一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置及利用该装置测量特性参数的方法与流程

本发明属于细颗粒试样燃烧和烧结特性参数测量技术领域。

背景技术：

煤是我国的主要能源，占一次性能源消费总量的65％以上，随着燃煤发电的不断增加，估计燃煤电厂每年产生的各类煤灰超过5亿吨。煤灰的巨大排放，不仅占用大量土地，污染环境，同时也给我国的国民经济建设发展造成巨大压力。其中很大一部分具有很优良的性能，主要应用于建筑材料、道路回填、化学工业等方面，具有非常广阔的应用前景和环保价值。因此对于煤灰烧结特性及机理的快速准确测量，获取烧结的动力学参数，可为安全稳定地燃用易沾污烧结的劣质燃料奠定调控及优化的理论基础。另外，一些可燃细颗粒物需要通过成型加以利用，例如气化炉产生的气化半焦，其颗粒通常很细且难以燃烧。若通过成型燃烧的形式可以延长其停留时间，从而获取较高的燃烧效率，回收能量。

澳大利亚纽卡斯尔大学universityofnewcastle学者a.y.al-otoom于2000年发表的文章中首次提出使用压降法测量细颗粒间孔隙率变化，以确定煤灰的烧结初始温度并计算烧结动力学参数，实现了对沾污结渣积灰较为准确的预测。在高温作用下，煤灰内部发生复杂的理化反应，使内表面的减少，气孔收缩生长，颗粒间接触面加大，并提高了机械强度。压降法测烧结温度及其动力学参数的机理为：随着开放孔体积的增大，通过灰柱气体的压降有所降低，因此对气流压降的测试可以表征烧结温度及动力学参数。随后，国内外众多研究机构及学者对上述装置引用借鉴，如清华大学、浙江大学、西澳大学等。但是其装置在样品尺寸、孔隙发展响应区间和综合测量多种烧结特征参数等方面仍有改进空间。

在燃用劣质煤、油页岩和生物质时，衡量其燃烧特性的参数主要围绕燃料颗粒温度变化规律，如着火指数fi、着火温度ti、着火时间t、最大失重率温度tmax、燃尽温度tb等，并且劣质燃料燃烧质量所受影响因素众多，如试样组分、种类、燃烧气氛、气体流速及物料形状。国内外学者为实现测量上述特征参数，并同时观察燃烧过程中现象，设计搭建了多种形式的实验装置，如通过观察着火现象、着火温度和着火延迟时间，研究煤泥燃烧特性和着火特性。但是现有文献中的装置仍在动态测量燃料燃烧过程中的中心温度和外形尺寸变化上存在缺陷。因此，全面准确地测量燃烧特征参数，并记录分析整个过程中各阶段的形态变化，对全面认识劣质燃料燃烧特性，实现对其综合利用具有深刻的指导意义。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有装置在动态测量燃料燃烧过程中，不能够准确测量燃烧特性参数的问题，现提供一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置及利用该装置测量特性参数的方法。

一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置，包括：视频采集装置1、加热炉2-1、温度采集装置5、密封件6、压强采集装置7和流量计8；

加热炉2-1包括加热保温层和石英管2-2，加热保温层包裹在石英管2-2外侧，

视频采集装置1位于石英管2-2的首端，石英管2-2的末端与密封件6密封连接，待测试样3位于石英管2-2中心处，

气路10的出气端通过密封件6与待测试样3内部连通，气路10上设有流量调节阀9，

视频采集装置1用于采集待测试样3的尺寸变化过程，

温度采集装置5用于采集待测试样3的球心温度，

压强采集装置7用于采集待测试样3内部压强，

流量计8用于调节并计量气路10的气体流量。

上述加热炉2-1为可编程式水平加热炉。

上述石英管2-2的首端利用透明窗密封。

上述石英管2-2的首端呈开放状态。

上述密封件6为内部中空的圆柱形腔体，密封件6的两端和侧壁均设有能够与其内腔连通的开口，且密封件6首端处的开口和侧壁处的开口均设有连接螺纹6-3，

密封件6能够通过其首端的连接螺纹6-3与气路10连通，

密封件6的另一端与石英管2-2连通，

密封件6能够通过其侧壁的连接螺纹6-3与温度采集装置5连通，使得温度采集装置5的采集端穿过密封件6进入待测试样3内部，

密封件6与温度采集装置5的连接处设有旋紧压盖6-1，

密封件6另一端和侧壁的螺纹6-3外侧设有密封垫圈槽6-2，用于填充密封垫圈。

上述一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置还包括密封法兰4，

石英管2-2通过密封法兰4与密封件6密封连接。

上述一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置还包括刚玉管，

刚玉管为中空的管状结构，刚玉管的一端固定在密封件6上，且刚玉管与密封件6的内腔连通，待测试样3固定在刚玉管的另一端，温度采集装置5的采集端从刚玉管内部穿过密封件6并位于待测试样3的球心处。

上述一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置还包括轴向进给装置11，

轴向进给装置11用于带动密封件6沿石英管2-2轴向运动。

上述石英管2-2的侧壁上设有支管。

利用上述一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置测量特性参数的方法，该方法为：

将待测试样3置于石英管2-2内，并将待测试样3的球心调整至石英管2-2的中心处，

开启加热炉2-1为待测试样3所处环境升温，

利用流量计8改变通入待测试样3所处环境的气体流量，

利用视频采集装置1、温度采集装置5和压强采集装置7实时采集待测试样3的尺寸变化、球心温度和环境压强，获得待测试样3的特性参数。

本发明的有益效果：

1本发明所述的装置可以进行方便可靠的安装和拆卸，克服了密封性能与频繁换料的矛盾问题。装配时，刚玉管和定制密封件之间采用螺栓紧固连接的方式，并利用垫圈加强密封性能。通过轴向进给系统，能实现试样在指定温度的推入和推出，增强了实验操作灵活性和精确性。

2本发明所述的装置在连接石英管与定制密封件时采用法兰密封的方式，能够灵活控制石英管内气体种类和压强，充分满足实验装置的普适性。根据不同实验条件，可调整环境气氛为富氧、烟气、空气或还原性气氛，也能实现常压、加压或改变气体流速等条件。

3通过测量试样在燃烧及烧结过程中内部压强曲线的变化规律，即压降曲线的拐点，可以对其内部孔隙的发展动态监测与表征，更准确地测定初始烧结温度，从而计算出烧结动力学参数。

4摄像装置能实现对实验区域实时监控，动态测量径向投影方向上的尺寸变化。一方面，在劣质燃料燃烧过程中，能直接判断着火温度等临界特征参数，并实时观察燃烧状态及火焰特征；另一方面，在测量烧结参数时，利用投影平面上圆形的尺寸变化替代原有方案中圆台的部分尺寸变化，排除外部异相接触面对试样形态变化的影响，实现对直径膨胀/收缩和圆形度较为准确的观测及后续图像处理、测量。

附图说明

图1为本发明所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置的结构示意图；

图2为密封件的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置，包括：视频采集装置1、加热炉、温度采集装置5、密封件6、压强采集装置7和流量计8；

加热炉2-1包括加热保温层和石英管2-2，加热保温层包裹在石英管2-2外侧，

视频采集装置1位于石英管2-2的首端，石英管2-2的末端与密封件6密封连接，待测试样3位于石英管2-2中心处，

气路10的出气端通过密封件6与待测试样3内部连通，气路10上设有流量调节阀9，

视频采集装置1用于采集待测试样3的尺寸变化过程，

温度采集装置5用于采集待测试样3的球心温度，

压强采集装置7用于采集待测试样3内部压强，

流量计8用于调节并计量气路10的气体流量。

本实施方式中，视频采集装置1位于石英管2-2的首端，能够动态采集待测试样3在石英管2-2径向投影方向上的尺寸变化。

温度采集装置5的温度采集端能够直接插到待测试样3中心处，实现对待测试样3内部温度的实时记录。

气路10上设有流量调节阀9，通过调节气路10内气体的组分及流量，可以改变待测试样3在测量过程中的气氛及压强，可以动态反映待测试样3的孔隙发展程度及变化过程。

本实施方式在应用时，加热炉装配热电偶，为石英管2-2内部环境进行加热，利用流量调节阀9调节气体流速，就能够直接测量待测试样3在整个燃烧及烧结过程内中心温度和内部压强的动态变化。

在临界特征温度附近减缓升温速率，可使用高速摄像机代替高清摄像机，集中放大观察试样细微变化。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，加热炉为可编程式水平加热炉。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，石英管2-2的首端利用透明窗密封。

本实施方式中，石英管2-2的首端利用透明窗密封，此时石英管2-2为全密封状态，能够根据测量需要调节石英管2-2内部气体压强，同时视频采集装置1还能够通过透明窗采集待测试样3的尺寸变化过程。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，石英管2-2的首端呈开放状态。

本实施方式中，石英管2-2的首端呈开放状态，石英管2-2内部气压与外界气压相同，适用于对室压条件下的待测式样3进行检测。

具体实施方式五：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，密封件6为内部中空的圆柱形腔体，密封件6的两端和侧壁均设有能够与其内腔连通的开口，且密封件6首端处的开口和侧壁处的开口均设有连接螺纹6-3，

密封件6能够通过其首端的连接螺纹6-3与气路10连通，

密封件6的另一端与石英管2-2连通，

密封件6能够通过其侧壁的连接螺纹6-3与温度采集装置5连通，使得温度采集装置5的采集端穿过密封件6进入待测试样3内部，

密封件6与温度采集装置5的连接处设有旋紧压盖6-1，

密封件6另一端和侧壁的螺纹6-3外侧设有密封垫圈槽6-2，用于填充密封垫圈。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括密封法兰4，石英管2-2通过密封法兰4与密封件6密封连接。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括刚玉管，

刚玉管为中空的管状结构，刚玉管的一端固定在密封件6上，且刚玉管与密封件6的内腔连通，待测试样3固定在刚玉管的另一端，温度采集装置5的采集端从刚玉管内部穿过密封件6并位于待测试样3的球心处。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，它还包括轴向进给装置11，

轴向进给装置11用于带动密封件6沿石英管2-2轴向运动。

本实施方式中，轴向进给装置11能够带动密封件6沿石英管2-2轴向运动，进而带动了固定在密封件6上的刚玉管，最终达到调整待测试样3位置的目的。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性的装置作进一步说明，本实施方式中，石英管2-2的侧壁上设有支管。

通过石英管2-2上的支管，可以改变待测试样3所处的环境气氛富氧、空气、烟气、还原性气氛及压强。

具体实施方式十：本实施方式是利用具体实施方式一至九任一实施方式所述的装置测量特性参数的方法，该方法为：

将待测试样3置于石英管2-2内，并将待测试样3的球心调整至石英管2-2的中心处，

开启加热炉为待测试样3所处环境升温，

通过石英管2-2上的支管，可以改变待测试样3所处的环境气氛富氧、空气、烟气、还原性气氛及压强。

利用流量调节阀9改变通入待测试样3的气体流量，

利用视频采集装置1、温度采集装置5和压强采集装置7实时采集待测试样3的尺寸变化、球心温度和环境压强，获得待测试样3的特性参数。

本实施方式中，根据试验条件设置加热炉的温控程序并保持恒定，将待测试样3直接推入石英管2-2中心处，模拟待测试样3在实际装置中的燃烧过程，同时启动视频采集装置1，在线监控试样燃烧各阶段的尺寸及形貌变化。

具体实施例

一种动态测量细颗粒试样燃烧和烧结特性参数的方法，该方法为：

将待测试样3固定在刚玉管的前端，将刚玉管的末端固定在密封件6中，并使得刚玉管与密封件6的内腔连通，通过轴向进给装置11将待测试样3固定在石英管2-2的中心处，利用密封法兰4将石英管2-2和密封件6锁紧；

对加热炉设置升温程序，启动视频采集装置1、温度采集装置5和压强采集装置7，打开流量调节阀9，调节至流量计8显示试验要求质量流量，动态记录试样相关特征参数。

待测试样3在加热条件下，内部孔隙逐渐发展，展现在内部压强的实时变化上；随着温度升高，内部物质会挥发或团聚，可以通过视频采集装置记录表面形貌及尺寸变化；直接测量灰球中心温度及表面温度，排除由不可忽略的试样直径所造成的传热热阻等影响。