阅读说明：本技术 一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置 (Laboratory research device of three useless base expanded materials of coal-electricity integration ) 是由 万志军 王骏辉 熊路长 武兆鹏 程敬义 刘泗斐 王三伟 曹景轩 王子琦 张超 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置,水液互驱单元的两个输入端分别与恒流恒压泵的输出端和补液泵的输出端连接,其输出端通过盘管和新型发泡器的液路通道连接；盘管和新型发泡器设置在循环水浴内部,高速摄像机用于采集新型发泡器的泡沫图像；高压储罐分别与气相色谱仪和气体混合罐连接；真空泵与气体混合罐连接；标定气瓶与气体混合罐贯通连接；气体混合罐依次通过电磁减压阀、逆止阀和涡旋式气体流量计与新型发泡器的气动接头连接；混合浆体搅拌器的两个输出支路分别与螺杆泵的进料口和称重器A连接；螺杆泵的出料口与新型发泡器的出料口与三废基发泡材料混合器的两个进料口连接。该装置能为三废基发泡材料的定性定量研究提供基础。(A laboratory research device for coal-electricity integrated three-waste-base foaming materials is characterized in that two input ends of a water-liquid mutual driving unit are respectively connected with an output end of a constant-current and constant-pressure pump and an output end of a liquid supplementing pump, and output ends of the water-liquid mutual driving unit are connected with a liquid channel of a novel foaming device through a coil pipe; the coil pipe and the novel foaming device are arranged in the circulating water bath, and the high-speed camera is used for collecting a foam image of the novel foaming device; the high-pressure storage tank is respectively connected with the gas chromatograph and the gas mixing tank; the vacuum pump is connected with the gas mixing tank; the calibration gas cylinder is communicated with the gas mixing tank; the gas mixing tank is connected with a pneumatic joint of the novel foam maker sequentially through an electromagnetic pressure reducing valve, a check valve and a vortex gas flowmeter; two output branches of the mixed slurry stirrer are respectively connected with a feed inlet of the screw pump and the weighing device A; the discharge port of the screw pump and the discharge port of the novel foaming device are connected with two feed ports of a three-waste-based foaming material mixer. The device can provide a basis for qualitative and quantitative research of the three-waste-based foaming material.)

一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置

技术领域

本发明属于绿色矿山技术领域，具体涉及一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究 装置。

背景技术

煤电一体化带来巨大效益的同时，不可避免增加了煤电企业发电成本的控制与监督的负担，煤电一体化集成了煤矿生产过程中矿井废水、矿井高盐水和电厂生产中所产生的粉煤灰、烟道气等废弃物于一体，不仅体量巨大，而且对当地环境带来了极大破坏。

对于煤电一体化产生的粉煤灰、烟道气、高盐矿井水(固、气、液三废)的处理及利用问题一直是亟待解决的难题，现有的处理装置对于煤电一体化废弃物的综合利用程度较低，且方法单一可行性较差，不利于大范围的推广及工业应用。

三废基发泡材料是对煤电企业“粉煤灰-烟道气-高盐矿井水”固气液三废的再利用、并 借助非标专用设备和相关工艺生产发泡材料，该材料塑性变形能力强且有一定的承载能力， 流动性强且堆积性高，具有快速凝结(凝结时间可调)且不渗水的特点，不仅能用于矿井 工作面端头充填堵漏风、矿井采空区抑制煤氧化防灭火作业的过程中，而且在废弃矿井烟 道气和固体废弃物封存、建筑保温材料、矿用喷浆材料等方面都有很好的应用。但是现有 技术中，并没有适用于实验室研究及制备三废基发泡材料的装置，从而不便于研究不同变 量条件下三废基发泡材料的流态性质、不同的流态性质对应于发泡材料固化后的物理和力 学性质。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室 研究装置，该装置能利用粉煤灰、烟道气和高盐矿井水材料快速高效地制备三废基发泡材 料，并能对三废基发泡材料的生产过程进行智能化监控，便于获得三废基发泡材料的特征 数据，能为三废基发泡材料的定性研究提供基础，有利于研究不同变量条件下三废基发泡 材料的流态性质、不同的流态性质对应于发泡材料固化后的物理和力学性质，且研究成果 可以指导三废基发泡材料的制备及矿井应用。

本发明提供一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置，包括煤电一体化三废基 发泡材料生成装置、发泡剂混合溶液的恒流装置、泡沫发生及观测装置、烟气成份分析及配 气装置和控制台；

所述发泡剂混合溶液的恒流装置包括水液互驱单元、恒流恒压泵和发泡剂溶液混合单元； 所述水液互驱单元包括第一双向活塞缸、第二双向活塞缸和多个转换阀；第一双向活塞缸和 第二双向活塞缸的结构相同，其缸筒内部设置有与缸筒滑动密封配合的活塞，活塞将缸筒的 内腔分隔为相互独立的两个无杆腔，两个无杆腔分别通过设置在缸筒的两端的工作口A和工 作口B与外部连通，第一双向活塞缸和第二双向活塞缸上分别设置有用于检测各自活塞位置 的第一位移传感器和第二位移传感器；多个转换阀分别为第一转换阀、第二转换阀、第三转 换阀、第四转换阀、第五转换阀、第六转换阀、第七转换阀和第八转换阀，所述转换阀具有 通过控制连通或截断配合的工作口C和工作口D，第四转换阀和第一转换阀的工作口C相互 连通后作为水液互驱单元的入水口，第四转换阀和第一转换阀的工作口D分别与第一双向活 塞缸和第二双向活塞缸的工作口A连接，第五转换阀和第八转换阀的工作口D相互连通后作 为水液互驱单元的出口，并通过单向阀和电磁液体流量计A一端连接；第五转换阀和第八转 换阀的工作口C分别与第一双向活塞缸和第二双向活塞缸的工作口B连接，第二转换阀和第 三转换阀的工作口C均与外部空气连通，第二转换阀和第三转换阀的工作口D分别与第一双 向活塞缸和第二双向活塞缸的工作口A连接，第六转换阀和第七转换阀的工作口C分别与第 一双向活塞缸和第二双向活塞缸的工作口B连接，第六转换阀和第七转换阀的工作口D相互 连通后作为水液互驱单元的入液口；所述恒流恒压泵的进液口通过管路与冷水容器的底部连 接，其出液口与水液互驱单元的入水口连接；所述发泡剂溶液混合单元包括补液泵、发泡剂 混合溶液储存桶和安全阀，所述补液泵的进液口通过管路与发泡剂混合溶液储存桶的底部连 接，其出液口通过安全阀与水液互驱单元的入液口连接；

所述泡沫发生及观测装置包括循环水浴、新型发泡器和高速摄像机；所述盘管设置在循 环水浴内部的一侧，盘管的一端与电磁液体流量计A的另一端连接；所述新型发泡器设置在 循环水浴内部，新型发泡器的顶部设有气液混合室及连通气液混合室与外部的喷出孔，并于 气液混合室的一侧设置有透明的竖向观测平面；新型发泡器在气液混合室以下的部分设置有 位于其轴心处的液路通道和环绕液路通道分布的多个气路通道，液路通道上端与气液混合室 连通，其下端与盘管的另一端连接；气路通道里端与液路通道连通，其外端与固定连接在新 型发泡器外侧的气动接头的出气端连接；喷出孔与保温管路的进料端连接；所述高速摄像机 支设在新型发泡器的外侧，且镜头对准竖向观测平面；

所述烟气成份分析及配气装置包括高压储罐、真空泵和多个标定气瓶；高压储罐储存有 电厂排放的烟道气体，高压储罐通过带有控制阀的管路分别与气相色谱仪和气体混合罐连接； 所述真空泵的进气口通过管路与气体混合罐贯通连接；所述标定气瓶中装有实验室标准气体， 并通过带有电磁阀A的管路与气体混合罐贯通连接；气体混合罐连接有主输气管路，主输气 管路上依次串接有电磁减压阀、逆止阀和涡旋式气体流量计，主输气管路的出气端通过与其 连接的各个输气支路分别与各个气动接头的进气端连接；

所述煤电一体化三废基发泡材料生成装置包括混合浆体搅拌器；所述混合浆体搅拌器的 一个输出支路与螺杆泵的进料口连接，另一个输出支路通过快速开关电磁阀A与称重器A连 接；所述螺杆泵的出料口通过电磁液体流量计B与三废基发泡材料混合器的一个进料口连接； 三废基发泡材料混合器的另一个进料口与保温管路的出料端连接，三废基发泡材料混合器的 一个输出支路通过快速开关电磁阀B与称重器B连接，另一个输出支路通过电磁阀B与振动 式粘度计连接；

所述控制台分别与恒流恒压泵、电磁液体流量计A、第一转换阀、第二转换阀、第三转 换阀、第四转换阀、第五转换阀、第六转换阀、第七转换阀和第八转换阀、第一位移传感器、 第二位移传感器、高速摄像机、真空泵、气相色谱仪、电磁阀A、电磁减压阀、快速开关电磁阀A、快速开关电磁阀B和振动式粘度计连接。

作为一种优选，所述恒流恒压泵为柱塞式双缸泵，其输出参数为0～500ml/min恒流液 体或0～150MPa恒压液体；所述高速摄像机的型号为Phantom Miro LC系列。

作为一种优选，所述盘管通过盘管支撑架纵向支设在循环水浴的内部。

作为一种优选，所述循环水浴包括温度传感器、加热棒、温控器和循环泵，所述温度传 感器和加热棒设置在循环水浴的内部，所述温度传感器与设置在循环水浴外部的温控器连接， 用于反馈循环水浴的内部温度，所述温控器与加热棒连接，用于根据反馈的内部温度控制加 热棒的加热功率；所述循环泵的进液口通过管路与循环水浴的底部贯通连接，其出液口通过 管路与循环水浴的上部贯通连接。

进一步，为了提高发泡的效果，所述气液混合室中还固定连接有倾斜设置的挡板，所述 挡板位于液路通道的正上方，挡板靠近喷出孔的一端低于远离喷出孔的一端。通过挡板的设 置能使泡沫在混合室内滞留更长的时间，从而能进一步地促进气液的混合，进而能提高发泡 效果。

进一步，所述液路通道上部的一段相间隔地设置有两个缩颈段，两个缩颈段分别位于气 路通道里端的上方和下方，缩颈段向上向下均平滑过渡。两个缩颈段的设置能使得气液更充 分的混合且能实现完全的紊流，能有效提高发泡效率。

进一步，为了方便组装和维护，所述新型发泡器由纵向依次分布的混合体、喷出体A、喷 出体B和底部支撑体组成；

所述气液混合室设置在混合体的内部，所述竖向观测平面设置在混合体上部的一侧，所 述喷出孔设置在混合体的顶部一侧，且位于竖向观测平面的上方；

所述喷出体A为由位于上端的大径段和位于大径段以下的小径段组成的阶梯结构，喷出 体A在其轴心处开设有轴向贯通的第一液路，并在第一液路的外侧开设有与第一液路连通的 若干个第一气路，第一气路具有位于里侧的倾斜段和位于外侧的水平段，且倾斜段外高里低 倾斜地设置，若干个第一气路的倾斜段与喷出体A轴心线的夹角各不相同；小径段上部的外 侧设置有至少一个定位块，小径段下端的中心设置有带有外螺纹的连接凸块A；

所述喷出体B上部的轴心处开设有与喷出体A的小径段相适配的承载凹槽，并于承载凹 槽的底部中心开设有带有内螺纹的连接凹槽；喷出体B在承载凹槽上部的外侧开设有与定位 块相对应的定位环槽，并在定位环槽以上的部分设置有延伸到喷出体B上端面的导向竖槽， 还在承载凹槽上部外侧的径向上开设有与第一气路相对应设置的若干个第二气路,第二气路 连通承载凹槽与喷出体B的外部；所述气动接头固定连接在喷出体B的外表面，且与对应的 第二气路的外端连通；喷出体B下端中心通过圆柱形的延伸部连接有圆形卡盘；喷出体B于 连接凹槽的底部中心开设有延伸到延伸部下端面的第二液路；

所述底部支撑体包括底座和两个底座封板，所述底座的中部设置有供圆形卡盘和延伸部 滑动穿过的呈倒转的T字形的横向滑槽，底座的下端中心设置有带有外螺纹的连接凸块B， 底座在横向滑槽的底部到连接凸块B下端面之间的部分设置有第三液路；底座的设置能方便 新型发泡器喷出孔位置的改变，同时，还能方便该新型发泡器于不同位置上的安装。

所述大径段的上端面与混合体的下端面固定连接，且第一液路的上端与气液混合室贯通 连接；所述小径段插装于承载凹槽中，且连接凸块A与连接凹槽通过螺纹配合连接、大径段 与喷出体B的上端面通过螺栓连接、纵向穿过导向竖槽的定位块与定位环槽限位配合、第一 气路的外端和第二气路的里端对应贯通连接、第一液路的下端与第二液路的上端对应贯通连 接；所述圆形卡盘滑动穿入横向滑槽中，且第三气路的上端与第二液路的下端贯通连接；两 个底座封板彼此相对置地封堵在横向滑槽的两端，并通过螺栓与底座固定连接；连接凸块B 通过螺纹配合连接在循环水浴的底部；

所述气路通道由相连通的第一气路和第二气路形成，所述液路通道由依次相连通的第一 液路、第二液路和第三液路形成。

作为一种优选，所述螺杆泵包括伺服电动缸，所述伺服电动缸的输出端通过连接轴和万 向节与螺杆轴的一端连接，所述螺杆轴可转动地设置在衬套中。

本发明中的水液互驱单元中的两个双向活塞缸在控制台的控制下可以实现交替的补液和 排液，进而能配合恒流恒压泵和补液泵来利用冷水容器中的液体作为动力驱动发泡剂混合溶 液的连续稳定输出，有效地保证了发泡剂混合溶液的恒流或恒压供应，并有效避免了脉冲波 动对溶液输出过程的影响。另外，水液互驱单元能将酸性的发泡剂混合溶液和恒流恒压泵进 行有效的隔离，能避免酸性的发泡剂混合溶液腐蚀恒流恒压泵，有利于延长恒流恒压泵的使 用寿命。盘管设置在循环水浴中，进而发泡剂混合溶液能在盘管中充分地预热并在进入新型 发泡器的液路通道前即可达到设定温度，而新型发泡器同样设置在循环水浴中，其内部的温 度为设定温度，这样，经过预热后的发泡剂混合溶液在进入新型发泡器内部后即能以最适宜 的温度快速的发泡，能有效的缩短发泡时间，并能提高发泡效率。高速摄像机能实时采集气 液混合室中的图像数据并发送给控制台，便于控制台通过图像处理技术实时获得反映泡沫大 小和分布的特征数据。烟气成份分析及配气装置中的气相色谱仪能对烟道气体成分进行快速 有效的分析，并将分析后的数据发送给控制台，控制台可根据所收到的分析数据与试验的目 标成分和体积量进行比较，从而便于计算出气体混合罐需要补充气体的成分和体积量，在计 算结束后通过控制对应电磁阀A来控制对应标定气瓶中的实验气体补入气体混合罐中，以便 于实现对烟道气体成分和体积量的的快速补充；气体混合罐中配比好的气体依次通过电磁减 压阀、逆止阀和涡旋式气体流量计供入新型发泡器中的气路通道，最后与达到设定温度的发 泡剂混合溶液在液路通道内混合。电磁减压阀能将气体混合罐中的混合气体进行减压并以恒 定流量输出，进而能保证混合气体能稳定持续地冲击进入到液路通道内的发泡剂混合溶液， 进而能进一步提高发泡效率。涡旋式气体流量计能对流量进行标定，从而能进一步保证混合 气体的稳定供应；逆止阀能保证气路和液路的相互独立，不会相互影响。螺杆泵将混合后粉 煤灰、水泥和处理后的高盐矿井水稳定地输出到三废基发泡材料混合器中，进而能在三废基 发泡材料混合器中与新型发泡器输出的发泡材料进行充分混合，混合后的材料即可以输出到 使用端进行后续使用。称重器A和B的设置能将称重数据反馈给控制台，便于控制台快速计 算出发泡材料的孙隙度，振动式粘度计能快速实时地测量出发泡材料的粘度，可以为后续发 泡材料的性能研究提供基础。本发明能对于煤电一体化三废材料(燃煤电厂粉煤灰、燃煤电 厂烟道气、煤矿高盐矿井水)进行了合理的处理，并能进行有效地再利用。该装置可以对泡 沫性质(大小及分布)和三废基发泡材料性质(孔隙度和粘度)进行有效的监测，能对三废 基发泡材料的工业实践和应用起到基础研究和数据积累提供指导作用。本装置中的各个部件 可便进行拆卸，方便进行清洗和生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中新型发泡器的结构示意图；

图3是本发明中混合体与喷出体A的装配示意图；

图4是本发明中喷出体B的结构示意图；

图5是本发明中底座的结构示意图；

图6是本发明中底座封板的结构示意图；

图7是本发明中煤电一体化三废基发泡材料制备的流程图。

图中：1、冷水容器，2、恒流恒压泵，3、第一位移传感器，4、竖向观测平面，5、第 二位移传感器，6、第一双向活塞缸，7、第二双向活塞缸，8、安全阀，9、补液泵，10、 发泡剂混合溶液储存桶，11、混合体，12、连接凸块A，13、单向阀，14、电磁液体流量计 A，15、循环水浴，16、盘管，17、盘管支撑架，18、温度传感器，19、加热棒，20、新型 发泡器，21、高速摄像机，22、温控器，23、液路通道，24、气路通道，25、圆形卡盘， 26、滚珠，27、喷出体A，28、大径段，29、第二液路，30、定位块，31、喷出体B，32、 承载凹槽，33、连接凹槽，34、底座，35、第一气路，36、连接凸块B，37、第二气路，38、气动接头，39、缩颈段，40、气液混合室，41、挡板，42、喷出孔，43、电磁阀B，44、 气相色谱仪，45、标定气瓶，46、高压储罐，47、气体混合罐，48、真空泵，49、定位环 槽，50、电磁减压阀，51、涡旋式气体流量计，52、保温管路，53、色谱仪标定瓶，54、 导向竖槽，55、混合浆体搅拌器，56、伺服电动缸，57、连接轴，58、万向节，59、螺杆轴，60、衬套，61、三废基发泡材料混合器，62、快速开关电磁阀A，63、称重器B，64、 振动式粘度计，65、称重器A，66、延伸部，67、小径段，68、横向滑槽，69、电磁阀A， 70、螺杆泵，71、电磁液体流量计B，72、快速开关电磁阀B，73、第一液路，74、底座封 板，75、主输气管路，76、输气支路；

V1、第一转换阀，V2、第二转换阀，V3、第三转换阀，V4、第四转换阀，V5、第五转 换阀，V6、第六转换阀，V7、第七转换阀，V8、第八转换阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置，包括煤电一体化三废 基发泡材料生成装置、发泡剂混合溶液的恒流装置、泡沫发生及观测装置、烟气成份分析及 配气装置和控制台；作为一种优选，所述控制台为工业计算机；

所述发泡剂混合溶液的恒流装置包括水液互驱单元、恒流恒压泵2和发泡剂溶液混合单 元；所述水液互驱单元包括第一双向活塞缸6、第二双向活塞缸7和多个转换阀；第一双向 活塞缸6和第二双向活塞缸7的结构相同，其缸筒内部设置有与缸筒滑动密封配合的活塞， 活塞将缸筒的内腔分隔为相互独立的两个无杆腔，两个无杆腔分别通过设置在缸筒的两端的 工作口A和工作口B与外部连通，第一双向活塞缸6和第二双向活塞缸7上分别设置有用于 检测各自活塞位置的第一位移传感器3和第二位移传感器5，位移传感器用于采集双向活塞 缸中的活塞中的位置信号，并反馈给控制台，控制台根据收到的位置信号判断活塞的位置， 进而判定补液状态和注液状态是否结束，以便于控制台控制发泡剂混合溶液恒流或恒压状态 稳定输出；多个转换阀分别为第一转换阀V1、第二转换阀V2、第三转换阀V3、第四转换阀 V4、第五转换阀V5、第六转换阀V6、第七转换阀V7和第八转换阀V8，所述转换阀具有通过 控制连通或截断配合的工作口C和工作口D，第四转换阀V4和第一转换阀V1的工作口C相 互连通后作为水液互驱单元的入水口，第四转换阀V4和第一转换阀V1的工作口D分别与第 一双向活塞缸6和第二双向活塞缸7的工作口A连接，第五转换阀V5和第八转换阀V8的工 作口D相互连通后作为水液互驱单元的出口，并通过单向阀13和电磁液体流量计A14一端连 接；第五转换阀V5和第八转换阀V8的工作口C分别与第一双向活塞缸6和第二双向活塞缸 7的工作口B连接，第二转换阀V2和第三转换阀V3的工作口C均与外部空气连通，第二转 换阀V2和第三转换阀V3的工作口D分别与第一双向活塞缸6和第二双向活塞缸7的工作口 A连接，第六转换阀V6和第七转换阀V7的工作口C分别与第一双向活塞缸6和第二双向活 塞缸7的工作口B连接，第六转换阀V6和第七转换阀V7的工作口D相互连通后作为水液互 驱单元的入液口；水液互驱单元能将酸性的发泡剂混合溶液和恒流恒压泵2进行隔离，能避 免酸性的发泡剂混合溶液腐蚀恒流恒压泵2，又可以配合恒流恒压泵2和补液泵9将发泡剂 混合溶液恒流或恒压输出；所述恒流恒压泵2的进液口通过管路与冷水容器1的底部连接， 其出液口与水液互驱单元的入水口连接，恒流恒压泵2将；所述发泡剂溶液混合单元包括补 液泵9、发泡剂混合溶液储存桶10和安全阀8，所述补液泵9的进液口通过管路与发泡剂混 合溶液储存桶10的底部连接，其出液口通过安全阀8与水液互驱单元的入液口连接；安全阀 8可以通过设置最大释放压力对发泡剂溶液混合单元起到保护作用。发泡剂混合溶液储存桶 10用于将加入的发泡剂和处理后的高盐矿井水按一定的比例均匀混合形成发泡剂混合溶液， 发泡剂溶液混合单元用于将发泡剂混合溶液供给水液互驱单元的入液口。

作为一种优选，第一双向活塞缸6、第二双向活塞缸7的缸筒均采用403不锈钢制成的 筒体。

优选的，第一转换阀V1至第二转换阀V8的控制过程为：补液阶段：控制台控制补液泵 9工作将发泡剂混合溶液反推到第一双向活塞缸6和第二双向活塞缸7两个双向活塞缸中， 此时控制台控制转换阀动作，具体转换阀的状态为：第六转换阀V6、第七转换阀V7、第二转 换阀V2、第三转换阀V3打开，其他转换阀均关闭，两个活塞缸中的活塞均到达上端，第一 位移传感器3和第二位移传感器5感知到活塞到达上端后，发送补液完成信号给控制台，控 制台收到补液完成信号后控制补液泵9停止工作、控制恒流恒压泵2工作，同时，控制转换 阀动作，具体转换阀的状态为：第四转换阀V4、第八转换阀V8打开，第三转换阀V3、第七转换阀V7关闭，此时，恒流恒压泵2泵出的冷水容器1中的液体供给第一双向活塞缸6一端的无杆腔，进而会推动第一双向活塞缸6另一个无杆腔中的发泡剂混合溶液到盘管16中，该过程中第二双向活塞缸7处于等待状态。第一双向活塞缸6完成注液后，其活塞到在下端，第一位移传感器3感知到活塞到达下端后，发送注液完成信号给控制台，控制台收到第一位移传感器3发出的注液完成信号后控制转换阀动作，具体转换阀的状态为：第四转换阀V4、第八转换阀V8、第二转换阀V2、第六转换阀V6关闭，第三转换阀V3、第七转换阀V7、第一 转换阀V1、第五转换阀V5，同时，控制补液泵9工作，向第一双向活塞缸6补液，第二双向 活塞缸7继续注入，该过程中，控制台控制补液泵9的补液速度比恒流恒压泵2的注液速度 快，第一双向活塞缸6的补液过程先于第二双向活塞缸7的注液过程完成。第一双向活塞缸 6补液完成，处于待命状态，相同原理，第一双向活塞缸6与第二双向活塞缸7交替注入保 证恒流或恒压的稳定输出。

所述泡沫发生及观测装置包括循环水浴15、新型发泡器20和高速摄像机21；所述盘管 16设置在循环水浴15内部的一侧，作为一种优选，所述盘管16采用304不锈钢材质制成， 其直径为6mm；盘管16的一端与电磁液体流量计A14的另一端连接；如图2所示，所述新型 发泡器20设置在循环水浴15内部，新型发泡器20的顶部设有气液混合室40及连通气液混 合室40与外部的喷出孔42，并于气液混合室40的一侧设置有透明的竖向观测平面4；新型 发泡器20在气液混合室40以下的部分设置有位于其轴心处的液路通道23和环绕液路通道 23分布的多个气路通道24，液路通道23上端与气液混合室40连通，其下端与盘管16的另一端连接；气路通道24里端与液路通道23连通，其外端与固定连接在新型发泡器20外侧的气动接头38的出气端连接；喷出孔42与保温管路52的进料端连接；所述高速摄像机21支 设在新型发泡器20的外侧，且镜头对准竖向观测平面4，所述高速摄像机31用于实时采集 气液混合室40内的图像数据，并实时发送给控制台；控制台对收到的图像数据进行处理，得到气液混合室40内生成的泡沫大小和分布特征参数；作为一种优选，保温管路52的管壁外侧依次包覆有内锡箔纸层、保温石棉层和外锡箔纸层。

发泡剂混合溶液在水液互驱单元的作用下经盘管16注入到新型发泡器20，盘管16置入 循环水浴15中，能保证注入到新型发泡器20中的发泡剂混合溶液的温度在设定范围内，从 而能有效提高发泡效率，并能有效缩短发泡时间。

所述烟气成份分析及配气装置包括高压储罐46、真空泵48和多个标定气瓶45，多个标 定气瓶45分别装有CO₂、SO₂、N₂和NO_X等气体；高压储罐46储存有电厂排放的烟道气体，具体地，烟道气体以10MPa压力存储于高压储罐46中，高压储罐46通过带有控制阀的管路分别与气相色谱仪44和气体混合罐47连接，作为一种优选，所述气相色谱仪44连接有色谱仪标定瓶53。所述气相色谱仪44用于对烟道气体成分进行分析，并将分析数据发送给控制台；控制台根据分析数据计算出气体混合罐47需要补充气体的成分和体积量，并根据计算结 果控制对应的电磁阀A打开设定时间来将对应标定气瓶45中的实验气体补入气体混合罐47 中；所述真空泵48的进气口通过管路与气体混合罐47贯通连接，真空泵48用于对气体混合 罐47抽真空，以便于标定气瓶45中的实验室标准气体按目标值对烟道气成分和体积量进行 补充；所述标定气瓶45中装有纯度为99.99％的实验室标准气体，并通过带有电磁阀A69的 管路与气体混合罐47贯通连接；气体混合罐47连接有主输气管路75，主输气管路75上依 次串接有电磁减压阀50、逆止阀13和涡旋式气体流量计51，主输气管路75的出气端通过与 其连接的各个输气支路76分别与各个气动接头38的进气端连接；电磁减压阀50用于将气体 混合罐47中的混合气体进行减压并以恒定流量输出，涡旋式气体流量计51用于对流量进行 标定；逆止阀13用于保证气路和液路的相互独立，不会相互影响。

烟气成份分析及配气装置将配比后的带压电厂烟道气体经过主输气管路75和输气支路 76进入到气路通道24中，进而进入到液体通道23中与发泡剂混合溶液充分冲击混合。

所述煤电一体化三废基发泡材料生成装置包括混合浆体搅拌器55，混合浆体搅拌器55 用于将燃煤电厂粉煤灰、普通硅酸盐水泥和处理后的高盐矿井水进行均匀混合形成三废基发 泡材料，并稳定泵出；所述混合浆体搅拌器55的一个输出支路与螺杆泵70的进料口连接， 另一个输出支路通过快速开关电磁阀A62与称重器A65连接；所述螺杆泵70的出料口通过电 磁液体流量计B71与三废基发泡材料混合器61的一个进料口连接；三废基发泡材料混合器 61的另一个进料口与保温管路52的出料端连接，三废基发泡材料混合器61的一个输出支路 通过快速开关电磁阀B72与称重器B63连接，另一个输出支路通过电磁阀B43与振动式粘度 计64连接，同时，这一输出支路作为三废基发泡材料的使用端；振动式粘度计64可以测量 三废基发泡材料的粘度数据，并将粘度数据反馈给控制台，其测量原理是测量液体中振动式 传感器的振幅变化，求出液体的阻力，算出液体的粘性，并反馈给控制台，其属于动态测量， 其中的两个传感器碟片互相抵消的影响使它可能测量流动的样品粘度，这是相对传统粘度计 的优势。

工作时，控制台控制快速开关电磁阀A62打开t₂秒，在t₂秒内向称重器A65内注入体积 为V的混合浆体材料，称重器A65对该混合浆体材料的重量w₂进行称重，并反馈给控制台。 控制台控制快速开关电磁阀B72打开t₁秒，在t₁秒内向称重器B63内注入体积为V的三废基 发泡材料，称重器B63对该三废基发泡材料的重量w₁进行称重，并给控制台。由于孙隙度＝ ((真相对密度-视相对密度)/真相密度)*％，密度＝重量/体积，因而，在相同体积情况下， 孙隙度＝(1-P)*％，其中，这样，控制台根据多段时间内的重重数据分别对 称重器A65和称重器B63的称重数据取均值，其比值

即可以初步反映三废基发泡 材料内的孔隙度。控制台将实时获得的孙隙度通过与其连接的显示模块进行实时显示。作 为一种优选，称重器A65和称重器B63的容量相同，当然，也可以使称重器A65和称重器 B63为同一型号，这样容量必然相同，且称重精度更相近。

所述控制台分别与恒流恒压泵2、电磁液体流量计A14、第一转换阀V1、第二转换阀V2、 第三转换阀V3、第四转换阀V4、第五转换阀V5、第六转换阀V6、第七转换阀V7和第八转换 阀V8、第一位移传感器3、第二位移传感器5、高速摄像机21、真空泵48、气相色谱仪44、电磁阀A69、电磁减压阀50、快速开关电磁阀A62、快速开关电磁阀B72和振动式粘度计64 连接。

所述恒流恒压泵2为柱塞式双缸泵，其输出参数为0～500ml/min恒流液体或0～150MPa 恒压液体；所述高速摄像机21的型号为Phantom Miro LC系列，具备摄像和照相功能，分辨 率1920*[email protected]帧/秒。高速摄像机21用于拍摄新型发泡器20中气液混合室40内泡沫生 成全过程，且高速摄像机21拍摄的图像数据实时传输到控制台，控制台在接收到图像数据后 通过图像识别与分析软件可以研究不同条件下泡沫的大小及分布特征，并可以将分析结果和 数据通过与控制台连接的显示模块进行实时显示。

所述盘管16通过盘管支撑架17纵向支设在循环水浴15的内部。

所述循环水浴15包括温度传感器18、加热棒19、温控器22和循环泵，所述温度传感器18和加热棒19设置在循环水浴15的内部，所述温度传感器18与设置在循环水浴15外部的温控器22连接，用于反馈循环水浴15的内部温度，作为一种优选，温度传感器18采用测温热电偶PT100，所述温控器22与加热棒19连接，用于根据反馈的内部温度控制加热棒19的加热功率；所述循环泵的进液口通过管路与循环水浴15的底部贯通连接，其出液口通过管 路与循环水浴15的上部贯通连接。

所述气液混合室40中还固定连接有倾斜设置的挡板41，所述挡板41位于液路通道23 的正上方，挡板41靠近喷出孔42的一端低于远离喷出孔42的一端。

所述液路通道23上部的一段相间隔地设置有两个缩颈段39，两个缩颈段39分别位于气 路通道24里端的上方和下方，缩颈段39向上向下均平滑过渡，缩颈段39过渡段与液路流向 方向的夹角在90度至150度之间，从而能保证高压烟道气体射流进入液体通道23中并完全 冲击发泡剂混合溶液中，从而实现气液的充分混合。

缩颈段39根据文丘里效应进行设置，而气路通道24的出气端位于两个缩颈段39之间， 且角度为向下剪切液体的形式，这样，可以保证液路通道23内的气体与液的充分混合且能实 现完全紊流。

如图3至图6所示，为了方便组装和维护，所述新型发泡器20由纵向依次分布的混合 体11、喷出体A27、喷出体B31和底部支撑体组成；这样，如果出现堵塞等故障可以快速拆卸并针对性更换某一部件，不需要整体更换、节约了成本，同时，也方便了对喷出部件的清洗，且各个部件可单独加工，降低了整体制造的难度，该新型发泡器20克服了传统发泡器难清理等缺点。

所述气液混合室40设置在混合体11的内部，所述竖向观测平面4设置在混合体11上部 的一侧，所述喷出孔42设置在混合体11的顶部一侧，且位于竖向观测平面4的上方；

所述喷出体A27为由位于上端的大径段28和位于大径段28以下的小径段67组成的阶梯 结构，喷出体A27在其轴心处开设有轴向贯通的第一液路73，并在第一液路73的外侧开设 有与第一液路73连通的若干个第一气路35，第一气路35具有位于里侧的倾斜段和位于外侧 的水平段，且倾斜段外高里低倾斜地设置，若干个第一气路35的倾斜段与喷出体A27轴心线 的夹角各不相同；小径段67上部的外侧设置有至少一个定位块30，小径段67下端的中心设 置有带有外螺纹的连接凸块A12；

所述喷出体B31上部的轴心处开设有与喷出体A27的小径段67相适配的承载凹槽32， 并于承载凹槽32的底部中心开设有带有内螺纹的连接凹槽33；喷出体B31在承载凹槽32上 部的外侧开设有与定位块30相对应的定位环槽49，并在定位环槽49以上的部分设置有延伸 到喷出体B31上端面的导向竖槽54，还在承载凹槽32上部外侧的径向上开设有与第一气路 35相对应设置的若干个第二气路37,第二气路37连通承载凹槽32与喷出体B31的外部；所 述气动接头38固定连接在喷出体B31的外表面，且与对应的第二气路37的外端连通；喷出 体B31下端中心通过圆柱形的延伸部66连接有圆形卡盘25，为了有效减小摩擦力，圆形卡 盘25的边缘设置滚珠26，滚珠26可减小圆形卡盘25与底座34之间的摩擦力，使调整过程 更顺滑，可以便于调速喷出体B31相对于底座34的角度，进而可以调速喷出孔42的喷出方 向。

喷出体B31于连接凹槽33的底部中心开设有延伸到延伸部66下端面的第二液路29；

所述底部支撑体包括底座34和两个底座封板74，所述底座34的中部设置有供圆形卡盘25和延伸部66滑动穿过的呈倒转的T字形的横向滑槽68，底座34的下端中心设置有带有外 螺纹的连接凸块B36，底座34在横向滑槽68的底部到连接凸块B36下端面之间的部分设置 有第三液路；底座的设置能方便新型发泡器喷出孔位置的改变，同时，还能方便该新型发泡 器于不同位置上的安装。

圆形卡盘25与底座34卡接配合，能方便新型发泡器20的固定安装；

所述大径段28的上端面与混合体11的下端面固定连接，且第一液路73的上端与气液混 合室40贯通连接；所述小径段67插装于承载凹槽32中，且连接凸块A12与连接凹槽33通 过螺纹配合连接、大径段28与喷出体B31的上端面通过螺栓连接、纵向穿过导向竖槽54的 定位块30与定位环槽49限位配合、第一气路35的外端和第二气路37的里端对应贯通连接、 第一液路73的下端与第二液路29的上端对应贯通连接；所述圆形卡盘25滑动穿入横向滑槽 68中，且第三气路的上端与第二液路29的下端贯通连接；两个底座封板74彼此相对置地封 堵在横向滑槽68的两端，并通过螺栓与底座34固定连接；连接凸块B36通过螺纹配合连接 在循环水浴15的底部，以将新型发泡器20竖直地支设在循环水浴15的内部。

在安装时，安装时定位块30分别对准导向竖槽54，定位块30顺着导向竖槽54进入定 位环槽49中从而使喷出体A27沿喷出体B31中轴线方向配合坐设在承载凹槽32，再旋转喷 出体A27使定位块30在定位环槽49中移动从而便于喷出体A27与喷出体B31连接固定在一 起。

为了保证喷出体A27和喷出体B31之间良好的密封性能，大径端28的下端面和喷出体 B31的上端面之间、连接凸块A12与连接凹槽33之间均设置有密封垫圈；由于密封垫圈有一 定的厚度，在紧固后可以提供预紧力保证气体或液体不会泄漏到喷出体A与喷出体B之间的 连接部位。

所述气路通道24由相连通的第一气路35和第二气路37形成，所述液路通道23由依次 相连通的第一液路73、第二液路29和第三液路形成。

新型发泡器20由分体的多个部件组成，方便了组装和维护，如果出现堵塞等故障可以快 速拆卸并针对性更换某一部件，不需要整体更换、节约了成本；还能方便对各个部件的清洗； 且各个部件可单独加工，降低了整体制造的难度，该新型发泡器20克服了传统发泡器难清理 等缺点。

所述螺杆泵70包括伺服电动缸56，所述伺服电动缸56的输出端通过连接轴57和万向 节58与螺杆轴59的一端连接，所述螺杆轴59可转动地设置在衬套60中。螺杆泵70工作时， 螺杆59一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套60内表面滚动，于是形成泵的密封 腔室。螺杆59每转一周，衬套60密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆59的连续转 动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔，最后挤出泵体。螺杆泵70将混合浆体 材料恒流输出，通过伺服电动缸56控制转速并用电磁液体流量计B71测量出口流量进行流速 标定，电磁液体流量计B71同时将流量反馈给控制台。

通过煤电一体化三废基发泡材料的实验室研究装置对三废基发泡材料的实验室制备及研 究过程如下，主要流程如图7所示：

1.电厂三废材料收集及预处理

对电厂的粉煤灰进行收集，对粉煤灰进行XRF、XRD、SEM等必要分析，了解该粉煤灰的基本物化性质，筛出粒径小于0.4mm的粉煤灰备用。对矿井井底水仓收集到的高盐矿井水进行处理以符合试验标准。对电厂烟道气进行收集并储存至实验用高压储罐，压力为10MPa。

2.烟道气成分分析及配气

①通过气相色谱仪44对电厂烟道气的成分和体积量进行分析，并将数据传输至控制台， 计算配制到目标值(例如CO2:S02:N2:NOX＝1:0.5:0.5:1)所需标气的体积量。

②真空泵48对气体混合罐47抽真空，然后将高压储罐46中的烟道气注入气体混合罐 47，再用标定气瓶45中的标气对烟道气进行配比。

3.发泡剂混合溶液的配比

将发泡剂和处理后的处理后的高盐矿井水进行配比计算，并进行均匀混合，然后放入 发泡剂混合溶液储存桶10中待用。

4.泡沫生成

①利用温控器22设置循环水浴15的温度为60℃，当温度达到目标值后，通过控制台 的控制将发泡剂混合溶液恒流注入到新型发泡器20内，流量为a ml/min。

②选择角度为150°的气路通道24将配好比例的烟道气注入到新型发泡器20内，流量 为b ml/min。

③烟道气和发泡剂混合溶液在液路通道23里充分混合，经过两个缩颈段39、挡板41 等形成泡沫，此时高速摄像机21全程记录泡沫生成过程，将过程中一定时间的图像反馈到 控制台，控制台经过图像识别与分析技术，对泡沫的大小和特性给出综合评价。

5.三废基发泡材料的实验室生成

将粉煤灰、水泥、处理后的高盐矿井水等均匀混合，设置伺服电动缸56输出转速(对 应于流量c ml/min)，混合浆体和泡沫在混合浆体搅拌器55中充分混合，经螺杆泵70输出， 并与新型发泡器20输出的泡沫材料在三废基发泡材料混合器61中充分混合，最后输出到 发泡材料的使用端进行使用，输出的发泡材料可以用来进行采空区堵漏风、防灭火、充填 封存等作业。

6.三废基发泡材料的孔隙度和粘性评价

三废基发泡材料在发泡材料的使用端稳定流出后，控制台控制快速开关电磁阀B72的 开闭，并重复多次，得到混合浆体材料平均重量

和三废基发泡材料平均重量两个比 值可以

可以反映材料的孔隙度。

振动式粘度计64可以测量三废基发泡材料的粘度，并实时反馈给控制台。

7.泡沫的图像识别分析评估、孔隙度等效值P、粘度反映了试验工况下的三废基发泡 材料的性质，改变实验条件可以研究不同变量对发泡材料的影响。

8.本研究装置可以通过改变的实验条件对以下不同变量条件组合形成的三废基发泡材 料的孔隙度和粘度进行研究：①不同发泡剂种类及酸碱度(酸性、中性、碱性)，②进发泡 器时不同发泡剂溶液流量，③进发泡器时不同发泡剂溶液温度(即环境温度)，④进发泡器 时带压烟道气种类和体积量，⑤进发泡器时带压烟道气的压力和流量，⑥发泡器内气路与 液路角度(即气体冲击液体角度)，⑦不同发泡剂溶液配比(发泡剂与水比例)、不同混合 浆体配比(处理后的高盐矿井水、水泥、粉煤灰及外加剂比例)，⑧不同混合浆体流量。