阅读说明：本技术 一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统 (Large-particle coke combustion characteristic testing system ) 是由 张松松 董勇 翟明 齐国利 邬爱国 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统,属于实验设备技术领域。该测试系统包括炉体和支撑炉体的支架；还包括工作台、升降装置、水冷装置和进气均风装置；通过将炉体分为三段加热区,上段加热区与下段加热区最高加热温度为1350℃,中间段加热区的最高加热温度为1600℃,可实际模拟层燃锅炉大颗粒燃烧高温需求。并通过采用双导轨升降平台控制燃料的升降速率与升降高度,以模拟层燃锅炉燃料入炉后升温、燃烧、燃尽的过程。本发明公开的测试系统能有效解决目前采用热重分析仪研究煤焦反应特性存在的技术问题,为优化层燃锅炉燃烧提供理论支撑,适于推广与应用。(The invention discloses a large-particle coal tar combustion characteristic testing system, and belongs to the technical field of experimental equipment. The test system comprises a furnace body and a bracket for supporting the furnace body; the air conditioner also comprises a workbench, a lifting device, a water cooling device and an air inlet and equalizing device; the furnace body is divided into three sections of heating zones, the highest heating temperature of the upper section of heating zone and the lower section of heating zone is 1350 ℃, the highest heating temperature of the middle section of heating zone is 1600 ℃, and the requirement of large-particle combustion high temperature of a grate-fired boiler can be simulated actually. And the lifting speed and the lifting height of the fuel are controlled by adopting the double-guide-rail lifting platform, so that the processes of heating, burning and burnout of the fuel of the grate-fired boiler after entering the boiler are simulated. The test system disclosed by the invention can effectively solve the technical problem existing in the research on the coal coke reaction characteristics by adopting the thermogravimetric analyzer at present, provides theoretical support for optimizing the combustion of the grate-fired boiler, and is suitable for popularization and application.)

一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，涉及一种研究煤焦燃烧反应特性的实验装置，具体涉及一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统。

背景技术

我国工业锅炉数量较多，截止到2018年我国共有工业锅炉数量约为39万台，工业锅炉中燃煤链条锅炉数量巨大，文献记载在2010年时燃煤链条锅炉数量近30万台，随着《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》与“煤改气”工程的实施，燃气锅炉数量的增多与部分小型链条锅炉拆除，但现有链条锅炉的数量仍在工业锅炉中占有重要比例。我国的层燃锅炉多以小容量的为主，具有煤种变化大、品质低、区域高强度、低空排放的特点，普遍存在燃烧效率较低等现象，但由于我国“缺油、少气、富煤”的能源结构，故较长一段时间内燃煤工业锅炉仍然存在，为我国工业生产与民用供暖发挥重要作用。

层燃燃煤锅炉燃用煤的粒度较大，最大可燃烧30-40mm粒径煤粒，但由于大颗粒燃烧过程中受灰层有效扩散系数、焦炭反应特性下降等影响导致层燃锅炉普遍存在灰渣中含碳量较高等问题。目前研究煤焦燃烧反应特性的多为热重仪器分析，但热重分析仪颗粒重量一般最大在2mg左右，且受加热速率(一般小于50℃/min)与最高温度(一般为1200℃)影响，不能直接反应大颗粒煤焦反应特性。

因此，开发一种可测量大颗粒煤焦燃烧反应特性的测试系统成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统，包括：炉体和支撑所述炉体的支架；还包括：工作台、升降装置、水冷装置和进气均风装置；

所述工作台安设于所述支架上，且所述工作台设有PID温控仪表和开关器件；

所述炉体自外向内依次由保温层、炉衬和炉膛组成；所述炉体分为三段加热区，所述加热区内设有加热棒和热电偶，且所述加热棒、所述热电偶分别与所述PID温控仪表电性连接；

所述升降装置位于所述炉体的顶端，且所述升降装置包括双导轨升降平台、下挂式天平和载料器件；所述下挂式天平放置于所述双导轨升降平台的托板上，且所述下挂式天平通过铂丝与所述载料器件连接；

所述炉体的顶端设有一空腔，所述空腔的顶端设有密封其的耐热带孔不锈钢板；所述水冷装置盘绕于所述空腔的外壁，且所述水冷装置包括设于所述空腔壁外的进水接管和出水接管；所述进气均风装置包括多孔均风网及设于所述空腔壁外的进气管口和排气出口。

其中，本发明将炉体分为三段加热区，且炉膛为刚玉莫来石管，上段加热区与下段加热区最高加热温度为1350℃，中间段加热区的最高加热温度为1600℃，可实际模拟层燃锅炉大颗粒燃烧高温需求。且三段加热区采用温度分区控制，可单独设定加热温度，不同设置的加热终端温度可实现炉内温度场梯度(0℃～终端温度)。

需要说明的是，因目前研究煤焦反应特性的多为热重仪器分析，但热重分析仪颗粒重量一般最大在2mg左右，不能直接反应大颗粒煤焦燃烧反应特性；且层燃锅炉颗粒升温速率较快，而热重分析仪的加热速率一般小于50℃/min，其与实际煤焦热过程有一定偏差；以及煤焦燃烧反应特性受温度影响较大，目前热重分析仪器最高温度一般为1200℃，其与层燃锅炉典型燃烧温度1350℃，甚至实际更高的燃烧温度存有较大差距。所以，提出一种可测量大颗粒煤焦燃烧反应特性的测试系统意义重大。

此外，我国燃煤工业层燃锅炉数量巨大，由于层燃锅炉燃料粒度相对较大等特性，普遍存在灰渣含碳量高等问题。本发明公开的测试系统既可分析大颗粒煤焦燃烧反应特性与污染物排放生成规律，又可分析不同煤种燃烧特性的差异，为优化层燃锅炉燃烧提供理论支撑，以实现兼顾能效的低污染物排放。

进一步的，所述大颗粒煤焦燃烧特性测试系统还包括观测孔；所述观测孔设置于所述炉体的外壁，且所述观测孔用于观测所述炉膛内燃料的燃烧情况，以及宏观分析温度与燃烧气氛的变化对所述燃料燃烧的影响。

值得说明的是，所述观测孔为对开式，一侧为Φ20mm圆孔，一侧为高200mm、宽20mm长方孔。且所述观测孔装有耐高温石英玻璃和耐高温密封条，在保证炉体气密性的同时又可直接观察燃料燃烧时状态，也可宏观分析燃料随温度变化及燃烧气氛变化对燃烧的影响。

优选的，所述加热区内设有三根呈120°均匀布置的加热棒，且所述加热棒为U型硅碳棒。

优选的，所述热电偶为铂金热电偶，且所述热电偶均匀布置于所述加热区。

进一步的，所述炉体三段加热区采用分别加热方式，上下段加热区分别设置三根U型硅碳棒，中段加热区设置三根U型直角硅钼棒加热，每层U型加热棒呈120°均匀布置，且每段加热区的加热棒与智能温控仪表连接，通过软件同时与智能温控仪表通讯，实现对加热程序的编制以及升温过程温度数据的储存。其中，智能温控仪表不仅可以实现不同加热速率、加热时间、停留时间等参数的编制，并在终端温度保温，还能实现不同加热条件下燃烧对比分析。

更进一步的，上下段加热区分别设置三根B分度铂金热电偶，中段加热区设置三根S分度铂金热电偶，上述三根热电偶分别平均布置于每段加热区。且每段加热区中部热电偶信号反馈至加热棒温控仪，通过温控仪控制加热棒启停及加热速率，并维持炉体内部温度不变。

优选的，所述载料器件为铂金料筐或铂金坩埚，且所述载料器件、所述下挂式天平和所述炉膛处在同一轴线。

需要说明的是，本发明采用双导轨升降平台，平台托板上可放置下挂式天平，天平可随托板升降，且双导轨升降平台与控制软件通讯，可设置控制升降速率及升降高度。其中双导轨升降平台垂直升降量程范围为0～1610mm，最大载重为50kg，升降速率为0～400mm/s范围可调。

进一步的，本发明采用双轨升降以保证升降过程中平台的稳定性，降低对天平晃动的影响。

更进一步的，载料器件采用纯度为99.9％铂金丝编制或铸造而成，以满足1600℃温度下较小延伸度，且载料器件与下挂式天平通过铂金丝连接，并根据炉内温度场梯度设置平台升降速率，以模拟层燃锅炉燃料入炉后升温、燃烧、燃尽过程，实现与实际相符合的高升温速率，模拟层燃燃烧过程。

需要说明的是，样品吊篮移动的距离即炉外(环境温度测点位置)至炉内温度最高点，沿纵向通过热电偶标定多点的温度并计算温度场，随后依据高升温速率(如200℃/min)设定升降速率。

此外，天平采用下勾式，最大量程为220g，精度为千分之一，且天平自动存储功能可设置数据读取频率(1组/s)并将实时读数与对应时间传送至电脑绘制曲线，以便计算大颗粒煤焦TG、DTG特性参数。

优选的，所述多孔均风网设于所述空腔的内部，且所述多孔均风网与所述炉膛相抵接。

优选的，所述炉衬的两端分别设有封堵板，且所述封堵板与所述炉体抵接。

优选的，所述加热区通过所述加热棒加热，并通过所述PID温控仪表程序控制加热温度及加热速率；其中所述加热棒、所述PID温控仪表分别与所述开关器件电性连接。

进一步优选的，所述加热区的最高加热温度为1600℃，且所述加热区的加热速率为15℃/min～20℃/min。

值得说明的是，炉体内三段加热区加热采用可控硅PID连续调节、50段智能仪表程序控制温度，其中0～1350℃升温速率最高可实现20℃/min，1350℃～1600℃升温速率最高可实现15℃/min。

若炉内升至1600℃，样品通过升降机构由炉外送入炉内，可通过热电偶测量温度场(环境温度～最高1600℃)，依据设定升降机升降速率，模拟层燃炉燃料入炉升温特性。

与现有技术相比，本发明公开了一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统，优点在于：

本发明公开的三段维大颗粒煤焦燃烧特性测试系统可有效解决目前研究煤焦反应特性存在的技术问题，并可模拟层燃锅炉燃料由常温开始加热至燃烧完全过程，真实反映大颗粒煤焦燃烧特性，研究不同温度、不同停留时间、不同燃烧气氛对大颗粒煤焦燃烧反应速率以及燃烧污染物排放的影响，分析大颗粒煤焦初始反应温度、着火温度、焦炭反应速率等特征参数以及NOx等污染物排放规律。本申请可为通过实验降低层燃灰渣含碳量、减少燃料燃烧污染物的排放提供数据支撑，为优化层燃锅炉燃烧调整提供理论依据，以实现层燃锅炉协同能效的低污染物排放。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统的结构示意图。

图2为本发明一种大颗粒煤焦燃烧特性测试系统的剖视图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种可测量大颗粒煤焦燃烧反应特性的测试系统，具体包括：炉体1和支撑炉体1的支架2；还包括：工作台3、升降装置、水冷装置和进气均风装置；

所述工作台3安设于支架2上，且工作台3设有PID温控仪表4和开关器件5；

炉体1自外向内依次由保温层6、炉衬7和炉膛18组成；炉体1分为三段加热区，加热区内设有加热棒8和热电偶，且加热棒8、热电偶分别与PID温控仪表4电性连接；

升降装置位于炉体1的顶端，且升降装置包括双导轨升降平台9、下挂式天平10和载料器件11；下挂式天平10放置于双导轨升降平台9的托板上，且下挂式天平10通过铂丝与载料器件11连接；

炉体1的顶端设有一空腔12，空腔12的顶端设有密封其的耐热带孔不锈钢板13；水冷装置盘绕于空腔12的外壁，且水冷装置包括设于空腔12壁外的进水接管14和出水接管15；进气均风装置包括多孔均风网16及设于空腔12壁外的进气管口和排气出口。

所述进气管口连接有气体管路22，气体管路22上安设阀门20与流量计，及气体管路22的一端连接装有气体的钢瓶21；钢瓶21中根据实验需求而装有N₂；

且所述炉体1的底部同样连接有气体管路22，气体管路22上安设阀门20与流量计，及气体管路22的一端连接装有气体的钢瓶21；钢瓶23中根据实验需求而装有反应气体。

进一步的，所述大颗粒煤焦燃烧特性测试系统还包括观测孔17；观测孔17设置于炉体1的外壁，且观测孔17用于观测炉膛18内燃料的燃烧情况，以及宏观分析温度与燃烧气氛的变化对所述燃料燃烧的影响。

示范性的，加热区内设有三根呈120°均匀布置的加热棒8，且加热棒8为U型硅碳棒。并且热电偶为铂金热电偶，且热电偶均匀布置于加热区。

进一步的，载料器件11为铂金料筐或铂金坩埚，且载料器件11、下挂式天平10和炉膛18处在同一轴线。

进一步的，多孔均风网16设于空腔12的内部，且多孔均风网16与炉膛18相抵接。

进一步的，炉衬7的两端分别设有封堵板19，且封堵板19与炉体1抵接。

进一步的，加热区通过加热棒8加热，并通过PID温控仪表4程序控制加热温度及加热速率；其中加热棒8、PID温控仪表4分别与开关器件5电性连接。

更进一步的，加热区的最高加热温度为1600℃，且加热区的加热速率为15℃/min～20℃/min。

为了进一步描述本发明申请公开的技术方案及验证技术方案达到的技术效果，发明人进行了下述实验：

(一)本发明公开的大颗粒煤焦燃烧特性测试系统的具体操作与工作原理如下：

1.恒温测试法：

(1)炉内温度升至设定温度(最高为1600℃)，通过热电偶沿纵向从环境温度至温度最高点测量不同点温度，并绘制温度场；

(2)依据温度场梯度与纵向长度(样品由环境温度停留点至最高温度停留点纵向距离)，并计算升降平台下降速率来模拟层燃锅炉燃料实际高升温速率特性分析，及计算提升速率模拟层燃锅炉燃料实际降温速率特性分析；其中试验台上部设置停留室，当样品完成测试升至停留室时，可通入氮气将燃料降温；

(3)将大颗粒煤焦放入铂金吊篮中，铂金吊篮通过铂金丝与升降平台上采用下挂式的天平相连，通入反应气体，通过软件设定升降平台下降速率，使得煤焦迅速由环境温度停留点移动至目标温度测点，并在目标温度测点停留模拟层燃炉燃料燃烧过程；待煤焦燃烧一定时间后设定提升速率将煤焦由目标温度移动至停留室模拟层燃燃料燃尽过程，当样品到达停留室后，通入N₂气降低煤焦样品的温度至环境温度；

(4)待煤焦降至环境温度时，分析燃烧后煤焦的含碳量，模拟计算大颗粒煤焦的燃尽率；

(5)通过软件实时读取天平读数并储存，可分段计算大颗粒煤焦TG、DTG曲线。

2.升温测试方法

(1)将大颗粒煤焦放入铂金吊篮中，铂金吊篮通过铂金丝与升降平台上采用下挂式的天平相连，通入反应气体(O₂与N₂的混合气，其中O₂浓度可调、通气流速可调)，通过软件直接将样品送至目标位置(热电偶测点，可直接读取并储存测点温度)，并设定加热速率由环境温度加热至目标温度(最高为1600℃)，升温过程中目标位置温度由电脑温控软件实时读取并保存；

(2)天平读数由电脑软件实时读取并保存，可计算不同温度点煤焦的TG、DTG曲线，分析煤焦燃烧反应特性；

(3)可通过热电偶测量观察孔测点温度，可将煤焦样品送至观察口位置，通过高速摄像机、红外摄像仪观察煤焦样品燃烧状态。

综上，本发明在恒温测试方法中可模拟实际层燃锅炉燃料烘干、挥发分析出燃烧过程与燃尽过程，且样品放入由铂金丝编制的吊篮中，可保证反应气与样品煤焦的充分接触，本发明通过恒温、升温测试法分别测试不同温度、不同反应气氛下煤焦样品的TG、DTG曲线，可分析煤焦样品在不同温度、不同反应气氛煤焦的燃烧速率，可指导层燃锅炉实际燃烧优化调整。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。