一、简介

生物质气化在布基纳法索的使用很少，尽管它已被证明是将生物质转化为热能和电能的最有效方法之一。尽管农业、植物和家庭产生的废物大量存在，但这种转化过程的大规模回收在布基纳法索还很少开发[ 1 ][ 2 ]。

在 2014 年发表的一篇评论文章中，布基纳法索发现废物气化是通过热增值来替代垃圾填埋场废物倾倒的一种有趣的替代方案 [ 3 ]。关于非洲生物质能源发展的其他研究与该综述的主要结论一致[ 4 ][ 5 ][ 6 ]。

在汽油等气体燃烧中，出于节能考虑，空气量通常大于可燃物量。因此，空燃比（AFR）用于计算当量比[ 7 ][ 8 ][ 9 ]。

然而，在生物质气化中，目标是产生由于生物质原料不完全燃烧而产生的可燃气体，例如一氧化碳（CO）和氢气（H 2 ）[ 10 ][ 11 ]。详细说明见“2.2.3当量比的确定”。现在，我们在讨论燃烧时将考虑 AFR，在讨论气化时将考虑 FAR。

汽车工业中使用的商用 Lambda 传感器可提供烟气中的净过量氧气，即。e . AFR。因此，我们可以根据 Lambda 传感器的输出计算 FAER。在聚丙烯空气气化的实验研究中，Xiao等人。[ 12 ]研究了ER的影响，发现当量比似乎对反应器温度和其他气化结果有显着影响。当量比的增加有利于燃料气体的形成，减少焦油和焦炭的形成。其他作者也获得了类似的结果[ 13 ][ 14 ][ 15 ]。总结一下Vaezi所做的工作等人。[ 16 ]使用热​​化学平衡模型来预测重燃油气化炉的性能。他们的模型结合了全局气化反应的化学平衡和热力学平衡，以预测最终的合成气物种分布。他们将模拟结果与报告的实验测量结果进行了比较，通过实验测量结果验证了他们的数值模型。他们发现相对于发生炉煤气产量的 ER 最佳值约为 0.35。

因此，监测ER是控制生物质气化过程的一个很好的参数。我们在布基纳法索设计、制造和测试了两台木炭和燃木下吸式生物质气化炉 [ 17 ]。不幸的是，我们手头上的五台烟气分析仪都出现故障，甚至更换氧气或一氧化碳传感器也显得遥不可及，因为这些传感器成本相对较高且不适合长期使用（最多 5 个）。制造商建议的持续使用分钟数）。因此，我们寻求该问题的替代解决方案，并发现几位作者使用 Lambda 传感器来监测工业应用中的过量空气和其他气体，例如一氧化碳、氢气和甲烷传感器 [ 18 ][19 ] [ 20 ]。

正如 Lambda 传感器制造商声称的那样 [ 21 ]，与我们背景下其他现有的测量氧气浓度的方法相比，这些探头具有以下优点：

· 耐酸和腐蚀性物质的腐蚀。

· 传感器可以直接放置在废气流中。

· 氧传感器可用于湿气体的分析，因为它在高温下工作，不会发生冷凝。

· 无需对分析用气体样品进行清洁、冷却和干燥。

· 电池输出信号随着分析气体中氧气浓度的降低而增加。

我们还发现微控制器可用于从众多传感器获取数据、计算多个数学函数并在 USB 驱动器中显示或记录这些值 [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]。Arduino 在我们看来是对初学者最友好的，我们选择了它。

使用 Lambda 传感器和 Arduino 微控制器成为一种非常有趣且经济高效的替代解决方案，用于监测生物质气化炉中的 ER。

2。材料和方法

2.1. 实验装置

本工作中使用的下吸式木材气化器是顺流气化器，也称为安伯特气化器。AK 型 Lambda 传感器固定在还原区后，其中气态产物由发生炉煤气 (CO + H 2 + CH 4 ) 组成，可燃气体和不可燃气体，如氮气 (N 2 )、二氧化碳 (CO 2）和水蒸气（H 2 O）。额定电压为 12 V 的鼓风机为气化器提供所需量的空气。用于驱动我们系统的微控制器是 Arduino Uno 3。实验设置概述如下图 1所示。

Arduino 是一款开发板，可以使用用 C++ 编写的集成开发环境 (IDE)（称为 Arduino IDE）进行编程。我们在这项工作中使用的 Arduino Uno 3 板有六个标记为 A0 至 A5 的模拟输入引脚和标记为 D0 至 D13 的十四个数字引脚。引脚 D3、D5、D6、D9、D10 和 D11还可以使用脉冲宽调制（PWM）。Arduino Uno 3开发板的技术规格如下表1所示：

2.2. 方法

2.2.1. 温度的测定

AK 型热电偶与其放大器和模数转换器（编号为 Max6675）一起使用，以获取插入 Lambda 传感器的气化器的工作温度（以 ℃ 为单位）。

MAX6675可以测量0°C至+1024°C的温度，执行冷端补偿并对来自K型热电偶的信号进行数字化。数据以 12 位分辨率、串行外设接口 (SPI) 兼容、只读格式输出。在下面的图 2中，Max6675：

· 处理热电偶的读数并通过串行接口传输数据。

· 强制CS 为低电平并在SCK 处施加时钟信号以读取SO 处的结果。强制 CS 为低电平会立即停止任何转换过程。

· 通过强制 CS 为高电平来启动新的转换过程。

· 强制CS 为低电平以在SO 引脚上输出第一位。

这样，Max6675 即可为我们提供从环境温度到 Lambda 传感器工作温度的补偿温度读数。K 的转换是在 Arduino 集成开发环境 (IDE) 中进行的。

Max6675 在引脚 DO 上输出温度的数字值。该值在微控制器的第七个数字引脚 D6 上读取，并可用于计算。

2.2.2. 氧气浓度的测定

氧化锆氧传感器，例如汽车工业中使用的商用窄带 Lambda 传感器，由一对由氧化锆层隔开的多孔铂电极组成。

下面描述的氧化锆探头的工作原理是受到OxyPink[ 21 ]的启发。它是一种电化学原电池，由两个导电、化学惰性的电池组成。氧化锆电池是一种固体电解质，其外部（测量电极）和内部（参考电极）涂有薄薄的多孔金属层，通常是铂，如下图 2所示。

当温度高于 600°C 时，氧化锆变成氧离子导体，在铂电极之间产生电动势 (EMF)。该 EMF 取决于样气中的氧分压与参考气体（使用环境空气）中的氧分压之间的差异。

电解质两侧的两种不同离子浓度会产生称为能斯特电压的电势。离子浓度比差异越大，电压越大。超过 600°C 二氧化锆 (ZrO 2 ) 表现出两种机制：

· ZrO 2部分解离产生氧离子，当施加电压时，氧离子可以通过材料传输。

· ZrO 2的行为类似于氧的固体电解质。如果ZrO 2元件的任一侧存在两个不同的氧压力，则可以测量该元件两端的电压（能斯特电压）。

根据下面的等式（1）和（2），分子氧在多孔铂电极处被电离

电池两侧的铂电极为氧分子 (O 2到氧离子），以及氧离子到氧分子。电池高浓度参比气体侧的氧分子获得电子，成为进入电解质的离子。同时，在另一个电极处，氧离子失去电子并作为氧分子从电极表面释放。这些气体的氧含量不同，因此氧分压也不同。因此，每个电极处产生氧离子并进入氧化锆电解质的速率不同。由于氧化锆允许氧离子移动，因此在电解质的每个方向上移动的离子数量将取决于氧离子化并在每个电极处进入电解质的速率。这种离子转移的机制很复杂，但已知通过掺杂氧化钇会在氧化锆晶格中产生空位。氧离子穿过电解质迁移的结果是离子在一个方向上的净流动，具体取决于两个电极处的氧分压。P 1表示参考气体（外部空气）的分压，P 2表示采样气体的分压，EMF 表示产生的电动势：

· 如果P 1 > P 2离子从P 1侧流向P 2侧，产生正电动势。

· 如果P 1 < P 2离子从P 2侧流向P 1侧，产生负电动势。

· 如果P 1 = P 2则没有净离子流。这导致零电动势。

下图总结了这种行为：

对于气化应用，当在亚化学计量条件下工作时，即燃料过量时，根据上图 3 ，对于燃料过量在 0% 到 15% 之间的情况，Lambda 传感器的 EMF 应在 200 mV 到 800 mV 之间。

锆探针产生的EMF ( E ) 称为能斯特电压，并通过称为能斯特方程的方程与分压P 1和P 2相关，该方程可从标准条件下的吉布斯自由能推导出来，

· n是反应中转移的电子数（来自平衡反应），

· F是法拉第常数 (96,500 C/mol)，并且

· E是电位差。

商用加热 4 线 Lambda 传感器安装在下吸式气化器的还原区。靠近 Lambda 传感器安装了 K 型热电偶。使用了一个简单的电路，该电路包括与安培计串联的 12V 直流电源和 Lambda 传感器的加热元件。电子电压表与加热元件并联连接。示波器还连接到 Lambda 传感器的信号线上，以监控 Lambda 传感器的输出信号。

2.2.3. 当量比 (ER) 的测定

对于生物质气化，系统的当量比（ER）定义为碳氢化合物与氧化剂的比率与化学计量碳氢化合物与氧化剂的比率的比率

3。结果与讨论

为了计算烟气中的氧气百分比，我们需要 lambda 传感器的工作温度和该传感器产生的 EMF。因此，我们必须首先使用 Arduino UNO 3 找到这些值。在 C++ 中， // 表示注释。

3.6. 讨论

根据 Max6675 数据表，温度值的分辨率为 0.25°C，精度为 ±1.5°C。这对于我们在气化中的应用来说已经足够了，气化温度范围从环境温度 25°C 到气化温度高达 1200°C。

Lambda 传感器在未加热时首先在数字示波器上显示出约 20 mV 的交流电压，在加热 15 分钟后显示出几乎恒定的 80 mV 电压。这提醒我们Lambda传感器中加热器的重要性。烟气中残余氧浓度的计算只需要掌握Arduino编程，即C++。然而，通过使用 Arduino Uno 3 入门套件，事情变得更容易，像我们这样已经通过其函数（例如使用 MATLAB）进行编程的物理学家应该只需付出一点努力，也可以做同样的事情。

4。结论

我们设计并制造了由 Arduino Uno 3 板驱动的当量比监控系统。温度记录精度为±1.5°C。10 分钟加热时间过后，对测量温度变化的响应时间约为 3 秒。这对于我们在项目中使用该监控系统来说已经足够了。氧传感器可以在气化炉的高温下正常工作。这就是它们广泛应用于汽车中控制内燃机燃油喷射的原因之一。此外，Lambda 传感器在需要更换之前可以使用多年，并且几乎不需要维护。只要避免这些烟雾中的湿气，它们就可以在接触废气时毫无问题地运行。制作这个装置帮助我们克服了气化实验中遇到的困难。这种经济实惠的氧气监测系统的成本仅为布基纳法索新型氧气分析仪价格的七分之一。由于 C++ 编程技能的需要和稀缺，发展中国家的研究人员可以利用该系统，而这些国家可能很难拥有氧气置换系统。