不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置的制作方法

本发明涉及煤炭燃烧实验装置领域，具体涉及一种不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置。

背景技术

矿井火灾是一种严重的矿井灾害事故，每年造成大量的资源浪费与人员财产损失。在矿井煤炭燃烧事故中，因瓦斯燃烧直接或间接引燃煤体的事故占较大的比例。在大量的煤矿瓦斯与煤自燃火灾中，煤样并没有直接和瓦斯产生的火焰接触，且区域温度也没有达到煤的燃点，但仍然出现了煤炭被引燃的现象。瓦斯燃烧后产生的火焰与实验室条件下的射流火基本类似，故探究射流火强度对煤炭引燃的影响因素，及煤样在升温过程中各种参数的变化情况，对探究井下瓦斯与煤耦合燃烧具有十分重大的意义。

射流火是基本的扩散火焰类型之一，也是火焰传播过程中最常见的表现形式，具体为可燃气体在与空气混和后，经点火源作用产生的燃烧现象。如果可燃气体的流速低于临界值，气体流动呈层流状态，可燃气体与空气的混合以分子扩散的方式在薄火烙面内发生，在火焰面上的空间固定不动，是为射流火焰。瓦斯燃烧后火焰产生一定的热辐射，此时虽然火焰外焰没有与煤直接接触，但其产生的热辐射仍可能引起煤炭燃烧，不同强度的火焰提供的热辐射不同，不同距离下煤样所受的热辐射也不尽相同，因此煤的燃烧情况也各不相同，通过检测煤样在此过程中的特性参数的变化情况，就可反向推测煤样的受热情况。

现阶段监测煤样燃烧影响因素的方法与装置主要集中在煤炭自燃与外界温度与气体对煤炭燃烧的影响上面，很少涉及到非接触式的热辐射对煤样引燃情况的探究。

技术实现要素：

本发明的目的是探究非接触式火焰对煤样的引燃情况，从而提供一种不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置。

本发明的技术方案是：

一种不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置，包括箱体、火焰加热组件、煤样放置组件和检测组件；所述箱体底部设置有实验平台，侧面设有导气孔，顶端设置有排烟管道；所述火焰加热组件包括燃料罐和本生灯，所述燃料罐设置在箱体外，所述本生灯设置在箱体内，且与燃料罐通过导管连接，所述本生灯的火焰出口处设置有火焰形状控制装置；所述煤样放置组件设置在箱体内，包括伸缩杆、支杆、轨道和试样皿；所述轨道设置在实验平台上，所述伸缩杆设置在实验平台上，且通过轨道在实验平台上移动；所述伸缩杆上设置有支杆，支杆末端放置有试样皿；所述检测组件设置在箱体内，包括质量传感器、光电热电偶、辐射热流计、气体传感器和摄像头；所述质量传感器设置在支杆的末端，且设置在试样皿的下端，所述光电热电偶、辐射热流计、气体传感器均设置在支杆上，所述摄像头设置在箱体顶端。

进一步地，为有效阻止火焰蔓延至燃料罐，所述导管上还设置有阻火器，同时，所述燃料罐的出口处还设置有流量开关，可调节火焰大小，改变煤样所受到的热辐射强度。

进一步地，所述伸缩杆、支杆和试样皿的表面涂有耐热涂层，耐热涂层可有效降低火焰产生的热传导，降低温度，防治因直接接触可能导致的热损伤。

进一步地，所述箱体的顶端为棱锥形状，可更大程度的聚拢烟气。

进一步地，所述箱体采用石英玻璃制成，便于观察实验进展；箱体左侧板的一边与前侧板铰接，实现左侧板的打开与闭合。

进一步地，为加快排烟速度，所述排烟管道内设置有风机。

进一步地，所述导管为橡胶导管。

进一步地，所述伸缩杆上设置有套杆，调节伸缩杆的长度。

进一步地，所述轨道上设有标识刻度线，可准确调节距离，改变煤样受到的热辐射强度。

进一步地，所述排烟管道的开口位于射流火焰上方。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明通过火焰热辐射引燃煤样，检测此过程中的煤样温度、性状、气体产物等数据的变化情况，建立矿井中多场耦合模型，探究瓦斯燃烧火焰引燃煤层的临界条件，研究瓦斯燃烧热辐射与煤自燃的耦合致灾机理，对探究煤矿瓦斯与煤复合燃烧灾害具有应用价值。

2.通过本发明装置可获取瓦斯火焰如何在非接触煤时引燃煤层、火焰热辐射引燃煤层的临界条件、煤样在此过程中物理性质发生的变化、发生的化学反应及其气体产物的变化情况，进而建立矿井瓦斯火灾火焰模型，为瓦斯而引发的煤自燃热动力灾害发展的条件及有效识别信息提供依据，为以后实现灾害发生发展的准确判识与评价，以减少救援人员伤害、提高救灾的安全性和救灾效率提供了一定的理论基础。

3.本发明提供了一种基于不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置，其目的在于探究不同强度射流火热辐射对煤的引燃情况，可以准确测定煤样的受热辐射变化特征、煤燃烧的特征温度点、表观特性实时变化特性、标志性气体co随时间和温度的变化特性等。本装置可测量不同强度的射流火热辐射对煤样的引燃情况，并可实现温度、热辐射、质量等的精准测量，结构简单，操作便捷，成本较低。

4.本发明所提供的测试装置整体结构简单，材料成本较低，运行稳定，测量精度较高，测量数据较为全面，本装置在测定不同强度的射流火热辐射引燃煤样领域有较大应用。

5.本发明采用本生灯提供射流火，火焰温度高，稳定且污染较小。通过控制火焰强度与改变煤样和火焰间的距离来控制煤样所接受到的火焰强度，可实现较为精确地定量。

6.本发明各传感器采用非接触式测量，精度高，性能稳定，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置结构图；

图2为本发明不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置正视图；

图3本发明不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置局部结构图；

图4本发明火焰形状控制装置示意图一；

图5本发明火焰形状控制装置示意图二；

图6本发明火焰形状控制装置示意图三。

附图标记：1-燃料罐，2-阻火器，3-导管，4-实验平台，5-套杆，6-伸缩杆，7-试样皿，8-排烟管道，9-风机，10-摄像头，11-光电热电偶，12-气体传感器，13-辐射热流计，14-导气孔，15-轨道，16-本生灯，17-质量传感器，18-支杆，19-流量开关，20-箱体，21-火焰形状控制装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明公开了一种基于不同强度射流火焰热辐射下煤样燃烧特性测试装置，其目的在于探究不同强度射流火焰热辐射对煤的引燃情况，可以准确测定煤样的受热辐射变化特征、煤燃烧的特征温度点、表观特性实时变化特性、标志性气体co随时间和温度的变化特性等。本装置可测量不同强度的射流火热辐射对煤样的引燃情况，并可实现温度、热辐射、质量等的精准测量，结构简单，操作便捷，成本较低。

如图1至图3所示，本发明装置主要由箱体20、火焰加热组件、煤样放置组件和检测组件组成。火焰加热组件主要提供射流火焰，并可以通过阀门(流量开关19)控制火焰强度的大小；煤样放置组件主要放置实验煤样，调节煤样与火焰之间的间距；检测组件主要检测煤样燃烧过程中的各种参数。

箱体20采用厚度不小于10mm的石英玻璃制成，具有强度高、硬度大、耐高温、安全性能高等特点，且能够很好的对实验整体流程进行观测。箱体20整体处于密闭状态，底部设置有实验平台4，侧面设有多个导气孔14。箱体20整体除导气孔14外均封闭完好，将实验干扰降到最低。箱体20左侧板的一边与箱体20前侧板铰接，实现左侧板的打开与闭合，左侧板的其余三边与箱体的相接处设有硅胶密封条，保证箱体的密封性。箱体20上部为棱锥形状，更大程度的聚拢烟气。在箱体20上端设置排烟管道8，排烟管道8连接至排烟橱或室外，将烟气导出，避免烟气干扰到实验结果。排烟管道8的开口最好位于射流火焰上方，能最大限度排出煤样燃烧过程中产生的气体，减小实验干扰。为加快排烟速度，排烟管道8内部设有风机9，风机9材质为耐高温的金属材质或其他适宜材料，风机9为防爆风机。

火焰加热组件包括燃料罐1和本生灯16。燃料罐1设置在箱体20外，本生灯16固定放置于铝合金制的实验平台4上，本生灯16与燃料罐1通过橡胶导管3连接。燃料罐1内装有高压液化的丁烷，罐体与导管3连接处设有气压阀(燃料罐本身含有)检测气压，并有控制阀(燃料罐的出口处还设置有装配有微风流量计的流量开关19)控制供气量大小。本生灯16提供稳定的火焰，可燃气体经导管3连接到本生灯16内，与空气均匀混和后点燃，本生灯16提供的火焰温度较高，产生污染较小，通过控制气体流量的大小来改变本生灯16火焰强度，达到提供不同热辐射强度的目的。本生灯16火焰出口处设置有火焰形状控制装置21，可以改变出口火焰的形状，达到模拟井下不同情况下瓦斯火焰的目的，火焰形状控制装置21通过螺纹固定于开口处，开口为截面积相同形状不同的圆形、矩形、星形、十字形等形状的任意一种或者一种以上形状的组合。如图4至图6所示，为不同制式的火焰形状控制装置21，可改变火焰喷射出后的形状，该装置可自由拆卸并有不同制式，可满足不同实验条件下对火焰的模拟情况。导管3中间放置小型阻火器2，能有效的阻止火焰蔓延至燃料罐1，阻火器2采用法兰连接，接口处采用适宜大小橡胶垫圈密封，密封性能好，拆卸方便。所选用的燃料罐1为无缝高压气瓶；燃料为甲烷或者其他适宜燃料，能最大程度模拟瓦斯与煤自燃复合致灾情况；导管3为致密橡胶管或其他适宜材料，密封性与抗弯折能力较好。

煤样放置组件设置在箱体20内，包括伸缩杆6、支杆18、轨道15和试样皿7；轨道15设置在实验平台4上，伸缩杆6也设置在实验平台4上，同时能够通过轨道15在实验平台4上移动，轨道15上标识有刻度线，可调节伸缩杆6与本生灯16间的距离。伸缩杆6上设有调节高度的套杆5，套杆5通过螺纹可调节伸缩杆6的高度。支杆18固定设置在伸缩杆6上，且能够随着伸缩杆6上下、左右移动。支杆18末端放置有试样皿7，试样皿7可拆卸安装，方便清洗。试样皿7为煤样容器，所选用的试样皿7材质为碳化硅或其他适宜材料，耐高温煅烧、物理化学性质稳定、导热性好，试样皿7为可以拆卸安装，方便清洗。伸缩杆6可以实现垂直上下移动，方便调节伸缩杆6与火焰之间的距离；伸缩杆6卡装在轨道15上，可实现水平方向的移动，滑动轨道15上标注精确的刻度，可以测量火焰与煤样的水平距离。

检测组件主要由质量传感器17、光电热电偶11、辐射热流计13、气体传感器12(co检测器)和高速摄像头10组成。质量传感器17定量检测煤样质量和升温过程中的质量变化，辐射热流计13检测升温过程中的热辐射的变化，光电热电偶11检测升温过程中煤样的温度变化，co检测器检测煤样升温过程中的产生的co浓度，以此来判断煤样氧化过程进展情况，通过高速摄像头10来监测煤样受热过程中的物理性状的变化情况。其中，质量传感器17、光电热电偶11、辐射热流计13、co检测器均安装在支杆18上，具体安装位置为：质量传感器17设置在支杆18的末端，且设置在试样皿7的下端。在试样皿7的正上方一定距离处，设置有co传感器，检测煤样氧化过程中的气体变化情况；co传感器左边设有光电热电偶11，检测煤样氧化过程中的温度变化，在试样皿7上方设有辐射热流计13，检测煤样所受的热辐射。

高速摄像头10设置在箱体20顶端，采用高速摄像头10拍摄煤样氧化燃烧过程中的性状变化及瞬时火焰，高速摄像头10位于煤样斜上方，视野开阔，可精准监测煤样燃烧过程。所选用的摄像机为高速摄像头10，能准确拍摄煤样燃烧瞬间的性态变化，了解煤燃烧的直接过程。质量传感器17为高精度测量天平，能准确测定出煤样燃烧过程中的质量变化情况，并稳定输出数据。

光电热电偶11位于煤样上部，检测煤样升温过程中的温度变化情况。光电热电偶11选用以黑体辐射理论为基础的新型高温传感器，由探测管与探测器两部分组成，采用非接触式的测量方法，耐高温，耐侵蚀，能有效的探测到升温过程中的温度变化，精度较高，使用寿命长。

辐射热流计13位于煤样上方，检测煤样受热过程中的热辐射强度，以此来判断火焰强度的大小。辐射热流计13是用来测定热流的仪表，通过非接触的方式测得被测物体表面的辐射热流密度、表面温度等，具有精度高，测量准确，使用寿命长、适用范围广、非接触等优点。

检测组件的电路架设于耐高温不燃材料管内，防治高温产生的电路损伤。实验台、伸缩杆6和支杆18等为铝合金材质或其他适宜材料，质量较轻，硬度高，不易氧化损坏。滑动轨道15标有精确地刻度，可以实现煤样的定量移动。伸缩杆6、支杆18和试样皿7等非导热表面均涂有不小于8mm的磷酸盐铝粉耐热涂层，可有效的降低火焰产生的热传导，降低温度，防治因直接接触可能导致的热损伤(耐热涂层也可为其它耐热型的涂层)。该实验装置各部分均具有良好的隔热性能，且各部分空腔内壁和各部分连接处均光滑。

本发明装置中，箱体20为石英玻璃材质，大小为50cm×50cm×50正方体；本生灯16高度约为15--25cm之间，火焰高度1-5cm之间。本生灯16固定于实验平台4中心处，伸缩杆6长度与本生灯16高度相适应，基本保持煤样与火焰高度平齐；试样皿7为石英玻璃材质或其他耐高温材质，边缘略有凸起，可稳定放置于质量传感器17上。co传感器、光电热电偶11、辐射热流计13、摄像头10等检测监测装置放置在合适位置，保证检测结果的稳定性与准确性即可。

使用时，检查燃料罐1出口压力表是否正常，无故障后缓慢打开燃料罐1气体出口阀门，使燃料经导管3流入本生灯16内，在本生灯16内部，空气流场引起气压的变化，将外界空气吸入，与可燃气体均匀混合，从本生灯16管口喷出，用点火器点燃本生灯16，调节燃料罐1开关阀，调节合适的火焰大小。

本装置实验平台4部分与箱体20、伸缩杆6与滑动轨道15、支杆18与试样皿7之间均为可移动装置。箱体20左侧为箱门，打开后可从侧面将试验平台拉出，从滑动轨道15上取下伸缩杆6与实验皿，在实验皿中装填煤样，放置于质量传感器17后，将实验平台4推进箱体20内；通过伸缩杆6与套杆5间的螺纹实现煤样的垂直移动，通过伸缩杆6在滑动轨道15上滑动实现煤样与火焰间的水平移动，滑动轨道15上有精确地刻度线，可调节煤样与火焰之间的水平距离。

在支杆18末端连接称重传感器测定煤样质量，且在升温过程中，煤样被氧化燃烧发生质量变化均可用称重传感器准确测出，得到质量变化的规律；在煤样斜上方支杆18处放置辐射热流计13，检测射流火焰的热辐射强度，得到火焰强度的最直观准确的数据；在煤样斜上方支杆18处布置光电热电偶11，检测升温过程中煤样温度的变化，得到不同火焰强度下的煤样温度的变化规律；在煤样正上方合适位置处放置co检测器，检测煤样受热过程中的气体浓度变化，监测煤样氧化燃烧进程。在箱体20后上角放置高速摄像头10，拍摄煤样受热过程中的物理性状的变化情况，拍摄煤引燃瞬间的变化及火焰产生情况。各传感器均布置在箱体20内部，电路经过箱体20板壳连接至外界显示器或其他数据存储设备，电路开口处用凝胶密封处理。