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一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體的計量裝置和計量方法
【專利摘要】一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進(jìn)氣管、干燥柱、脫硫柱和進(jìn)氣電磁閥，干燥柱內(nèi)填充干燥劑，脫硫柱內(nèi)填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管內(nèi)裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內(nèi)；控制單元包括液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)、電子讀數(shù)器和電源。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該計量裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實(shí)施，計量方法準(zhǔn)確度高、適用性強(qiáng)，既可準(zhǔn)確測定氣體產(chǎn)生總量和目標(biāo)氣體量，又可測定氣體產(chǎn)生的速率，可完全滿足實(shí)驗(yàn)室研究要求。
【專利說明】一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體的計量裝置和計量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及廢棄物厭氧消化處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體的計量裝置和計量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]采用厭氧消化技術(shù)處理有機(jī)廢棄物或高濃度有機(jī)廢水時，產(chǎn)生的沼氣或甲烷是一種清潔能源，而沼氣或甲烷的產(chǎn)生量和沼氣組分是評價厭氧消化裝置和處理工藝優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。目前對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)厭氧消化發(fā)酵裝置產(chǎn)氣量計量的方法主要有兩種，一是濕式氣體流量計，該儀器量程大，在計量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微量氣體時誤差較大，影響實(shí)驗(yàn)精度；二是使用微量氣體流量計直接測量，這種進(jìn)口儀器成本高，一般無法在實(shí)驗(yàn)室中批量使用。采用本方法和系統(tǒng)，可以替代濕式氣體流量計和進(jìn)口的微量氣體流量計，對厭氧發(fā)酵裝置產(chǎn)生的氣體進(jìn)行精密測量，從而優(yōu)化厭氧消化處理工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對實(shí)驗(yàn)室以往在微量氣體計量中存在的問題，提供一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體的計量裝置和計量方法，該計量裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實(shí)施，計量方法準(zhǔn)確度高、適用性強(qiáng)，既可準(zhǔn)確測定氣體產(chǎn)生總量和目標(biāo)氣體量，又可測定氣體產(chǎn)生的速率，可完全滿足實(shí)驗(yàn)室研究要求。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進(jìn)氣管、干燥柱、脫硫柱和進(jìn)氣電磁閥并通過管道串聯(lián)連接，干燥柱和脫硫柱均為有機(jī)玻璃圓管，底部及頂部分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，干燥柱內(nèi)填充干燥劑，脫硫柱內(nèi)填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管的一端分別設(shè)有U型計量管進(jìn)氣管和U型計量管出氣管，U型計量管進(jìn)氣管與進(jìn)氣電磁閥的出口連接，U型計量管出氣管與出氣電磁閥的進(jìn)口連接，出氣電磁閥通過出氣電磁閥出口管與氣體收集袋連接，U型計量管的另一端分別設(shè)有液位傳感器和U型計量管排氣管并通過U型計量管塞密封，U型計量管內(nèi)裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內(nèi)；控制單元包括液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)、電子讀數(shù)器和電源，液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)分別通過導(dǎo)線與液位傳感器、進(jìn)氣電磁閥和出氣電磁閥連接。
[0005]所述有機(jī)玻璃圓管的規(guī)格為內(nèi)徑10cm、壁厚5 mm、高度20cm，U型計量管為玻璃材質(zhì)，帶容積刻度，內(nèi)徑1.5-3cm、壁厚3 mm、有效高度20-30cm，U型計量管進(jìn)氣管和出氣管、排氣管的內(nèi)徑均為0.3cm。
[0006]所述干燥劑為硫酸鈣或硅膠，脫硫劑為氧化鐵或顆?；钚蕴?。
[0007]所述計量液體根據(jù)具體測量氣體種類和要求配置，在計量發(fā)酵管中微量沼氣時，計量液體為2wt%的鹽酸溶液；在計量沼氣中的甲烷時，計量液體為濃度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收沼氣中的酸性氣體組分。
[0008]一種利用所述實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置的計量方法，實(shí)施方法如下:
1)操作流程:由實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體經(jīng)過凈化單元的干燥柱和脫硫柱后，通過進(jìn)氣控制電磁閥進(jìn)入U型計量管，此時排氣控制電磁閥關(guān)閉，U型計量管內(nèi)的計量液體在壓力作用下產(chǎn)生液位差，當(dāng)該液位差達(dá)到設(shè)定值后，液位傳感器啟動，此時進(jìn)氣控制電磁閥關(guān)閉，排氣控制電磁閥開啟，U型計量管內(nèi)氣體經(jīng)由排氣控制電磁閥排出，進(jìn)入氣體收集袋中，帶有存儲功能的電子計數(shù)器，記錄不同時間氣體毫升讀數(shù)；U型計量管置于恒溫水浴槽內(nèi)便于將產(chǎn)生氣體體積換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下數(shù)值。
[0009]2)氣體體積計算方法:
根據(jù)U型計量管內(nèi)液體種類，確定其密度，然后根據(jù)U型計量管內(nèi)“O”刻度處與液位傳感器位置的設(shè)定刻度高度差計算出滿刻度時水柱壓力，結(jié)合恒溫水浴槽的設(shè)定溫度，采用標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)方程pV=nRT計算出所計量氣體的體積。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
該計量裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便、造價低廉、易于實(shí)施，計量方法準(zhǔn)確度高、適用性強(qiáng)，既可準(zhǔn)確測定氣體產(chǎn)生 總量和目標(biāo)氣體量，又可測定氣體產(chǎn)生的速率，可完全滿足實(shí)驗(yàn)室研究要求。
[0011]【【專利附圖】

【附圖說明】】
圖1為該裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖中:1.進(jìn)氣管 2.干燥柱 3.干燥劑 4.脫硫柱 5.脫硫劑
6.進(jìn)氣電磁閥 7.U型計量管進(jìn)氣管 8.U型計量管 9.計量液體
10.液位傳感器 11.U型計量管排氣管 12.U型計量管塞
13.U型計量管出氣管 14.出氣電磁閥 15.出氣電磁閥出口管
16.氣體收集袋 17.液位控制器 18.進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)
19.出氣電磁閥控制開關(guān) 20.電子讀數(shù)器 21.恒溫水浴槽 22.電源
圖2為實(shí)施例1產(chǎn)沼氣曲線圖。
[0013]圖3為實(shí)施例2甲烷產(chǎn)氣速率圖。
[0014]【【具體實(shí)施方式】】
實(shí)施例1:
一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，如圖1所示，由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進(jìn)氣管1、干燥柱2、脫硫柱4和進(jìn)氣電磁閥6并通過管道串聯(lián)連接，干燥柱2和脫硫柱4均為有機(jī)玻璃圓管，底部及頂部分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，干燥柱2內(nèi)填充干燥劑3，脫硫柱4內(nèi)填充脫硫劑5 ;計量收集單元包括U型計量管8、恒溫水浴槽
21、出氣電磁閥14、出氣電磁閥出口管15和氣體收集袋16，U型計量管8的一端分別設(shè)有U型計量管進(jìn)氣管7和U型計量管出氣管13，U型計量管進(jìn)氣管7與進(jìn)氣電磁閥6的出口連接，U型計量管出氣管13與出氣電磁閥14的進(jìn)口連接，出氣電磁閥14通過出氣電磁閥出口管15與氣體收集袋16連接，U型計量管8的另一端分別設(shè)有液位傳感器10和U型計量管排氣管11并通過U型計量管塞12密封，U型計量管8內(nèi)裝有計量液體9，U型計量管8置于恒溫水浴槽21內(nèi)；控制單元包括液位控制器17、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)18、出氣電磁閥控制開關(guān)19、電子讀數(shù)器20和電源22，液位控制器17、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)18、排氣電磁閥控制開關(guān)19分別通過導(dǎo)線與液位傳感器10、進(jìn)氣電磁閥6和出氣電磁閥14連接。
[0015]該實(shí)施例中，有機(jī)玻璃圓管的規(guī)格為內(nèi)徑10cm、壁厚5 mm、有效高度20cm，U型計量管為玻璃材質(zhì)，帶容積刻度，內(nèi)徑2.5cm、壁厚3 mm、有效高度30cm，U型計量管進(jìn)氣管和出氣管、排氣管的內(nèi)徑均為0.3cm。
[0016]將該裝置用于計量農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化過程中5L厭氧消化反應(yīng)器每天產(chǎn)生清潔能源沼氣的量，干燥劑為硫酸鈣，脫硫劑為氧化鐵，計量液體為2wt%的鹽酸溶液，實(shí)施方法如下:
I)操作流程:實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器產(chǎn)生氣體經(jīng)過填充硫酸鈣的干燥柱2和填充氧化鐵的脫硫柱4去除氣體中水蒸氣和硫化氫，此時進(jìn)氣電磁閥6開啟，排氣電磁閥14關(guān)閉。凈化后的氣體通過進(jìn)氣電磁閥6進(jìn)入有效刻度50ml、填充2%的鹽酸溶液的U型計量管8，U型計量管8液位在壓力作用下產(chǎn)生液位差，當(dāng)高液位到50ml刻度即高液位傳感器10時，進(jìn)氣電磁閥6關(guān)閉，排氣電磁閥14開啟，氣體經(jīng)U型計量管出氣管13通過出氣電磁閥14經(jīng)出氣電磁閥出口管15進(jìn)入氣體收集袋16，此時電子計數(shù)器計數(shù)讀數(shù)增加I，體積讀數(shù)增加50ml。排氣電磁閥14開啟后，U型計量管高液位下降，經(jīng)過5秒鐘的穩(wěn)定時間，U型計量管8內(nèi)液位穩(wěn)定在“ 0 ”刻度處，此時出氣電磁閥14關(guān)閉，進(jìn)氣電磁閥6開啟，氣體進(jìn)入U型計量管8，如此循環(huán)。
[0017]2)氣體體積計算方法:U型計量管8置于35°C恒溫水浴槽21內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，每24h記錄電子讀數(shù)器20中讀數(shù)和U型計量管8中液位升高的體積數(shù)(mL)，兩者之和為實(shí)驗(yàn)開始至記錄時產(chǎn)生沼氣總量，后一次沼氣量讀數(shù)與前一次沼氣量讀數(shù)差值即為此間24h內(nèi)產(chǎn)生的沼氣量，然后利用理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況(0°C，I個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下每天產(chǎn)生沼氣總量。
[0018]具體計算方法為山型計量管內(nèi)高液位時壓力？。=2 0811=2\1.0082\103\9.8\1
0.2X1(T2=2015.6Pa，標(biāo)準(zhǔn)狀況下每天產(chǎn)沼氣量 V=[ (101000+2015.6)/101000X 124.6-74.6]X 273/(273+35) XN=46.52 XN mL，其中 1.0082 為 2wt% 鹽酸溶液的密度(lg/mL)，10.2 為U型計量管50ml刻度與“0”刻度液位差(cm)，101000為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(Pa)，124.6為U型計量管最大液位差時管內(nèi)充氣室容積(mL)，74.6為U型管內(nèi)液位差為0時充氣室容積(mL)，N為每天電子計數(shù)器數(shù)值增加值。
[0019]該實(shí)施例分別對兩個反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在30天實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)兩個反應(yīng)器累計產(chǎn)沼氣量分別為71.9196 L和141.455L，產(chǎn)氣曲線如圖2所示。
[0020]實(shí)施例2:
一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，與實(shí)施例1基本相同，不同之處如下。
[0021]將該裝置計量農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧消化過程中5L厭氧消化反應(yīng)器累積產(chǎn)生甲烷氣的量并繪制產(chǎn)甲烷速率曲線，干燥劑為硅膠，脫硫劑為顆粒活性炭，計量液體為濃度4mol/L%的NaOH溶液，實(shí)施方法如下:
I)操作流程:實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器產(chǎn)生沼氣經(jīng)過填充硫酸鈣的干燥裝置2和填充氧化鐵的脫硫裝置4去除氣體中水蒸氣和硫化氫，此時進(jìn)氣電動閥6開啟，出氣電磁閥14關(guān)閉。凈化后的氣體通過進(jìn)氣電磁閥6進(jìn)入工作刻度25ml、填充4mol/L的NaOH溶液的U型計量管8，U型計量管8液位在壓力作用下產(chǎn)生液位差，當(dāng)高液位到25ml刻度即高液位傳感器10時，進(jìn)氣電磁閥6關(guān)閉，出氣電磁閥14開啟，氣體經(jīng)U型計量管出氣管13通過出氣電磁閥14經(jīng)出氣電磁閥出口管15進(jìn)入氣體收集袋16，此時電子計數(shù)器計數(shù)讀數(shù)增加I，體積讀數(shù)增加25ml。出氣電磁閥14開啟后，U型計量管高液位下降，經(jīng)過5秒鐘的穩(wěn)定時間，U型計量管8內(nèi)液位穩(wěn)定在“O”刻度處，此時出氣電磁閥14關(guān)閉，進(jìn)氣電磁閥6開啟，氣體進(jìn)入U型計量管8,如此循環(huán)。
[0022]2)氣體體積計算方法:U型計量管8置于35°C恒溫水浴槽21內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，間隔2h記錄電子讀數(shù)器20中讀數(shù)和U型計量管8中液位升高的體積數(shù)(mL)，兩者之和為2h內(nèi)產(chǎn)生甲烷量，后一次甲烷量與前一次甲烷量差值即為此間2h內(nèi)產(chǎn)生的甲烷量，然后利用理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT，折算成標(biāo)準(zhǔn)狀況((TC，I個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下甲烷產(chǎn)量，并以此繪制厭氧消化過程產(chǎn)甲烷速率曲線，產(chǎn)甲烷量計算方法同實(shí)施例1，不同之處為4mol/L NaOH液體的密度為1.150g/mL。該實(shí)施例分別對三個反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中三個反應(yīng)器產(chǎn)甲烷速率曲線見圖3。
[0023]本裝置適合實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種單一或成分復(fù)雜氣體的高精度流量計量裝置，誤差符合計量標(biāo)準(zhǔn)要求。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，其特征在于:由氣體凈化單元、計量收集單元和控制單元組成，氣體凈化單元包括進(jìn)氣管、干燥柱、脫硫柱和進(jìn)氣電磁閥并通過管道串聯(lián)連接，干燥柱和脫硫柱均為有機(jī)玻璃圓管，底部及頂部分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，干燥柱內(nèi)填充干燥劑，脫硫柱內(nèi)填充脫硫劑；計量收集單元包括U型計量管、恒溫水浴槽、出氣電磁閥、出氣電磁閥出口管和氣體收集袋，U型計量管的一端分別設(shè)有U型計量管進(jìn)氣管和U型計量管出氣管，U型計量管進(jìn)氣管與進(jìn)氣電磁閥的出口連接，U型計量管出氣管與出氣電磁閥的進(jìn)口連接，出氣電磁閥通過出氣電磁閥出口管與氣體收集袋連接，U型計量管的另一端分別設(shè)有液位傳感器和U型計量管排氣管并通過U型計量管塞密封，U型計量管內(nèi)裝有計量液體，U型計量管置于恒溫水浴槽內(nèi)；控制單元包括液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)、電子讀數(shù)器和電源，液位控制器、進(jìn)氣電磁閥控制開關(guān)、出氣電磁閥控制開關(guān)分別通過導(dǎo)線與液位傳感器、進(jìn)氣電磁閥和出氣電磁閥連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述有機(jī)玻璃圓管的規(guī)格為內(nèi)徑10cm、壁厚5 inm、高度20cm，U型計量管為玻璃材質(zhì)，帶容積刻度，內(nèi)徑1.5-3cm、壁厚3 mm、有效高度20-30cm，U型計量管進(jìn)氣管和出氣管、排氣管的內(nèi)徑均為0.3cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述干燥劑為硫酸鈣或硅膠，脫硫劑為氧化鐵或顆粒活性炭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置，其特征在于:所述計量液體根據(jù)具體測量氣體種類和要求配置，在計量發(fā)酵管中微量沼氣時，計量液體為2wt%的鹽酸溶液；在計量沼氣中的甲烷時，計量液體為濃度4mol/L的NaOH或KOH溶液用以吸收氣體中的酸性氣體組分。
5.一種利用權(quán)利要求1所述實(shí)驗(yàn)室微量氣體計量裝置的計量方法，其特征在于實(shí)施方法如下: 1)操作流程:由實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體經(jīng)過凈化單元的干燥柱和脫硫柱后，通過進(jìn)氣控制電磁閥進(jìn)入U型計量管，此時排氣控制電磁閥關(guān)閉，U型計量管內(nèi)的計量液體在壓力作用下產(chǎn)生液位差，當(dāng)該液位差達(dá)到設(shè)定值后，液位傳感器啟動，此時進(jìn)氣控制電磁閥關(guān)閉，排氣控制電磁閥開啟，U型計量管內(nèi)氣體經(jīng)由排氣控制電磁閥排出，進(jìn)入氣體收集袋中，帶有存儲功能的電子計數(shù)器，記錄不同時間氣體毫升讀數(shù)；U型計量管置于恒溫水浴槽內(nèi)以便于將產(chǎn)生氣體體積換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下數(shù)值； 2)氣體體積計算方法: 根據(jù)U型計量管內(nèi)液體種類，確定其密度，然后根據(jù)U型計量管內(nèi)“O”刻度處與液位傳感器位置的設(shè)定刻度高度差計算出滿刻度時水柱壓力，結(jié)合恒溫水浴槽的設(shè)定溫度，采用標(biāo)準(zhǔn)氣體狀態(tài)方程pV=nRT計算出所計量氣體的體積。
【文檔編號】G01F22/02GK103674156SQ201310741544
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】杜連柱, 張克強(qiáng), 黃治平, 楊鵬, 梁軍鋒 申請人:農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所