專利名稱：一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，屬于煤燃燒及環(huán)境污染排放技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
高溫環(huán)境下的顆粒物取樣系統(tǒng)對于研究礦物燃料、生物質(zhì)等燃燒過程中可吸入顆 粒物的形成機理和排放、燃燒合成中研究納米顆粒的形成是非常重要的。然而，在高溫環(huán)境 中，通常含有氣態(tài)無機礦物質(zhì)和氣體反應(yīng)物，這些物質(zhì)將在取樣冷卻過程中發(fā)生一系列的 動態(tài)物理化學(xué)過程，即在氣體溫度冷卻過程中發(fā)生凝結(jié)聚并形成新的顆粒物，或者凝并到 原有的顆粒上，從而影響原始的顆粒相態(tài)。因此，需要在取樣過程中凍結(jié)這些過程，以獲得 能夠具有代表性的顆粒樣品。然而，現(xiàn)有的高溫顆粒物取樣裝置或者采用水冷管壁和真空泵抽取方式，或者在 取樣入口加入稀釋氣，這種高溫顆粒取樣方法很難保證所獲取高溫環(huán)境中顆粒物的分布情 況和特性，尤其對細顆粒物(空氣動力學(xué)直徑小于10 ym)，現(xiàn)有的取樣方法和設(shè)備無法凍 結(jié)高溫環(huán)境中的氣態(tài)無機礦物質(zhì)在取樣過程中的物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變細顆粒物的特 性。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，該取樣槍可以抑制高溫 環(huán)境中氣態(tài)無機物質(zhì)在取樣過程中的凝結(jié)、成核、碰撞聚并以及化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)過程， 從而保證顆粒物取樣的真實性。本實用新型的技術(shù)方案如下一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述裝置含有取樣頭和槍體兩部分，所 述的取樣頭由取樣嘴1、稀釋氣加熱管道2和混合通道3組成，所述取樣嘴和混合通道的入 口連接，所述的稀釋氣加熱管道的出口與混合通道的入口連接，并在稀釋氣加熱管道的出 口設(shè)置一級稀釋噴嘴4 ；所述槍體包括水冷外殼組件和二級稀釋混合管，所述的水冷外殼 組件包括內(nèi)層中心套管5，由內(nèi)到外依次設(shè)置在該中心套管上的冷卻水進水管6和冷卻水 出水管7 ；在所述的中心套管上設(shè)有二級稀釋氣入口管8，在所述的冷卻水進水管上設(shè)有冷 卻水進水接口 9，在所述的冷卻水出水管7上設(shè)有冷卻水回水接口 10 ；所述的二級稀釋混合 管設(shè)置在中心套管5內(nèi)，該二級稀釋混合管依氣流流動方向依次包括環(huán)形噴嘴進口段11、 環(huán)形噴嘴12、混合室13、喉管14、擴壓管15和出口管16。本發(fā)明所述的環(huán)形噴嘴是由進口段11外錐形出口和混合室13進口組成的環(huán)形縫 隙，環(huán)形噴嘴為分離式結(jié)構(gòu)。本實用新型所述的二級稀釋混合管的出口管內(nèi)徑應(yīng)大于取樣頭中混合通道的內(nèi) 徑。所述取樣嘴和取樣頭的入口通過螺紋連接。所述取樣嘴的入口錐度為15°，取樣嘴的 高度至少為取樣嘴管徑的三倍。本實用新型的技術(shù)特征還在于所述的二級稀釋混合管的出口管上設(shè)有取樣氣體 的溫度測量接口 19和旁路接口 20。[0012]本實用新型具有以下優(yōu)點及有益效果本實用新型針對高溫燃燒環(huán)境中的復(fù)雜條件，通過兩級稀釋取樣，可抑制高溫?zé)?氣中氣態(tài)無機物質(zhì)在取樣過程中發(fā)生凝結(jié)成核過程，同時也阻止顆粒在取樣過程的碰撞團 聚過程以及在槍內(nèi)發(fā)生沉積堵塞，從而獲取高溫?zé)煔庵姓鎸嵉念w粒物分布。并可實現(xiàn)長時 間可靠的運行，調(diào)節(jié)手段靈活，適應(yīng)不同燃燒溫度、燃燒環(huán)境的可吸入顆粒物的準確取樣。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的取樣頭的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖3是本實用新型的水冷外殼組件的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖4是本實用新型的二級稀釋混合管的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖中1-取樣嘴，2-稀釋氣加熱管道，3-混合通道，4- 一級稀釋噴嘴，5-中心套管， 6-冷卻水進水管，7-冷卻水出水管，8- 二級稀釋氣入口管，9-冷卻水進水接口管，10-冷 卻水回水接口管，11"環(huán)形噴嘴進口段，12-環(huán)形噴嘴，13-混合室，14-喉管，15-擴壓管， 16-出口管17-—級稀釋氣進氣管，18-水冷外殼組件中的中心套管和二級稀釋混合管中的 出口管間的連接法蘭，19-溫度測孔，20-旁路連接口。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的原理、結(jié)構(gòu)和工作過程。圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。該取樣槍含有取樣頭和槍體兩部分，取樣頭由 取樣嘴1、稀釋氣加熱管道2和混合通道3組成。取樣嘴1和混合通道3的入口直接連接， (如圖2所示)，稀釋氣加熱管道2的出口與混合通道3的入口相連接，并在稀釋氣加熱管 道2的出口設(shè)置一級稀釋噴嘴4。稀釋氣加熱管道2和一級稀釋氣進氣管17通過螺紋或者 其他方式連接。稀釋氣加熱管道2由高溫管段和進口管段組成，進口管材料為普通不銹鋼 或碳鋼，高溫管段的材料為耐高溫材料，如2520或者3039不銹鋼。取樣頭材料為耐高溫材 料，如2520或者3039不銹鋼。槍體包括水冷外殼組件和二級稀釋混合管，水冷外殼組件和二級稀釋混合管間通 過法蘭18連接。所述的水冷外殼組件內(nèi)層為中心套管5 (如圖3所示)，由內(nèi)到外依次在該 中心套管上設(shè)置冷卻水進水管6、冷卻水出水管7 ；中心套管5上設(shè)有二級稀釋氣入口管8， 冷卻水進水管6上設(shè)有冷卻水進水接口 9，冷卻水出水管7上設(shè)有冷卻水回水接口 10 ；二級 稀釋混合管8設(shè)置在中心套管5內(nèi)，依氣流流動方向設(shè)有環(huán)形噴嘴進口段11、環(huán)形噴嘴12、 混合室13、喉管14、擴壓管15和出口管16(如圖4所示)；環(huán)形噴嘴12是由進口段11外 錐形出口和混合室13進口組成的環(huán)形縫隙，環(huán)形噴嘴為分離式，環(huán)形縫隙大小可以通過出 口管16和中心套管5間連接法蘭18的墊片厚度來調(diào)節(jié)。槍體2的材料為普通不銹鋼或碳 鋼。取樣頭和槍體間的連接通過雙螺紋實現(xiàn)密封連接，取樣頭的混合通道3出口管和 水冷外殼組件中的中心套管5間通過螺紋連接，同時混合通道3的出口管和環(huán)形噴嘴進口 段11間也通過螺紋連接。水冷外殼組件中的冷卻水出水管外壁上設(shè)有安裝螺紋，用來實現(xiàn)取樣槍和煙道或 爐膛間的固定和密封，同時保證取樣嘴的位置對著煙氣來流方向。實用新型的上述結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)以下功能
4[0027](1)實現(xiàn)等速取樣。等速取樣是指取樣嘴1入口的抽樣高溫?zé)煔饬魉俸彤?dāng)?shù)氐臒?氣流速相等，過高或過低均會影響顆粒的粒徑分布特性。本實用新型中，由于取樣嘴1和混 合通道3入口間采用螺紋連接，除了通過調(diào)節(jié)兩級稀釋噴嘴的工作狀態(tài)來調(diào)節(jié)抽樣煙氣量 外，還可通過更換不同入口直徑的取樣嘴1來改變?nèi)肟诹魉?，從而實現(xiàn)等速取樣；(2)減少取樣槍對流場的影響。本實用新型采用取樣頭和槍體結(jié)構(gòu)，取樣頭材料選 用2520或者3039不銹鋼等耐高溫材料，可承受最高溫度達1300°C，不需要冷卻保護，有利 于縮小取樣頭的尺寸，減少對流場的干擾。而槍體采用水冷保護，冷卻水從進水接口 9進入 水冷外殼組件中的冷卻水進水管6，逆流到槍體的高溫端頭，轉(zhuǎn)彎后進入水冷外殼組件的冷 卻水出水管7，順流流到冷卻水回水接口 10，接入到冷卻循環(huán)水系統(tǒng)。防止顆粒在取樣槍內(nèi)的沉積和堵塞，是保證測量準確的另一重要措施。本實用新 型根據(jù)取樣槍不同位置，不同的取樣流量采用不同的通流直徑，取樣頭中的混合通道3、二 級稀釋混合管中的進口段11的通流流量是相同，采用相同的通流管徑。而二級稀釋混合管 中的出口管16的通流流量為一級抽樣煙氣、一級稀釋氣和二級稀釋氣的總和，并且溫度已 冷卻至常溫，所以中心管9的直徑直接適應(yīng)于上述通流流量。通過不同的通流管徑處理，可 以保證流速，以防止顆粒在槍內(nèi)的沉積和堵塞。本實用新型充分考慮了不同顆粒分級和收集裝置對取樣流量以及取樣氣體工作 條件的不同要求，在二級稀釋混合管的出口管16出口位置，分別設(shè)有溫度測孔19和旁路連 接口 20，溫度測孔可用來實時測量取樣槍出口稀釋煙氣的溫度，旁路連接口 20可以用來連 接其他的測量設(shè)備，如煙氣分析儀來實時測量取樣槍出口稀釋煙氣的成分，或者連接壓力 表來監(jiān)測取樣槍的工作壓力，或者連接排氣旁路，把顆粒分級收集裝置不需要的多余氣體 排走。上述接口可以單獨連接也可以并聯(lián)連接在旁路連接口 20上。本實用新型的工作流程和工作原理如下一級稀釋氣體通過一級稀釋氣進氣管17進入到稀釋氣加熱管道2，在管道2中 被爐內(nèi)高溫?zé)煔饧訜岬綗煹纼?nèi)取樣口位置的當(dāng)?shù)販囟群螅ㄟ^一級稀釋噴嘴4形成高速射 流，在高速射流的卷吸下，攜帶有顆粒的高溫?zé)煔?，通過取樣嘴1被吸入到混合通道3中，和 稀釋氣迅速混合，然后環(huán)形噴嘴進口段11，進入到二級稀釋噴嘴。二級稀釋氣體通過二級 稀釋氣入口管8進入到中心套管5和二級稀釋混合管組成的稀釋氣通道，然后通過環(huán)形噴 嘴12射出，在混合室13和喉管14內(nèi)混合后，依次經(jīng)過擴壓管15和出口管16連接到顆粒 測量分析單元。水冷外殼組件用來保護槍體，冷卻水通過進水接口 9進入到冷卻水進水管內(nèi)，逆 流到槍體的高溫端頭，在高溫側(cè)轉(zhuǎn)向后，在冷卻水出水管7順流流到回水接口 10后回到循 環(huán)冷卻水系統(tǒng)。兩級稀釋是控制上述物理化學(xué)過程的主要手段，其控制參數(shù)是兩級稀釋比和總稀 釋比，稀釋比是稀釋器出口氣量和抽樣煙氣流量的比值。第一級稀釋為等溫稀釋，通過等溫 稀釋，降低了高溫?zé)煔庵蓄w粒物的濃度，氣態(tài)物質(zhì)的分壓，從而抑制了凝結(jié)成核和化學(xué)反應(yīng) 等過程。一級稀釋氣體為惰性氣體，如氮氣。稀釋氣通過入口管道17進入稀釋氣加熱管道 2，在進入一級稀釋噴嘴4前，被高溫?zé)煔饧訜岬浇咏?dāng)?shù)氐臒煔鉁囟龋瑥亩鴮崿F(xiàn)等溫稀釋。 一級稀釋噴嘴4同時起著噴射泵的作用，高速氣流從噴嘴4噴出，形成了局部的負壓，攜帶 有顆粒等物質(zhì)的高溫?zé)煔獗怀槲M入取樣嘴3，兩股氣流在混合通道3中快速混合后，進入二級稀釋混合管的進口段11。第二級稀釋為冷卻稀釋，在降低來自取樣頭的稀釋取樣煙氣溫度的同時，進一步 對氣體進行稀釋以達到足夠低的顆粒物濃度、氣體物質(zhì)的分壓，從而抑制了碰撞聚并以及 化學(xué)反應(yīng)等過程。二級稀釋氣可以是惰性氣體，也可以是凈化的壓縮空氣，稀釋氣從二級 稀釋氣入口管8進入到由水冷外殼組件中的中心套管5和二級稀釋混合管組成的稀釋氣通 道，通過環(huán)形噴嘴12高速噴出，經(jīng)過混合室13、喉管14和擴壓管15，兩股氣流實現(xiàn)充分的 混合后，進入出口管16，實現(xiàn)高溫?zé)煔庵蓄w粒取樣。環(huán)形噴嘴12與一級稀釋氣噴嘴4構(gòu)成了串級噴射器，稀釋氣作為工作流體，攜帶 有顆粒的高溫?zé)煔獗灰患壪♂寶鈬娮煳氲饺宇^中，作為環(huán)形噴嘴12的入射氣體。兩 個稀釋噴嘴的工作狀態(tài)均影響到高溫?zé)煔獾某槲?，從而最終影響到稀釋比。稀釋比的控 制，主要通過一、二級稀釋氣量來進行控制。稀釋比隨著一級稀釋氣量的增大而減小，然而 二級稀釋氣對稀釋比作用存在兩種截然不同的效果，當(dāng)環(huán)形噴嘴12出口速度低，無法形成 負壓，二級稀釋氣將惡化一級稀釋噴嘴4對高溫?zé)煔獾某槲?，這時隨著二級稀釋氣量的 增大，抽樣煙氣量減少而稀釋比增大。而當(dāng)環(huán)形噴嘴12出口速度足夠大以使其進口形成負 壓，促進了一級噴嘴對煙氣的抽吸量。當(dāng)通過調(diào)解稀釋氣量無法滿足稀釋比的要求時或取 樣槍的等速采樣要求(抽吸煙氣量)，可通過改變水冷外殼組件中的中心套管5和二級稀釋 混合管中的出口管16間連接法蘭18間的的墊片厚度，來調(diào)節(jié)環(huán)形噴嘴12的縫隙大小，從 而改變串級噴射泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)稀釋比更大范圍的調(diào)整。
權(quán)利要求一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述裝置含有取樣頭和槍體兩部分，所述的取樣頭由取樣嘴(1)、稀釋氣加熱管道(2)和混合通道(3)組成，所述取樣嘴(1)和混合通道(3)的入口連接，所述的稀釋氣加熱管道(2)的出口與混合通道(3)的入口連接，并在稀釋氣加熱管道(2)的出口設(shè)置一級稀釋噴嘴(4)；所述槍體包括水冷外殼組件和二級稀釋混合管，所述的水冷外殼組件包括內(nèi)層中心套管(5)，由內(nèi)到外依次設(shè)置在該中心套管上的冷卻水進水管(6)和冷卻水出水管(7)；在所述的中心套管(5)上設(shè)有二級稀釋氣入口管(8)，在所述的冷卻水進水管(6)上設(shè)有冷卻水進水接口(9)，在所述的冷卻水出水管(7)上設(shè)有冷卻水回水接口(10)；所述的二級稀釋混合管設(shè)置在中心套管(5)內(nèi)，該二級稀釋混合管依氣流流動方向設(shè)有環(huán)形噴嘴進口段(11)、環(huán)形噴嘴(12)、混合室(13)、喉管(14)、擴壓管(15)和出口管(16)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述的環(huán)形噴嘴 (12)是由進口段(11)外錐形出口和混合室(13)進口組成的環(huán)形縫隙，環(huán)形噴嘴為分離式 結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述的二級稀 釋混合管的出口管(16)內(nèi)徑大于取樣頭中混合通道(3)的內(nèi)徑。
4.如權(quán)利要求3所述的一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述的二級稀釋混 合管的出口管(16)上設(shè)有取樣氣體的溫度測量接口(19)和旁路接口(20)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述取樣嘴的入口 錐度為15°，取樣嘴的高度至少為取樣嘴管徑的三倍。
6.如權(quán)利要求5所述的一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，其特征在于所述取樣嘴(1)和 取樣頭的入口通過螺紋連接。
專利摘要一種高溫氣溶膠顆粒取樣槍，屬于煤燃燒及環(huán)境污染排放技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括取樣頭和槍體兩部分。取樣頭由取樣嘴、稀釋氣加熱管道和混合通道組成，槍體包括水冷外殼組件和二級稀釋混合管。本實用新型針對高溫燃燒環(huán)境中的復(fù)雜條件，通過兩級稀釋取樣，抑制高溫?zé)煔庵袣鈶B(tài)無機物質(zhì)在取樣過程中發(fā)生凝結(jié)成核過程，同時也阻止顆粒在取樣過程的碰撞團聚過程，從而獲取高溫?zé)煔庵姓鎸嵉念w粒物分布。適用于高溫環(huán)境下(如各種燃燒裝置)的氣溶膠顆粒物取樣。
文檔編號G01N1/14GK201583431SQ200920223129
公開日2010年9月15日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者卓建坤, 姚強, 宋薔, 徐曉光, 李庚達, 李水清 申請人:清華大學(xué)煤燃燒工程研究中心;清華大學(xué)