适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置及方法
阅读说明：本技术 适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置及方法 (Gas penetrability and stress measuring device and method suitable for powder under high-pressure environment ) 是由 梁财 骆兵 王欣 陈晓平 刘道银 马吉亮 于 2021-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置和实验方法,装置包括料仓筒,设置在料仓筒上端的上封头和设置在料仓筒下端的下封头；上封头上设有进料口、压力表、安全阀和上通气孔；下封头上设有下通气孔和出料口；料仓筒及下封头壁面自上而下设有传感器。本装置中传感器可同时获得高压环境下不同位置的气体压力及粉体应力,根据气体压力和粉体应力可获得气体穿透特性、粉体的压缩及固结机制；通过剪切实验获得充压后粉体的基础力学参数,可揭示粉体充压过程中粉体流动特性变化规律及成拱机制。根据气体的穿透特性、不同升压速率下的粉体压缩及固结机制,可优化充压料仓几何结构及充压操作参数,确保高压环境下粉体流动的稳定性。(The invention relates to a device and an experimental method for measuring gas penetrability and stress of powder in a high-pressure environment, wherein the device comprises a bin cylinder, an upper end socket arranged at the upper end of the bin cylinder and a lower end socket arranged at the lower end of the bin cylinder; the upper end enclosure is provided with a feed inlet, a pressure gauge, a safety valve and an upper vent hole; the lower end enclosure is provided with a lower vent hole and a discharge hole; sensors are arranged on the wall surfaces of the material bin barrel and the lower end enclosure from top to bottom. The sensor in the device can simultaneously obtain gas pressure and powder stress at different positions in a high-pressure environment, and can obtain gas penetration characteristics and a powder compression and consolidation mechanism according to the gas pressure and the powder stress; basic mechanical parameters of the powder after being pressurized are obtained through a shearing experiment, and the change rule of the flow characteristic of the powder and the arching mechanism in the powder pressurizing process can be revealed. According to the penetration characteristic of gas and the powder compression and consolidation mechanisms under different pressure increasing rates, the geometric structure and the pressure-increasing operation parameters of the pressure-increasing bin can be optimized, and the stability of powder flowing under the high-pressure environment is ensured.)
技术领域
本发明涉及密封环境充压时气体压力变化特性及粉体应力测量领域，特别涉及一种适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置和实验方法。
背景技术
大规模高效煤气化技术是煤炭高效清洁利用研究的重要领域之一。高压供粉系统是干煤粉气化工艺的核心技术的组成部分。高压料仓连接常压供粉系统和高压给料系统，是高压气化给煤系统的核心设备。高压料仓在工作过程中需频繁的进出煤粉及升降气压，工作环境复杂多变，设备可靠性和出料稳定性较差，易导致气化炉跳车，严重影响了气化炉运行的安全性、稳定性及后续产品生产的持续性。高压料仓的损毁及下料不畅已成为影响煤化工安全稳定生产的严重问题之一。故料仓中煤粉在高压环境下的特性变化及其规律是研究煤粉气化的关键问题之一。
高压料仓充压过程中气体穿透及粉体固结过程复杂，出料过程粉体应力动态演变机制多变，易形成料拱，导致停止出料、设备损毁。高压料仓内粉体的成拱机制与充压过程中的气体穿透、粉体受力固结及粉体应力演变密切相关。目前，高压料仓在运行过程中气体的穿透、粉体应力演变特性可借鉴的资料和经验很少，尚无成熟理论可以参照，以至于在对高压系统进行理论研究、工程设计及运行过程中缺乏基础理论和关键技术参数，无法形成完整的高压环境下粉体稳定流动的方案，有必要对高压粉体穿透及应力进行测量及特性研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种可进行高压环境下粉体的气体穿透及应力测量的装置，获得粉体在不同充压条件下的粉体流动及固结特性。
本发明的技术方案：本发明所述的适于一种适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置和实验方法，包括料仓筒、设置在所述料仓筒上端的上封头、设置在料仓筒中段的耳式支座和设置在所述料仓筒下端的下封头；
所述上封头上设有与上封头内腔相通的进料口、压力表、安全阀和上通气孔；所述下封头上设有与下封头内腔相通的下通气孔及出料口。
进一步的，所述料仓筒及下封头壁面自上而下设有传感器，所述传感器与料仓筒及下封头内腔相通；所述传感器由应力传感器和气压传感器组成。
进一步的，所述传感器可分别同时测量各测点气体压力及粉体应力；根据充压过程气体的穿透速率、压力衰减规律及粉体的应力演变规律，揭示不同深度和压力下粉体层颗粒加速特性、粉体固结和压缩的机制。
进一步的，还包括用于剪切实验时替换所述下封头的剪切装置；所述剪切装置包括对接所述料仓筒的法兰盲板和设置在所述法兰盲板上的应力剪切盒。待剪切装置替换下封头(9)后进料并充压，泄压后将带有粉体的剪切盒放置在剪切仪内进行剪切特性实验，获得充压后粉体的流动特性及不同深度和不同压力下的变化规律
本发明还公开了一种适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量实验方法，包括粉体的气体穿透特性及粉体的应力测量过程和粉体的剪切特性实验过程；
所述粉体的气体穿透特性及粉体的应力测量过程包括以下步骤：
a.关闭所有阀门，检查实验装置气密性后，打开进料口，向实验装置加入粉体物料至规定位置，进料结束后关闭进料口，检查并保持装置密封；
b.打开与传感器连接的数据采集仪，获得初始状态下各传感器测点处壁面应力及气体压力；
c.通过质量流量计设置进入上通气孔和下通气孔气体的充气速率和充气压力，向实验装置内输送气体，直至达到设定的压力；
d.记录初始状态至充压结束时的各传感器数据；
e.出料结束后使用上通气孔泄压。
所述粉体的剪切特性实验过程包括如下步骤：
A.将所述对料仓筒下端下封头替换为剪切装置后关闭所有阀门，检查实验装置气密性，用支架将应力剪切盒装载在预设位置，打开进料口，向实验装置加入粉体物料至规定位置后关闭进料口，使之密封；
B.通过质量流量计设置进入上通气孔的充气速度和充气压力，向实验装置内输送气体，直至达到设定的压力；
C.压力表数值稳定一段时间后，使用上通气孔泄压，直至与大气环境压力一致；
D.拆下法兰盲板，取出应力剪切盒，放置在配套剪切仪中进行粉体的剪切特性实验，获得充压后粉体的剪切特性参数。
有益效果：
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.本发明的实验装置可同时获取高压封闭环境下不同测试位置的粉体应力及气体压力，据此可知充压过程不同深度测点粉体应力及气体压力变化规律，进而掌握粉体沿径向的压缩特性、粉体层内颗粒加速特性及固结规律，揭示充压及静置对粉体基础流动力学特性的影响规律。
2.现有高压料仓内粉体的气体穿透位置不易测量，易出现固结，难以准确调整充压参数，不利于后续出料。本装置可通过传感器获得不同位置处的气体压力，若一测点靠近通气孔方向的测点均有气体压力，而远离通气孔方向的测点均无气体压力，说明该测点为穿透位置，据此调整上下通气孔气体压力或充气速度以完全穿透粉体，进而解决固结问题，利于出料。
3.目前高压料仓密封情况下难以获得高压环境下粉体的压缩特性。本装置可充压使仓内压力由大气压p0增加到p1，根据不同位置处传感器的粉体应力分析，若其中一测点靠近其上端通气孔方向的测点均没有粉体应力，而该测点下方测点的传感器均有粉体应力，说明该测点处为粉体的上端位置，记其与下封头出料口距离作h0，即压缩前粉体高度；待通气孔向仓内充气形成高压环境后，用相同方法测出粉体上端位置，记其与下封头出料口距离作h1，即压缩后粉体高度。据此可以得知某特定粉体的压缩特性表征系数
4.高压料仓内粉体经高压气体压缩后其基础力学特性发生变化，目前进行剪切实验均为常压状态下的粉体，因而无法准确分析高压环境下粉体的流动性以保证出料顺利。本装置可将高压料仓下端锥段部分换成平直法兰，通过支架可将应力剪切盒放置在任意高度，充压结束后将应力剪切盒放置在剪切仪上进行剪切实验，根据不同位置粉体的剪切特性，可获得不同深度、不同充压速率及不同压力下的粉体流动特性及变化规律。
5.本装置同时设置上、下两个通气孔，可调整两者充气速度及比例，揭示不同充压参数对粉体穿透和应力状态的影响，获得不同充压条件下粉体穿透状态及应力状态，以便选择固结应力最小、粉体流动性较好的充压方式。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明中料仓筒与剪切装置的安装状态示意图。
其中附图标记为：1-进料口，2-压力表，3-安全阀，4-上通气孔，5-椭圆形封头，
6-耳式支座，7-壁面传感器，8-料仓筒，9-锥形封头，10-下通气孔，11-出料口，
12-应力剪切盒，13-法兰盲板，14-剪切装置
具体实施方式
为了加深本发明的理解，结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1～2所示，本发明提出的适于高压环境下粉体的气体穿透性及应力测量装置，仓筒8顶部铺设密封垫片与上封头5通过螺栓紧固连接，料仓筒8底部铺设密封垫片与下封头9通过螺栓紧固连接。进料口1外接阀门与给料装置相连，出料口11外接阀门与耐压接料罐相连，上通气孔4和下通气孔10外接阀门与供气气源相连，所有阀门关闭时保证实验装置气密性。
粉体的气体穿透及应力测量实验具体操作步骤：通过打开进料口1向料仓筒8内中加入物料，进料完成后关闭阀门，检查并保持装置密封；打开壁面传感器7的数据采集仪；通过质量流量控制器调整上通气孔4和下通气孔10的充气速度、充气压力及其比例向料仓中输送气体，直至达到设定值；壁面传感器7的数据采集仪同时记录出料过程中测点的粉体应力和气体压力；出料结束后，通过上通气孔4泄压。
测量高压粉体剪切特性时，料仓筒8顶部铺设密封垫片与上封头5通过螺栓紧固连接，将料仓筒8下端下封头9替换为剪切装置14，料仓筒8底部铺设密封垫片与法兰盲板13通过螺栓紧固连接，应力剪切盒12可借助支架置于料仓筒8内任意高度位置，用于装载高压环境下的粉体。待形成稳定的高压环境后泄压，将带有粉体的剪切盒放置在剪切仪内进行剪切实验，获得高压环境下粉体的力学特性，可根据不同深度和不同压力分析其规律。
剪切实验具体操作：进料口1外接阀门与给料装置相连，上通气孔4外接阀门与供气气源相连，所有阀门关闭时保证实验装置气密性。打开进料口1，向实验装置加入粉体物料至应力剪切盒12预设位置，装载应力剪切盒12，继续进料至规定位置，进料结束后关闭进料口1，使之密封；通过质量流率控制器控制上通气孔4内气体的参数并向仓内充气，直到达到设定的压力；压力表2数值稳定一段时间后，使用上通气孔4泄压，直至与大气环境压力一致；拆下剪切装置14，取下应力剪切盒12，放置在配套剪切仪中进行粉体剪切特性试验。
本发明包括一种高压粉体穿透及应力测量实验方法，基于图1所示装置，具体包括以下步骤：
1.关闭所有阀门，检查实验装置气密性后，打开进料口1，向实验装置加入粉体物料至规定位置，进料结束后关闭进料口1，使装置保持密封；
2.打开与壁面传感器7连接的数据采集仪，获得各传感器测点处粉体应力及气体压力；
3.通过质量流量计设置上通气孔4和下通气孔11的充气速度和充气压力及其上下比例，向实验装置内输送气体，直至达到设定的压力；
4.分析所述各测点气体压力值，可得在该压力下气体对该粉体物料的穿透特性及各测点处气体压力变化规律；
5.分析所述各测点壁面应力值，可得在该压力下粉体物料的压缩特性及充压过程中各测点处壁面应力变化规律；
6.记录初始状态至充压结束时的传感器数据；
7.出料结束后使用上通气孔4泄压。
其中，步骤3可通过壁面传感器7同时获得粉体应力及气体压力，据此分析得到：充压过程中气体穿透特性，粉体内部及沿壁处颗粒加速特性，粉体压缩及固结的机制和特性等力学规律。
其中，步骤3可以设置上通气孔4和下通气孔11不同的充气速度和充气压力比例，研究不同充气速度及不同充气压力条件下粉体的固结及流动特性。
本发明还包括一种高压粉体剪切特性实验方法，基于图1所示装置，图2所示为装置部分剖视图，具体包括以下步骤：
1.待剪切装置14替换下封头9后关闭所有阀门，检查实验装置气密性；用支架装载应力剪切盒12至预设位置，打开进料口1，向实验装置加入粉体物料至规定位置，进料结束后关闭进料口1，使装置保持密封；
2.通过质量流量计设置上通气孔4的通气流量、压力，向实验装置内输送气体，直至达到设定的压力；
3.压力表2数值稳定一段时间后，使用上通气孔4泄压，直至与大气环境压力一致；
4.拆下剪切装置14，取出应力剪切盒12，放置在配套剪切仪中进行粉体剪切特性试验。
其中，在配套剪切仪的后续试验中可知粉体的内摩擦系数和粘附力，用以评价其流动性。
其中，本装置可对不同深度及不同压力环境下的粉体进行实验，分析可知料仓内不同深度和不同压力下粉体的流动特性及其规律。
本发明还包括一种适用于改善本测量装置出料的方法，本方法包括：
根据不同位置处气体压力进行分析，若任一测点靠近其上端通气孔方向的测点的传感器7均有气体压力，而远离通气孔方向的测点均没有气体压力，则说明穿透位置在该测点处，此时应调整上下通气孔气体参数及其比例，来使粉体完全被穿透，解决固结问题便于出料。
由于目前高压料仓密封情况下无法获得粉体的压缩特性。本发明还包括一种适用于本测量装置的粉体压缩特性检测方法，包括测算粉体的压缩特性表征系数：
从进料口1加入物料，充压使仓内压力由大气压p0增加到p1，根据不同位置处传感器7的粉体应力分析，若其中一测点靠近其上端通气孔方向的测点均没有粉体应力，而该测点下方测点的传感器均有粉体应力，说明该测点处为粉体的上端位置，记其与下封头出料口距离作h0，即压缩前粉体高度；待通气孔向仓内充气形成高压环境后，用相同方法测出粉体上端位置，记其与下封头出料口距离作h1，即压缩后粉体高度。据此可以得知某特定粉体的压缩特性表征系数
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
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