技术领域本发明涉及模拟分解炉仿真技术领域，具体涉及一种模拟分解炉分级燃烧的实验系统及方法。
背景技术：
随着我国现代化进程的不断加快，环境污染问题逐渐受到社会关注。伴随着我国水泥产量的节节攀升，水泥生产已成为我国NOx排放的重要污染源之一，仅次于火力发电和汽车尾气之后居第三位。2014年我国《水泥工业大气污染物排放标准》的颁布则使得各地水泥厂进行NOx的减排的任务显得尤为艰巨。对于分解炉NOx的减排，一般采用选择性催化还原SCR、选择性非催化还原SNCR以及分级燃烧技术。但SCR运行成本较高，而SNCR的使用则存在一定的温度窗口，且上述两方法均可能造成氨水的泄露，带来新的污染。分级燃烧技术则因其脱硝效率高，且运行成本低，不需要对分解炉进行大的改造而备受青睐。分级燃烧主要分为燃料分级燃烧和空气分级燃烧，两者均能在炉内形成煤燃烧的不完全燃焼区域，使得相应的区域产生一定量的还原气氛，从而对炉内NOx进行还原，此外还能在一定程度上抑制煤粉燃烧生成的NOx，是一种经济实用的NOx减排途径。但实际运用过程中，由于各水泥厂分解炉构造的不同以及实际生产中各物料入口条件的不同，从而给不同分解炉所对应的最优分级燃烧方案的确定造成很大的难度。若在实际正常运行的分解炉上进行不同分级燃烧方案的调试，这显然会对分解炉工况的稳定造成很大损伤。而采用数值模拟的方式进行不同分级方案的模拟亦存在一定不足，模拟过程中会存在对一些实验条件的理想模型化处理，此外对炉内部分边界条件的实际数据采集是困难的、炉内化学反应的数量及相互作用机理也是非常复杂的。上述这些问题的出现会使得用数值模拟方法进行分解炉分级燃烧的模拟结果与实际结果出现较大偏差，从而给实际方案的实施带来不确定后果。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种模拟分解炉分级燃烧的实验系统及方法，实现对不同分解炉的不同的空气分级燃烧方案、不同燃料分级燃烧方案以及不同空气分级与燃料分级共同实施方案进行热态实验模拟，解决了分解炉分级燃烧在方案设计过程中热态实验模拟难以实施的问题，本装置使用方便。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种模拟分解炉分级燃烧的实验系统，包括第一管式高温炉、第二管式高温炉、第三管式高温炉、烟气分析仪和显示设备；第三管式高温炉管内设有分解炉石英管模型，第一管式高温炉和第二管式高温炉设置于第三管式高温炉下端，第一管式高温炉管内设有第一石英管，第二管式高温炉管内设有第二石英管和第三石英管，第一石英管、第二石英管和第三石英管分别与分解炉石英管模型底部联通；第一管式高温炉外设有多个烟气气瓶和混气装置，烟气气瓶上设有气体流量控制仪，烟气气瓶通过管道经过混气装置混合得到模拟烟气，与第一石英管连接；第二管式高温炉外设有两个空气气瓶，空气气瓶上设有气体流量控制仪，一个空气气瓶通过管道与第二石英管连接，另一个空气气瓶通过管道与第三石英管连接；第三管式高温炉上端设有倒钩形炉顶，倒钩形炉顶尾部设有反应产物收集装置，反应产物收集装置内设有挡板，倒钩形炉顶内腔与分解炉石英管模型内腔联通，分解炉石英管模型上设有主燃料入口、生料入口和分级燃料入口，倒钩形炉顶设有尾部烟气采集口，尾部烟气采集口通过管道与烟气分析仪连接，烟气分析仪通过显示设备将分析结果显示出来。接上述技术方案，所述烟气气瓶个数为4个，4个烟气气瓶中分别装有N2、NO、CO2和O2。接上述技术方案，倒钩形炉顶为圆弧形。接上述技术方案，尾部烟气采集口上设有耐高温多孔石英织布网。采用权以上所述的模拟分解炉分级燃烧的实验系统时实验方法，包括以下步骤：1)打开第一管式高温炉、第二管式高温炉和第三管式高温炉，使其升温至预设温度；2)打开烟气分析仪及显示设备；3)打开烟气气瓶，烟气气瓶内的各种气体经混合装置通入分解炉石英管模型中，通过气体流量控制仪控制烟气的浓度与流量；4)分别按照多个方案进行模拟实验，多个方案包括以下几种情况：模拟分解炉未分级燃烧、模拟分解炉燃料分级燃烧、模拟分解炉空气分级燃烧和模拟分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施；5)在分解炉石英管模型内工况稳定后，闭合挡板，记录烟气分析仪上测得各种气体的浓度值；6)在分解炉石英管模型内工况稳定一定时间后，取下反应产物收集装置，收集挡板上层反应产物，即工况稳定后的产物并称重记录其总质量，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率。7)对比多种模拟实验方案中测得的数据，得到最优方案。接上述技术方案，所述步骤4)中模拟分解炉未分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开一个空气气瓶，空气通过气体流量控制仪控制通入分解炉石英管模型中助燃空气的流量，并使另一个空气气瓶保持关闭状态；b)关闭分级燃料入口，打开挡板，将一定质量的生料和煤粉分别从生料入口和主燃料入口通入分解炉石英管模型中，进行燃烧。接上述技术方案，所述步骤4)中模拟分解炉燃料分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开一个空气气瓶，空气通过气体流量控制仪控制通入分解炉石英管模型中助燃空气的流量，并使另一个空气气瓶保持关闭状态；b)打开挡板，将一定质量的生料从生料入口通入分解炉石英管模型中，将一定质量的煤粉分别从主燃料入口和分级燃料入口通入分解炉石英管模型中，进行燃烧。接上述技术方案，所述步骤4)中模拟分解炉空气分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开两个空气气瓶，空气分别通过第二石英管和第三石英管进入分解炉石英管模型中，通过气体流量控制仪控制助燃空气的流量；b)关闭分级燃料入口，打开挡板，将一定质量的生料和煤粉分别从生料入口和主燃料入口通入分解炉石英管模型中，进行燃烧。接上述技术方案，所述步骤4)中模拟分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施具体包括以下步骤：a)打开两个空气气瓶，空气分别通过第二石英管和第三石英管进入分解炉石英管模型中，通过气体流量控制仪控制助燃空气的流量；b)打开挡板，将一定质量的生料从生料入口通入分解炉石英管模型中，将一定质量的煤粉分别从主燃料入口和分级燃料入口通入分解炉石英管模型中，进行燃烧。接上述技术方案，步骤1)中第一管式高温炉和第二管式高温炉适用的实验温度范围为1000℃～1200℃，第三管式高温炉14适用的实验温度范围为800℃～1000℃。本发明具有以下有益效果：通过对各种燃料、生料入口和各种气体入口的关闭，以及气体流量控制仪对入口气体的流量及速度进行控制，从而实现对不同分解炉的不同的空气分级燃烧方案、不同燃料分级燃烧方案以及不同空气分级与燃料分级共同实施方案进行热态实验模拟，解决了分解炉分级燃烧在方案设计过程中热态实验模拟难以实施的问题，本装置使用方便。附图说明图1是本发明实施例中模拟分解炉分级燃烧的实验系统的结构示意图；图2是本发明实施例中模拟分解炉分级燃烧的实验方法的流程图；图中，1-第一气瓶，2-第二气瓶，3-第三气瓶，4-第四气瓶，5-第一气体流量控制仪，6-第二气体流量控制仪，7-第三气体流量控制仪，8-第四气体流量控制仪，9-混气装置，10-第一石英管，11-第一管式高温炉，12-第二石英管，13-第三石英管，14-第二管式高温炉，15-第五气体流量控制仪，16-第六气体流量控制仪，17-第五气瓶，18-第六气瓶，19-主燃料入口，20-生料入口，21-分级燃料入口，22-第三管式高温炉，23-反应产物收集装置，24-挡板，25-耐高温多孔石英织布网，26-烟气分析仪，27-显示设备，28-分解炉石英管模型。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。参照图1所示，本发明提供的一个实施例中的模拟分解炉分级燃烧的实验系统，包括第一管式高温炉11、第二管式高温炉14、第三管式高温炉22、烟气分析仪26和显示设备27；第三管式高温炉22管内设有分解炉石英管模型28，第一管式高温炉11和第二管式高温炉14设置于第三管式高温炉22下端，第一管式高温炉11管内设有第一石英管10，第二管式高温炉14管内设有第二石英管12和第三石英管13，第一石英管10、第二石英管12和第三石英管13分别与分解炉石英管模型28底部联通；第一管式高温炉11外设有多个烟气气瓶和混气装置9，烟气气瓶上设有气体流量控制仪，烟气气瓶通过管道经过混气装置9混合得到模拟烟气，与第一石英管10连接；第二管式高温炉14外设有两个空气气瓶，空气气瓶上设有气体流量控制仪，一个空气气瓶通过管道与第二石英管12连接，另一个空气气瓶通过管道与第三石英管13连接；第三管式高温炉22上端设有倒钩形炉顶，倒钩形炉顶尾部设有反应产物收集装置23，反应产物收集装置23内设有挡板24，倒钩形炉顶内腔与分解炉石英管模型28内腔联通，分解炉石英管模型28上设有主燃料入口19、生料入口20和分级燃料入口21，倒钩形炉顶设有尾部烟气采集口，尾部烟气采集口通过管道与烟气分析仪26连接，烟气分析仪26通过显示设备27将分析结果显示出来。通过对各种燃料、生料入口20和各种气体入口的关闭，以及气体流量控制仪对入口气体的流量及速度进行控制，从而对不同分解炉的不同的空气分级燃烧方案、不同燃料分级燃烧方案以及不同空气分级与燃料分级共同实施方案进行热态实验模拟，解决了分解炉分级燃烧在方案设计过程中热态实验模拟难以实施的问题，本装置使用方便。进一步地，所述烟气气瓶个数为4个，4个烟气气瓶中分别装有N2、NO、CO2和O2。进一步地，倒钩形炉顶为圆弧形。进一步地，尾部烟气采集口上设有耐高温多孔石英织布网25。如图2所示，采用权利要求1所述的模拟分解炉分级燃烧的实验系统时实验方法，包括以下步骤：1)打开第一管式高温炉11、第二管式高温炉14和第三管式高温炉22，使其升温至预设温度；2)打开烟气分析仪26及显示设备27；3)打开烟气气瓶，烟气气瓶内的各种气体经混合装置通入分解炉石英管模型28中，通过气体流量控制仪控制烟气的浓度与流量；4)分别按照多个方案进行模拟实验，多个方案包括以下几种情况：模拟分解炉未分级燃烧、模拟分解炉燃料分级燃烧、模拟分解炉空气分级燃烧和模拟分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施；5)在分解炉石英管模型28内工况稳定后(观察烟气分析仪26显示数值，直至烟气分析仪26测得的各气体的浓度值在5min内保持稳定不出现±2％的变化，可认为炉内工况稳定，各气体为CO、CO2、O2、NO、NOx等)，闭合挡板24，记录烟气分析仪26上测得各种气体的浓度值；6)在分解炉石英管模型28内工况稳定5分钟后，取下反应产物收集装置23，收集挡板24上层反应产物，即工况稳定后的产物并称重记录其总质量，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率。7)对比模拟分解炉未分级燃烧、模拟分解炉燃料分级燃烧、模拟分解炉空气分级燃烧和模拟分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施种各种方案中测得的数据，得到最优方案。进一步地，所述步骤4)中模拟分解炉未分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开一个空气气瓶，空气通过气体流量控制仪控制通入分解炉石英管模型28中助燃空气的流量，并使另一个空气气瓶保持关闭状态；b)关闭分级燃料入口21，打开挡板24，将一定质量的生料和煤粉分别从生料入口20和主燃料入口19通入分解炉石英管模型28中，进行燃烧。进一步地，所述步骤4)中模拟分解炉燃料分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开一个空气气瓶，空气通过气体流量控制仪控制通入分解炉石英管模型28中助燃空气的流量，并使另一个空气气瓶保持关闭状态；b)打开挡板24，将一定质量的生料从生料入口20通入分解炉石英管模型28中，将一定质量的煤粉分别从主燃料入口19和分级燃料入口21通入分解炉石英管模型28中，进行燃烧。进一步地，所述步骤4)中模拟分解炉空气分级燃烧具体包括以下步骤：a)打开两个空气气瓶，空气分别通过第二石英管12和第三石英管13进入分解炉石英管模型28中，通过气体流量控制仪控制助燃空气的流量；b)关闭分级燃料入口21，打开挡板24，将一定质量的生料和煤粉分别从生料入口20和主燃料入口19通入分解炉石英管模型28中，进行燃烧。进一步地，所述步骤4)中模拟分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施具体包括以下步骤：a)打开两个空气气瓶，空气分别通过第二石英管12和第三石英管13进入分解炉石英管模型28中，通过气体流量控制仪控制助燃空气的流量；b)打开挡板24，将一定质量的生料从生料入口20通入分解炉石英管模型28中，将一定质量的煤粉分别从主燃料入口19和分级燃料入口21通入分解炉石英管模型28中，进行燃烧。进一步地，所述步骤1)中第一管式高温炉11和第二管式高温炉14适用的实验温度范围为1000℃～1200℃，第三管式高温炉22适用的实验温度范围为800℃～1000℃。进一步地，所述步骤b)中，通入生料入口20适用的实验生料量为0.1～2g/min，通入主燃料入口19适用的实验煤粉量为0.01～0.2g/min，通入分级燃料入口21适用的实验煤粉量为0.01～0.2g/min。本发明的一个实施例一，分解炉未进行分级燃烧工况的模拟打开第一管式高温炉11使其升温至1100℃、打开第二管式高温炉14使其升温至900℃，打开第三管式高温炉22使其升温至1100℃，并打开烟气分析仪26及结果显示设备27，打开装有N2的第一气瓶1并通过第一气体流量控制仪5将其流量控制在1.06L/min、打开装有NO的第二气瓶2并通过第二气体流量控制仪6将其流量控制在0.013L/min、打开装有CO2的第三气瓶3并通过第三气体流量控制仪7将其流量控制在0.20L/min、打开装有O2的第四气瓶4并通过第四气体流量控制仪8将其流量控制在0.053L/min，打开装有空气的第六气瓶18，通过第六气体流量控制仪16控制通入分解炉模型中助燃空气的流量为1.28L/min，并使第五气体流量控制仪15保持在关闭状态，关闭分级燃料入口21，打开挡板24，从生料入口20和主燃料入口19分别按照实验方案预设通入一定质量流量为0.60g/min的生料及0.05g/min的煤粉。接着观察烟气分析仪26示数，直至烟气分析仪26测得的CO、CO2、O2、NO、NOx等各气体的浓度值保持稳定不出现±2％的变化5min，可认为炉内工况稳定，并计此时时刻为0点即起始点时刻。此时闭合挡板24，开始收集反应产物并开始记录下当前烟气分析仪26显示设备27上的CO、CO2、O2、NO、NOx等的浓度值，以采集5分钟实验数据为计时终点，将这5分钟内记录得到的每种气体浓度值取平均值得到CO、CO2、O2、NO、NOx的浓度值分别为2ppm、33％、2.67％、800ppm、以及810ppm。取下反应产物收集装置23，收集挡板24上层反应产物即工况稳定后的产物并称重记录其总质量为1.60g，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率分别为95％、92％以及19％。本发明的一个实施例二，分解炉燃料分级燃烧模拟打开第一管式高温炉11使其升温至1100℃、打开第二管式高温炉14使其升温至900℃，打开第三管式高温炉22使其升温至1100℃，并打开烟气分析仪26及结果显示设备27，打开装有N2的第一气瓶1并通过第一气体流量控制仪5将其流量控制在1.06L/min、打开装有NO的第二气瓶2并通过第二气体流量控制仪6将其流量控制在0.013L/min、打开装有CO2的第三气瓶3并通过第三气体流量控制仪7将其流量控制在0.20L/min、打开装有O2的第四气瓶4并通过第四气体流量控制仪8将其流量控制在0.053L/min，打开装有空气的第六气瓶18，通过第六气体流量控制仪16控制通入分解炉模型中助燃空气的流量为1.28L/min，并使第五气体流量控制仪15保持在关闭状态，打开挡板24，从生料入口20、主燃料入口19及分级燃料入口21分别按照实验方案预设通入质量流量为0.60g/min的生料、0.03g/min的煤粉以及0.02g/min的煤粉。接着观察烟气分析仪26示数，直至烟气分析仪26测得的CO、CO2、O2、NO、NOx等各气体的浓度值保持稳定不出现±2％的变化5min，可认为炉内工况稳定，并计此时时刻为0点即起始点时刻。此时闭合挡板24，开始收集反应产物并开始记录下当前烟气分析仪26显示设备27上的CO、CO2、O2、NO、NOx等的浓度值，以采集5分钟实验数据为计时终点，将这5分钟内记录得到的每种气体浓度值取平均值得到CO、CO2、O2、NO、NOx的浓度值分别为4ppm、31％、2.70％、618ppm、以及623ppm。取下反应产物收集装置23，收集挡板24上层反应产物即工况稳定后的产物并称重记录其总质量为1.57g，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率分别为92％、89％以及38％。本发明的一个实施例三，分解炉空气分级燃烧模拟打开第一管式高温炉11使其升温至1150℃～1200℃、打开第二管式高温炉14使其升温至850℃～900℃，打开第三管式高温炉22使其升温至1000℃～1050℃，并打开烟气分析仪26及结果显示设备27，打开装有N2的第一气瓶1并通过第一气体流量控制仪5将其流量控制在1.06L/min、打开装有NO的第二气瓶2并通过第二气体流量控制仪6将其流量控制在0.013L/min、打开装有CO2的第三气瓶3并通过第三气体流量控制仪7将其流量控制在0.20L/min、打开装有O2的第四气瓶4并通过第四气体流量控制仪8将其流量控制在0.053L/min，打开装有空气的第六气瓶18，并通过第六气体流量控制仪16控制该部分助燃空气的流量为0.89L/min，打开装有空气的第五气瓶17，并通过对第五气体流量控制仪15控制该部分助燃空气的流量为0.38L/min，关闭分级燃料入口21，打开挡板24，从生料入口20和主燃料入口19分别按照实验方案预设通入一定质量流量为0.60g/min的生料及0.05g/min的煤粉。接着观察烟气分析仪26示数，直至烟气分析仪26测得的CO、CO2、O2、NO、NOx等各气体的浓度值保持稳定不出现±2％的变化5min，可认为炉内工况稳定，并计此时时刻为0点即起始点时刻。此时闭合挡板24，开始收集反应产物并开始记录下当前烟气分析仪26显示设备27上的CO、CO2、O2、NO、NOx等的浓度值，以采集5分钟实验数据为计时终点，将这5分钟内记录得到的每种气体浓度值取平均值得到CO、CO2、O2、NO、NOx的浓度值分别为5ppm、29％、2.72％、722ppm、以及730ppm。取下反应产物收集装置23，收集挡板24上层反应产物即工况稳定后的产物并称重记录其总质量为1.55g，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率分别为91％、89％以及27％。本发明的一个实施例四，分解炉燃料分级与空气分级燃烧同时实施模拟打开第一管式高温炉11使其升温至1100℃、打开第二管式高温炉14使其升温至900℃，打开第三管式高温炉22使其升温至1100℃，并打开烟气分析仪26及结果显示设备27，打开装有N2的第一气瓶1并通过第一气体流量控制仪5将其流量控制在1.06L/min、打开装有NO的第二气瓶2并通过第二气体流量控制仪6将其流量控制在0.013L/min、打开装有CO2的第三气瓶3并通过第三气体流量控制仪7将其流量控制在0.20L/min、打开装有O2的第四气瓶4并通过第四气体流量控制仪8将其流量控制在0.053L/min，打开装有空气的第六气瓶18，并通过第六气体流量控制仪16控制该部分助燃空气的流量为0.89L/min，打开装有空气的第五气瓶17，并通过对第五气体流量控制仪15控制该部分助燃空气的流量为0.38L/min，打开挡板24，从生料入口20、主燃料入口19及分级燃料入口21分别按照实验方案预设通入质量流量为0.60g/min的生料、0.03g/min的煤粉以及0.02g/min的煤粉。接着观察烟气分析仪26示数，直至烟气分析仪26测得的CO、CO2、O2、NO、NOx等各气体的浓度值保持稳定不出现±2％的变化5min，可认为炉内工况稳定，并计此时时刻为0点即起始点时刻。此时闭合挡板24，开始收集反应产物并开始记录下当前烟气分析仪26显示设备27上的CO、CO2、O2、NO、NOx等的浓度值，以采集5分钟实验数据为计时终点，将这5分钟内记录得到的每种气体浓度值取平均值得到CO、CO2、O2、NO、NOx的浓度值分别为5ppm、29％、2.71％、544ppm、以及550ppm。取下反应产物收集装置23，收集可闭合挡板24上层反应产物即工况稳定后的产物并称重记录其总质量为1.55g，并通过计算得到模拟实验的燃料燃烬率、生料分解率以及氮氧化物还原率分别为91％、88％以及45％。综上所述，本装置使用方便，可通过对各种燃料、生料入口20和各种气体入口的关闭，以及采用气体流量控制仪对入口气体的流量进行控制，从而实现对不同的分解炉分级燃烧方案进行模拟，解决了分解炉分级燃烧方案的设计过程中热态实验模拟难以实施的问题。以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。