一种超临界混合工质中氢的燃烧特性的测量系统的制作方法

本实用新型涉及燃烧特性的实验测量领域，尤其涉及一种超临界混合工质中氢的燃烧特性的测量系统。

背景技术：

传统的煤炭燃烧利用方式有着能量利用效率低、污染严重等固有缺陷，带来日益严峻的社会和环境问题，因此清洁高效的新型煤炭利用技术越来越受到人们关注。目前以水相环境煤气化为核心的新型煤制氢及发电理论与技术，利用超临界水独特的物理化学性质，采用“一锅水蒸煤”的形式将煤转化为高纯度的H2和CO2，从源头上实现氮氧化物、硫氧化物和固体颗粒物的零排放并实现CO2的资源化利用。但煤的超临界水气化是吸热反应，反应过程中需要吸收大量热量。传统的电加热方式需要增加额外能量输入，加大了设备的复杂性。向气化后的超临界H2O/CO2/H2混合工质通入氧气，使H2缓慢燃烧放热，可以实现体系的自供热。因此，获得超临界H2O/CO2/H2中氢燃烧的动力学参数对于该技术的应用具有重大意义。

技术实现要素：

为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种超临界混合工质中氢的燃烧特性的测量系统，能够测量不同条件下超临界混合工质中氢的燃烧速率，进而获得该反应的动力学参数，为超临界混合工质中氢气燃烧的工业化应用提供理论指导。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种超临界混合工质中氢的燃烧特性的测量系统，包括甲醇箱、管式电炉、高压气瓶、水箱、加料器、双氧水分解段、反应段、气液分离器以及气相色谱仪；其中，高压气瓶与加料器相连；水箱与加料器相连；加料器还与双氧水分解段相连，双氧水分解段与反应段相连，反应段上位于不同长度处设置有出口管道，每路管道经气液分离器与气相色谱仪相连；甲醇箱与反应段上的入口管道相连。

本实用新型进一步的改进在于，冷却器为套管式冷却器。

本实用新型进一步的改进在于，高压气瓶与加料器之间设置有料罐，加料器包括密封座、封头、器体和活塞，器体顶部设置有密封座，密封座上设置有封头。

本实用新型进一步的改进在于，器体内设置有能够上下移动的活塞，活塞将器体内部空腔分为上空腔和下空腔；料罐与加料器的下空腔相连，水箱与加料器的上空腔相连。

本实用新型进一步的改进在于，水箱与第二高压恒流泵相连，第二高压恒流泵与加料器相连。

本实用新型进一步的改进在于，双氧水分解段与反应段均设置在沙浴炉内。

本实用新型进一步的改进在于，双氧水分解段和反应段在沙浴炉中采用双层线性布置、双层倾斜布置或者螺旋形布置。

本实用新型进一步的改进在于，反应段的每路出口管道上均设置有冷却器与球阀。

本实用新型进一步的改进在于，双氧水分解段和反应段的材质为316不锈钢，Inconel 625不锈钢或哈氏合金C276不锈钢。

本实用新型进一步的改进在于，每路管道均经与背压阀相连，背压阀与气液分离器相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型利用甲醇的超临界水气化来产生超临界H2O/CO2/H2混合工质，甲醇的气化效率可以达到98％以上，避免了其他气化产物对氢气燃烧的干扰；

(2)利用双氧水的高温分解来产生超临界H2O/O2混合工质，分解率可以达到99％以上，且可以通过改变双氧水的浓度来改变氧气的浓度；

(3)与利用高压气瓶直接向超临界系统中通入氢气和氧气的技术相比，该实验系统避免了气体回流进入高压气瓶发生爆炸的可能，大大提高了实验的安全性，并且系统节省空间，易于布置；

(4)该系统中同一工况条件下混合工质在反应段中的停留时间通过改变反应段的长度来改变，避免了改变流速对实验结果的影响，提高了实验的精度。

测量时，本实用新型利用甲醇的超临界水气化来产生超临界H2O/CO2/H2混合工质，利用双氧水溶液高温分解来产生氧气，超临界H2O/CO2/H2工质和氧在反应段中混合并发生反应，同一工况条件下通过改变反应段的长度来改变混合工质在不同长度的反应段中的停留时间。反应后的混合工质经过套管式冷却器后冷却至室温，并由气相色谱仪测得混合工质中不同组分的含量，从而得到不同工况条件下超临界混合工质中氢的燃烧速率，进而获得该反应的包括活化能和指前因子在内的动力学参数。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统的结构示意图；

图2为图1所示超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统中加料器的结构示意图。

图中，1-甲醇箱；2-第一高压恒流泵；3-管式电炉；4-高压气瓶；5-料罐；6-水箱；7-加料器；8-双氧水分解段；9-反应段；10-沙浴炉；11-冷却器；12-球阀；13-背压阀；14-气液分离器；15-气体流量计；16-气相色谱仪；17-密封座；18-封头；19-器体；20-活塞；21-第二高压恒流泵，22-第一入口管道，23-第二入口管道，24-第一出口管道，25-第二出口管道，26-第三出口管道，27-第四出口管道。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向术语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

参见图1，本实用新型的测量系统包括甲醇箱1、第一高压恒流泵2、管式电炉3、高压气瓶4、料罐5、水箱6、加料器7、双氧水分解段8、反应段9、沙浴炉10、冷却器11、球阀12、背压阀13、气液分离器14、气体流量计15以及气相色谱仪16。甲醇箱1、第一高压恒流泵2以及管式电炉3组成CO2/H2混合工质供给部分；高压气瓶4、料罐5、水箱6、第一高压恒流泵2和加料器7组成氧供给部分；数据采集部分包括热电偶、压力表和压力传感器以及气相色谱仪16，数据采集部分用于获得压力、温度等参数，并测量反应前后混合工质中不同组分的含量。其中，高压气瓶4与料罐5相连，料罐5与加料器7相连；水箱6与第二高压恒流泵21相连，第二高压恒流泵21与加料器7相连。加料器7还与双氧水分解段8相连，双氧水分解段8经第二入口管道23与反应段9相连，双氧水分解段8与反应段9均设置在沙浴炉10内；反应段9上位于不同长度处设置有出口管道，具体的，反应段9分为四段，共4个出口管道，两个入口，分别为第一入口管道22和第二入口管道23，4个出口管道分别为第一出口管道24、第二出口管道25、第三出口管道26以及第四出口管道27。反应段9用于为混合工质中氢和氧的反应提供不同的停留时间。

每路出口管道上均设置有冷却器11与球阀12，每路管道均经与背压阀13相连，背压阀13经气液分离器14、气体流量计15与气相色谱仪16相连。具体的，冷却器11为套管式冷却器，且内管呈螺旋形，冷却器11为冷却装置，用于将反应后的高温混合工质冷却至室温。背压阀13用于实现和调节系统中的高压环境。气液分离器14为气液分离装置，用于将冷却后的混合物中的气体和液体分离，气体从上出口流出，液体从下出口流出。气体流量计15用于测量反应后混合气体的总流量。气相色谱仪16为数据采集装置，用于测量混合气体中不同组分的含量。

甲醇箱1经第一高压恒流泵2与管式电炉3相连，管式电炉3与反应段9上的第一入口管道22相连。管式电炉3用于产生高温环境，使甲醇在超临界水中气化为CO2和H2，形成超临界H2O/CO2/H2混合工质。

具体的，加料器7包括：密封座17、封头18、器体19和活塞20，器体19顶部设置有密封座17，密封座17上设置有封头18，器体19内设置有能够上下移动的活塞20，活塞20将器体19内部空腔分为上空腔和下空腔。料罐5与加料器7的下空腔相连，第二高压恒流泵21与加料器7的上空腔相连。

双氧水分解段8为双氧水溶液提供充足的停留时间，使之在高温条件下完全分解，形成氧气和超临界水互溶的均相混合工质。

本实用新型超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统包括：CO2/H2混合工质供给部分、氧供给部分、反应段9和数据采集部分。其中，CO2/H2混合工质供给部分利用第一高压恒流泵2将甲醇溶液输入到管式电炉3中，使甲醇在超临界水中气化为CO2和H2，形成超临界H2O/CO2/H2混合工质。其中，氧供给部分在系统工作前利用高压气瓶4驱动料罐5中的双氧水溶液进入加料器7的活塞下部；系统工作时水箱6中的水在第一高压恒流泵2的作用下进入加料器7的活塞上部，驱动活塞下部的双氧水溶液进入双氧水分解段8，从而为系统提供连续稳定的氧供给。超临界H2O/CO2/H2工质和氧在反应段9中混合并发生反应，同一工况条件下通过改变反应段9的长度来改变混合工质在反应段9中的停留时间。反应后的混合工质经过套管式冷却器11后冷却至室温，并由气相色谱仪16测得混合工质中不同组分的含量，从而得到不同工况条件下超临界混合工质中氢的燃烧速率，进而获得该反应的动力学参数。

数据采集部分利用铠装热电偶测量温度值，利用压力表和压力传感器测量压力值，利用气相色谱仪16测量混合工质中不同组分的含量。其中，铠装热电偶测量布置点共有八个。第一个测量点布置在管式电炉3的出口处，第二个测量点布置在超临界水/二氧化碳/氢气混合工质进入反应段9之前，第三个测量点布置在超临界水/氧气混合工质进入反应段9之前，第四个测量点布置在反应段9的入口处，第五、六、七、八个测量点分别布置在反应段9的四个出口处。压力表测量布置点共有两个，第一个布置在第一高压恒流泵2的出口处，第二个布置在第二高压恒流泵21的出口处。压力传感器布置在背压阀13的前方即背压阀13入口处。

本实用新型中，将甲醇的超临界水气化产生的超临界H2O/CO2/H2混合工质和双氧水溶液高温分解产生的氧气同时输入反应段9中，通过改变反应段的长度来改变工质的停留时间，测量反应后混合气体中不同组分的含量，求得不同工况下氢气燃烧的反应速率，进而即可获得反应的动力学参数。

在本实用新型的示例性实施例中，提供了一种超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统。图1为根据本实用新型实施例的超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统的结构示意图。如图1所示，本实施例实验测量系统包括：甲醇箱1、高压恒流泵2、管式电炉3、高压气瓶4、料罐5、水箱6、加料器7、双氧水分解段8、反应段9、沙浴炉10、冷却器11、球阀12、背压阀13、气液分离器14、气体流量计15以及气相色谱仪16。

其中，管式电炉3利用高温高压环境使甲醇在超临界水中气化为CO2和H2，形成超临界H2O/CO2/H2混合工质。

双氧水分解段8利用双氧水在高温条件下的完全分解形成氧气和超临界水互溶的均相混合工质，为超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧提供氧气。

图2为图1所示超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统中加料器7的结构示意图。如图2所示，该加料器7包括：密封座17、封头18、器体19和活塞20。在系统工作前，高压气瓶4驱动料罐5中的双氧水溶液进入加料器7的活塞20的下空腔，使之充满双氧水溶液；系统工作时，水箱6中的水在高压恒流泵2的作用下进入加料器7的活塞20的上空腔，驱动活塞20向下运动，使活塞20下空腔的双氧水溶液进入双氧水分解段8，从而为系统提供连续稳定的氧供给。

高压恒流泵2用于向高压条件下的管式电炉3内输送恒定流量的甲醇溶液；也用于向高压条件下的加料器7中活塞的上空腔输送恒定流量的水，进而驱动活塞的下空腔的双氧水溶液进入双氧水分解段8。

其中，系统工作前高压气瓶4驱动料罐5中的双氧水溶液进入加料器7活塞下部；系统工作时水箱6中的水在高压恒流泵2的作用下进入加料器7活塞上部，驱动活塞下空腔的双氧水溶液进入双氧水分解段8，从而为系统提供连续稳定的氧供给。

本实用新型的基于上述系统的测量方法为，一方面利用高压恒流泵2将甲醇溶液输入到管式电炉3中，使甲醇在超临界水中气化为CO2和H2，形成超临界H2O/CO2/H2混合工质。另一方面，利用高压恒流泵2将水箱6中的水输入加料器7的活塞20上空腔，驱动活塞20的下腔体内的双氧水溶液进入双氧水分解段8，从而为系统提供连续稳定的氧供给。超临界H2O/CO2/H2工质和氧在反应段9中充分混合并发生反应，同一工况条件下通过改变反应段9的长度来改变混合工质在反应段中的停留时间。反应后的混合工质经过套管式冷却器11后冷却至室温，随后经过气液分离器14后气相和液相发生分离，利用气相色谱仪16测得气体混合工质中不同组分的含量，从而得到不同工况条件下超临界混合工质中氢的燃烧速率，进而获得该反应的动力学参数。

需要说明的是，虽然本实施例中采用甲醇的超临界水气化来产生超临界H2O/CO2/H2混合工质，但本实用新型并不以此为限。举例来说：产生超临界H2O/CO2/H2混合工质也可以通过甘油的超临界水气化来实现。

双氧水分解段8和反应段9在沙浴炉10中可以双层线性布置，也可以双层倾斜或者螺旋形布置，以提高空间利用率。沙浴炉10用于为双氧水分解段8和反应段9提供热量，使之达到所需的温度值。

双氧水分解段8和反应段9要求在高温高压条件下仍具有很高的强度，此处仅给出几种符合要求的材料，作为例子，管材选自一下材料中的一种：316不锈钢，Inconel 625不锈钢或哈氏合金C276不锈钢。

本实施例超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统中管式电炉3的工作温度在600～700℃之间，沙浴炉10的工作温度在400～600℃之间，包括每路管道在内的整个系统的工作压力在23～30MPa之间。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型超临界H2O/CO2/H2中氢的燃烧特性的实验测量系统有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

本实用新型利用甲醇的超临界水气化来产生超临界H2O/CO2/H2混合工质，利用双氧水溶液高温分解来产生氧气，将两者同时输入反应段中，通过改变反应段的长度来改变工质的停留时间，利用气相色谱仪测量反应后混合气体中不同组分的含量，求得不同工况下氢气燃烧的反应速率，进而即可获得超临界混合工质中氢气燃烧的反应动力学参数，具有极高的科学研究应用价值。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。