CN113281144A

CN113281144A - 一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备

Info

Publication number: CN113281144A
Application number: CN202110545101.7A
Authority: CN
Inventors: 甘志文; 袁浩洋; 冯斌
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2021-08-20

Abstract

通过对国内外关于颗粒物采样方法的分析，尤其是对航空发动机尾气颗粒物采样的理论方法的分析，使用稀释采样技术设计出一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备用来研究燃油的燃烧冒烟性能，整个设备由稀释采样系统和燃烧器构成，其中稀释采样系统分为烟气采集系统、清洁空气发生系统、文丘里混合器、停留室、采样系统五个分系统。该设备不需关注烟气的各项参数对采样仪器的影响，简化了试验路径；模拟了高温烟气进入大气环境后的真实变化过程，具有全面性的特点；此外，国内目前还没有像国外一样利用这种技术对航空发动机排放中的非挥发性颗粒物进行过排放测试。

Description

一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备

技术领域

本发明是一种涉及排气冒烟样领域及稀释采样领域的设备，特别是一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备。

背景技术

早期，颗粒物采样主要通过直接采样，即烟气直接通过滤膜的方法，例如：美国环境保护署(EPA)的EPA Method 5，EPA Method 17，EPA Method 201/201A，EPA Method 202等方法；国际民航组织附件16中所规定的测试方法；国家标准GB/T16157-1996固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法。这种测量方法只适用于使用燃煤或木材等不易形成过高温度且排气速度较低的场合；对于使用液体燃料航空发动机而言，燃烧烟气排放速度快、成分复杂、温度较高，高温烟气中的气态物质无法迅速转变为固态，导致直接损失一次凝结颗粒物，另外，直接采样使用的滤筒集尘装置也不利于颗粒物的搜集。

为了解决以上缺点，20世纪八、九十年代，美国研究人员发展起来一种全新的稀释采样方法，它的主要原理是：在烟气通过过滤装置之前，先与纯净空气按一定比例进行稀释混合，冷却到环境温度，通入停留室中停留一段时间，模拟一次凝结颗粒物的生成条件，从而完整采集到一次颗粒物。稀释采样使采样温度降低后，放宽了对采样装置材料的使用限制，不再关注烟气的温度、湿度等参数，因为只需要让其尽可能的接近自然变化过程，简化了整个采样流程。再加上此方法同样适用于在线颗粒物测量仪器对颗粒物进行源解析的测量，国外研究人员根据此方法开发了多种稀释采样系统。

国内对稀释采样技术的研究成果较少：北京大学周楠等和清华大学李兴华等相继研制出应用于燃煤锅炉的颗粒物排放稀释采样系统；上海市计量测试研究院杨伟浩等应用此技术研制了柴油机颗粒物排放分析系统，该系统研发中主要的特点有：首先稀释比的计算是根据稀释前后烟气中的二氧化碳浓度、稀释气体的二氧化碳浓度以及混合气体的二氧化碳浓度计算的，而且该系统未采用等速采样，因为是否采用等速采样取决于斯托克斯数(Stk)，当斯托克斯数小于0.01时，是否采用等速采样对颗粒物的质量浓度影响不大，而斯托克斯数的大小主要取决于颗粒物的大小，一般来说，颗粒物直径小于1000nm，斯托克斯数均小于0.01。对于航空煤油的燃烧，其排气中的颗粒物直径基本在1000nm以下。

国外针对航空发动机颗粒物排放测试的研究主要有：2004年四月，美国航空航天局(NASA)在位于爱德华空军基地的德莱顿飞行研究中心开展了飞机颗粒物排放试验；2009年一月至二月，该机构又专门针对航空替代燃料开展了航空替代燃料试验，该实验所使用的的燃料为三种：JP-8、FT-煤和JP-8 1:1掺混、FT-天然气和JP-8 1:1掺混；测试条件为：使用处于开放区域的DC-8飞机，发动机型号为CFM56，采样系统布置在发动机尾喷口排放下游1m和30m处，这个测试的主要特点是：混合燃料为右侧的发动机供油，JP-8为左侧的发动机供油，对比不同推力条件下发动机排气中的颗粒物状况；以上这两个试验使用的采样方法都是直接采样方法；Rye和Lobo等在涡喷发动机细小颗粒物采集的试验中，使用了以纯净氮气为稀释气体的采样方法，目的是为了减少颗粒物在采样系统中的凝结；Schmid和Hagen等在对涡喷发动机气溶胶类物质的采样中，使用了干燥的稀释空气以结束进一步的化学反应，包括：颗粒物-颗粒物(例如凝固)，气体-颗粒物(例如成核、凝结)。

适用于航空发动机的颗粒物检测技术的发展，主要的发展部门为国际民航总局(ICAO)和美国汽车工程师协会(SAE)，国际民航总局为管理发展方，负责机构从上到下依次为航空环保委员会(CAEP)、第三工作组——排放技术(WG3)、颗粒物工作组(PMTG)；美国汽车工程师协会为技术发展方，负责机构从上到下依次为E-31航空排放物测试委员会、颗粒物附属委员会、质量组-数量组-计算组。美国汽车工程师协会从2004年开始相继发布关于非挥发性微小颗粒(nvPM)的测试方法：2004年发布AIR 5892《非挥发性微小颗粒检测技术》，2010年发布AIR 6037《航空尾气非挥发性颗粒物测试方法的发展》，最近于2013年发布AIR 6241《航空涡轮发动机非挥发性排放颗粒物连续采样及测试程序》。国际民航总局下属的航空环保委员会正着手制定关于非挥发性颗粒物数量、质量的相关程序，而AIR6241很有可能在将来转化为新的航空建议程序(ARP)，和现行的附件16中的程序一同应用于航空发动机的非挥发性颗粒物的适航认证。

目前国内关于航空发动机冒烟测量试验方法的研究较少，简要介绍如下：北京航空航天大学王华芳等研制了一套单头部燃烧室高温高压燃烧试验系统，该系统按照1980年SAE制定的ARP 1256A和ARP 1179A两文件设计，烟气经冷却干燥后由滤纸过滤，利用烟度计测量滤纸的反射率变化，从而获得冒烟数；沈阳发动机设计研究所设计了一套冒烟测量系统。以上两个系统采用的都是直接采样法。

发明内容

通过分对国内外关于颗粒物采样方法的分析，尤其是对航空发动机尾气颗粒物采样的理论方法的分析，对比各种方法的优缺点后发现：稀释采样方法相较于直接采样方法，不需关注烟气的各项参数对采样仪器的影响，简化了试验路径；稀释采样方法模拟了高温烟气进入大气环境后的真实变化过程，具有全面性的特点；此外，国内目前还没有像国外一样利用这种技术对航空发动机排放中的非挥发性颗粒物进行过排放测试，随着测试理论的不断深入发展，稀释采样技术比较会得到实际应用。因此，使用稀释采样技术设计出一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，可以用来研究航空燃油的燃烧冒烟性能。

本燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备由稀释采样系统和燃烧器构成，其中稀释采样系统分为烟气采集系统、清洁空气发生系统、文丘里混合器、停留室、采样系统五个分系统。

烟气采集系统由采样探头、采样管、加热带组成。在采样管后面接有聚四氟乙烯软管，在采样管和软管外部敷设伴热带；采样探头可对烟气实现等速采样；伴热带加热采样管和聚四氟乙烯软管，防止颗粒物在管内的沉积；可用浮子流量计或文丘里流量计对烟气流量进行标定。

清洁空气发生系统由空气压缩机、调节阀Ⅰ、三级过滤器、流量计Ⅰ组成。为保证压缩空气的洁净，空压机采用国产无油静音型；通过调节阀控制通过流量计的稀释空气；三级过滤器串联对压缩空气进行除尘干燥，其中第三级为活性炭滤芯，对空气中的有机物进行过滤，确保进入稀释系统的稀释气体无有机物、无尘、干燥，不对测量结果产生影响。

文丘里混合器的原理是高速气流在收窄的通道内会在背部形成负压，诱导高温烟气进入稀释段，达到与空气混合的目的。

清洁空气发生系统与文丘里混合器共同组成稀释系统。

停留室的作用是为稀释后的烟气提供一段停留时间后才被采集，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程；停留室侧面装有压力表、温度表，用于测量停留室内的压力和温度；此外停留室还装有压力安全阀，确保实验安全。

采样系统由滤膜、支路膜托、主路膜托、调节阀Ⅱ、调节阀Ⅲ、调节阀Ⅳ、流量计Ⅱ、真空泵组成。采样系统采用支路设计，主要目的是在采样之前，将烟气通过支路，待流量稳定后，主路阀门打开的同时关闭支路阀门，采样正式开始；膜托为不锈钢材质，采用螺栓压紧的方式，便于多次测量时滤膜的更换，两个膜托采用平行布置，竖直布置有利于采样气体均匀通过膜托，且避免了重力沉降对采样的影响；滤膜选择石英滤膜，耐受酸性气体和高温环境，试验前需对滤膜进行前处理，用马弗炉在500℃下烘焙，去除滤膜上的有机物；真空泵为无油活塞型；连接管件使用耐烟气腐蚀且耐高温的聚四氟乙烯软管，便于采样系统的布置；流量计为浮子流量计。

与国内外现有的稀释采样系统相比较：该设备保证了稀释气体的清洁，避免了因空气中原有的颗粒物对采样造成的正偏差；该设备设置了合理的稀释比，稀释比的计算是通过引入的清洁空气的体积流量以及通过采样探头烟气的体积流量得到的；该设备设置了合理的停留时间，停留时间的长短决定了一次凝结颗粒物能否顺利生成；该设备气密性设计良好，良好的气密性避免了因烟气泄漏造成的误差；该设备减少了颗粒损失，管道尽可能使用竖直设计，采样管道外壁覆盖伴热带；该设备整体设计小型化，提升了装置便携性，便于在机场等室外场所开展实时采样。

附图说明

图1为燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备的整体试验系统示意图。

图中：1、燃烧器；2、采样探头；3、采样管；4、加热带；5、空气压缩机；6、调节阀Ⅰ；7、一级过滤器；8、二级过滤器；9、三级过滤器；10、压力表Ⅰ；11、流量计Ⅰ；12、调节阀Ⅱ；13、文丘里混合器；14、压力表Ⅱ；15、停留室；16、温度表；17、调节阀Ⅲ；18、调节阀Ⅳ；19、调节阀Ⅴ；20、主路膜托；21、支路膜托；22、流量计Ⅱ；23、真空泵；24、氮气瓶；25、油罐；26、调节阀Ⅵ；27、流量计Ⅲ；28、压力表Ⅲ；29、风机；30、流量计Ⅳ；31、调节阀Ⅶ；32、喷嘴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备由稀释采样系统和燃烧器构成，其中稀释采样系统分为烟气采集系统、清洁空气发生系统、文丘里混合器、停留室、采样系统五个分系统，除去清洁空气发生系统和停留室外，其余系统均放置在一个底部装有轮子的可移动平台上，便于移动到不同的采样地点，如室内试验台部件试验现场、户外机载现场等。

烟气采集系统由采样探头2、采样管3、加热带4组成。其中采样管3为不锈钢材料，内壁光滑，加热带缠绕在采样管外壁上，通过温控设备将温度保持在120℃左右。不锈钢采样管内径为8mm，长度为1m，入口处为直角弯口且正对烟道中心线位置，加热带宽度为30mm，外部材料为玻璃纤维，发热材料为镍铬合金电热丝，耐热温度为450℃；为便于对采样烟气流量进行标定，采样管另一端为100mm长聚四氟乙烯软管，聚四氟乙烯软管具有优秀的耐腐蚀性和化学稳定性，使用温度为-190℃～250℃，使用压力为-0.1～6.4Mpa，使用这段聚四氟乙烯软管的目的是为了方便在试验前取下不锈钢采样管，换上浮子流量计从而对烟气流量进行标定，在改进型中，可以设计耐高温的文丘里流量计对烟气的流量进行在线测量。在试验开始前，打开温控器对采样管进行预热，设定最高温度为120℃，最低温度为110℃，由与温控器相连的热电阻测量采样管温度。此外，在背景技术中曾提到，是否采用等速采样取决于斯托克斯数的大小，由于航空煤油燃烧的颗粒一般小于1000nm，因此斯托克斯数小于0.01，这也是烟气采样系统未考虑是否等速采样的原因。烟气采样系统采样探头应放置在燃烧器的出口，距离不应大于0.5个出口直径处。该试验所用的常压燃烧器，燃烧排烟温度在500℃左右，不锈钢采样探头为普通304钢，如果应用在高压试验台上，可更换耐高温不锈钢材料。

清洁空气发生系统由空气压缩机5、调节阀Ⅰ6、三级过滤器7-9、流量计Ⅰ11组成。其中空气压缩机为无油干燥型，从源头上减少对空气产生污染；三级过滤器过滤等级依次为1m、0.1m、0.01m，确保稀释空气洁净无尘；通过调节阀Ⅰ控制通过涡街流量计的稀释空气，气量可在60～230L/min内调节。空气压缩机可以产生连续的高压空气，一般的活塞型空压机的润滑油会对空气的洁净度造成影响，为从源头上避免这一问题，采用无油型，储气罐为50L，开启电源开关后，压缩空气至储气罐内，压力达到0.8Mpa时，压力开关自动关闭，排气过程中，压力下降至0.5Mpa时，压力开关自动打开。三级过滤器串联对压缩空气进行除尘、干燥，其中第三级为活性炭滤芯，对空气中的有机物进行过滤。清洁空气系统是整套装置的关键，如果引入的空气达不到洁净度的要求，将直接影响试验可信度，因此，必须在试验之前对稀释气体的洁净度进行检验，具体的做法是，利用采样系统对稀释气体进行过滤，按100L/min的过滤流量过滤20min，滤膜质量变化不超过0.0002g(200μg)。

文丘里混合器13的作用是使烟气与清洁空气充分混合，并输送到停留室中。其中文丘里混合器的原理是：高速气流流过通道不断收窄的混合器，在通道喷嘴处产生负压，烟气被此处垂直于空气气流方向的另一通道吸入混合器内，达到与空气混合的目的。文丘里混合器为不锈钢材料，两个进口和一个出口均为标准法兰连接，烟气端为DN15，剩余两端为DN25。烟气流量为10L/min，稀释气体流量为70L/min，即稀释比为7；混合位置下游管道内径为30mm，按照流体管道内流动计算，文丘里出口处雷诺数为4450，满足湍流度要求。

整个稀释管道的设计总长度为1000mm，全部由304不锈钢材料加工，左侧夹持型涡街流量计，瞬时流量和累计流量可直接数字显示；右侧加装文丘里混合器；整个管道由法兰连接，为保证密封性，在法兰间放置密封垫，使用法兰的好处是易于组装和拆卸，便于整个装置运送到不同的采样现场。

停留室15由压力表Ⅱ14、不锈钢桶、温度表16组成。停留室体积为88L，顶部为混合气体的入口，侧面底部为出口，混合气体流量保持在110L/min时，停留时间为48s，不锈钢圆桶壁厚为2mm，直径为400mm，高度为700mm；进口位于圆桶顶部中心；出口位于底部侧面且垂直于桶壁，出口设计为三通，一路流向采样系统，一路直接排向外界，后者一方面可以将多余的烟气排出，另一方面，当采样结束时，铝制气体采样袋可以与其连接，搜集烟气以进行气体成分分析；温度表安装在侧面与出口同一水平面处，用以监控混合气体的温度，避免温度过高无法达到试验设计要求，也会对采样系统的装置造成损害。压力表用于采样时压力检测，在进行检漏过程中，向整个系统通入少量空气，使系统保持正压，记录压力表压力变化，具体做法是：将系统压力保持在2kPa，3min内压力降不超过5％即视为气密性良好。

采样系统由滤膜、主路膜托20、支路膜托21、调节阀Ⅱ12、调节阀Ⅲ17、调节阀Ⅳ18、流量计Ⅱ22、真空泵23组成。采样系统采用支路设计，主要目的是在采样之前，将烟气通过支路，待流量稳定后，主路阀门打开的同时关闭支路阀门，采样正式开始。膜托为不锈钢材质，采用螺栓压紧的方式，便于多次测量时滤膜的更换，两个膜托采用平行布置，竖直布置有利于采样气体均匀通过膜托，且避免了重力沉降对采样的影响；滤膜选择Whatman47mm石英滤膜，主要材料为石英微纤维，重金属和碱土金属含量极低，耐受酸性气体和高温环境，对大于0.3μm的颗粒物截留效率大于99.995％，试验前需对滤膜进行前处理，用马弗炉在500℃下烘焙，去除滤膜上的有机物；真空泵为无油活塞型，抽气速度为6～58L/min；连接管件使用耐烟气腐蚀且耐高温的聚四氟乙烯软管，便于采样系统的布置；流量计为浮子流量计，采样流量控制在30L/min。

Claims

1.一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，包括稀释采样系统和燃烧器，其中稀释采样系统分为烟气采集系统、清洁空气发生系统、文丘里混合器、停留室、采样系统五个分系统。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，所述烟气采集系统由采样探头、采样管、加热带组成；在采样管后面接有聚四氟乙烯软管，在采样管和软管外部敷设伴热带；采样探头可对烟气实现等速采样；伴热带加热采样管和聚四氟乙烯软管，防止颗粒物在管内的沉积；可用浮子流量计或文丘里流量计对烟气流量进行标定。

3.根据权利要求1所述的一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，所述清洁空气发生系统由空气压缩机、调节阀Ⅰ、三级过滤器、流量计Ⅰ组成；为保证压缩空气的洁净，空压机采用国产无油静音型；通过调节阀控制通过流量计的稀释空气；三级过滤器串联对压缩空气进行除尘干燥，其中第三级为活性炭滤芯，对空气中的有机物进行过滤，确保进入稀释系统的稀释气体无有机物、无尘、干燥，不对测量结果产生影响。

4.根据权利要求1所述的一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，所述文丘里混合器的原理是高速气流在收窄的通道内会在背部形成负压，诱导高温烟气进入稀释段，达到与空气混合的目的。

5.根据权利要求1所述的一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，所述停留室的作用是为稀释后的烟气提供一段停留时间后才被采集，模拟烟气排放到大气中的成核、冷凝、凝聚等过程。停留室侧面装有压力表、温度表，用于测量停留室内的压力和温度；停留室装有压力安全阀，确保实验安全。

6.根据权利要求1所述的一种燃烧室尾气冒烟稀释采样测试设备，其特征在于，所述采样系统由滤膜、支路膜托、主路膜托、调节阀Ⅱ、调节阀Ⅲ、调节阀Ⅳ、流量计Ⅱ、真空泵组成；采样系统采用支路设计，主要目的是在采样之前，将烟气通过支路，待流量稳定后，主路阀门打开的同时关闭支路阀门，采样正式开始；膜托为不锈钢材质，采用螺栓压紧的方式，便于多次测量时滤膜的更换，两个膜托采用平行布置，竖直布置有利于采样气体均匀通过膜托，且避免了重力沉降对采样的影响；滤膜选择石英滤膜，耐受酸性气体和高温环境，试验前需对滤膜进行前处理，用马弗炉在500℃下烘焙，去除滤膜上的有机物；真空泵为无油活塞型；连接管件使用耐烟气腐蚀且耐高温的聚四氟乙烯软管，便于采样系统的布置；流量计为浮子流量计。