11的进口连接,所述玻璃纤维过滤膜12设置于热解装置11的出口处。

  进一步地,所有的连接管路外部均缠有电加热带,防止液体燃料在流动过程中发生液化,在实验过程中进行加热,保持管道内的温度高于其蒸发温度。

  进一步地,还包括排放系统3,所述排放系统3包括过滤器13以及废气收集装置14,所述过滤器13的进口与所述碳烟颗粒收集装置12的出口连接,所述过滤器13的出口与废气收集装置14连接。

  当实现液体生物含氧燃料(如2,5二甲基呋喃,2-甲基呋喃,乙醇)对气体碳氢燃料热解碳烟生成特性进行研究时,用不同比例的液体生物含氧燃料替代碳氢燃料,研究燃料种类及其替代比对混合燃料热解碳烟生成特性(如碳烟生成量,碳烟的微观形貌和纳米结构,碳烟的氧化活性,碳烟的石墨化程度)的影响,包含以下步骤:

  通过注射泵7供给液体生物含氧燃料,通过第一气罐4供给气体稀释剂(如氩气,氦气,氮气),通过第二气罐5供给气体碳氢燃料(如乙烯,乙炔,甲烷),根据需要设定第一流量计6-1、第二流量计6-2、第三流量计6-3的流量值,所述液体生物含氧燃料与气体稀释剂混合后进入蒸发器8蒸发成气体后与气体碳氢燃料在混气装置9中混合形成混合气体,所述混合气体通过单向止回阀10进入高温管式炉11中恒温热解生成碳烟颗粒,高温管式炉具体设定温度根据燃料而定,不同燃料开始反应生成碳烟所需的温度不同,可以查文献或者经过预实验确定,所述碳烟颗粒被玻璃纤维过滤膜12收集,最后将通过过滤器13的废气排入废气收集装置14中,防止废气对环境造成污染。通过刮取玻璃纤维过滤膜12上的碳烟颗粒实现直接分离并收集碳烟颗粒的目的,得到碳烟在不同热解工况下的生成量的变化,可化成柱状图进行分析,进一步地,可以对收集到的碳烟颗粒进行进一步的表征,如X射线衍射分析(可得到碳烟的石墨化程度),热重分析(可得到碳烟的氧化活性),透射电子显微镜分析(可得到碳烟的微观形貌和纳米结构)。

  当用于实现稀释剂对液体碳氢燃料热解碳烟生成特性进行研究时,用不同比例的第二稀释剂替代第一稀释剂,研究第二稀释剂种类及其替代比对混合燃料热解碳烟生成特性(如碳烟生成量,碳烟的微观形貌和纳米结构,碳烟的氧化活性,碳烟的石墨化程度)的影响,包含以下步骤:

  通过注射泵7供给液体碳氢燃料(如正癸烷,正庚烷,异辛烷),通过第一气罐4供给第一气体稀释剂(如氩气,氮气),通过第二气罐5供给第二气体稀释剂(如二氧化碳,氦气),根据需要设定第一流量计6-1、第二流量计6-2、第三流量计6-3的流量值,所述液体碳氢燃料与第一气体稀释剂混合后进入蒸发器8蒸发成气体后与第二气体稀释剂在混气装置9中混合形成混合气体,所述混合气体通过单向止回阀10进入高温管式炉11中恒温热解生成碳烟颗粒,所述碳烟颗粒被玻璃纤维过滤膜12收集,最后将通过过滤器13的废气排入废气收集装置14中,防止废气对环境造成污染。通过刮取玻璃纤维过滤膜12上的碳烟颗粒实现直接分离并收集碳烟颗粒的目的,得到碳烟在不同热解工况下的生成量的变化,可化成柱状图进行分析,进一步地,可以对收集到的碳烟颗粒进行进一步的表征,如X射线衍射分析(可得到碳烟的石墨化程度),热重分析(可得到碳烟的氧化活性),透射电子显微镜分析(可得到碳烟的微观形貌和纳米结构)。

  以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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