CN102449461B - 自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置。其中颗粒在管道中被运送并且自动从管道中提取。本方法适用于测定固体燃料中的灰烬组分和挥发性物质组分以及灰烬中的未燃物质。颗粒沉积在坩埚(10)上，坩埚(10)始终处于一个温度受控的电炉子(9)内。本装置包含穿过炉子(9)并且一端为圆顶状的位于坩埚(10)上部的导管(16)。颗粒通过导管(16)在重力作用下沉积在坩埚(10)加热的部位上。坩埚(10)被穿过炉子底部的杆(11)支撑并停靠在分析天平(14)上。在加热后，样品被垂直导管(16)抽取除去出去以进行下一个循环。
Description
发明领域
本发明涉及任何一种需要对固体颗粒样品的烧失量和/或热分解反应(裂解)进行测量进而对过程进行监控和优化并且对特定的粉末产品进行质量控制的领域。
背景技术
本发明的目的，如其标题所示，在于提供一种自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应(裂解)的装置，所述固体颗粒自动由导管内导入并且在导管内通过气流被运输。
烧失量(LOI)是在样品颗粒在有氧环境中的受控温度下燃烧后质量减少量百分比表现形式。该参数通常与样品颗粒中的固定碳组分有关。
当在缺氧环境下受控温度提高时，发生热分解反应或裂解，并在上述条件下产生的质量损失与固体颗粒样品中挥发性物质组分相关。
本发明特别适用于使用固体粉末状燃料(煤或生物质)的锅炉或炉子，或在流化床上使用。在上述情况下，灰烬的未燃物质组分(燃料燃烧后的固体残留)通过测定LOI的值来得到确定。
在同样的环境中，本发明允许自动对运送给锅炉的燃料的灰烬组分以及在特定升温并缺氧的条件下的挥发性物质组分的烧失量这一燃烧参数进行测定。
上述参数为了对固体燃料进行质量控制而在实验室中被周期性测量。
用于评价燃烧固体燃料(煤或生物质)的表现的一个最重要的参数是在作为生成的燃烧残余物的灰烬中的未燃物质组分。对该参数的控制对于建立消耗优化的操作策略和后续的CO2排放来说都是至关重要的。
测量上述参数的好处还在于对于灰烬的特性的足量监控的可能性有利于其作为水泥工业的添加剂的销售并且有助于确定控制NOx的操作策略的界限。
上述重要参数以前都通过每天的手动提取样本并对其在实验室中进行后续分析来进行测定，上述样品通常从连接电除尘器灰尘收集斗和简仓的气动传输导管中取得。上述分析通常遵循各种不同标准中的步骤来进行，如标准ISO 1171“固体物质燃料-灰烬的测定”或者其与在其他国家中与其等同的标准，如西班牙的标准UNE32-004-84“固体燃料的灰分测定”或者ASTM C311-07“用于波特兰水泥混凝土的粉煤灰或天然火山灰的取样和测试的标准检测方法”。上述标准中所述的操作过程均十分相似，包括在分析天平上对冷坩埚进行称重，对装有灰烬样品的坩埚进行称重，将样品加热到特定温度直至质量恒定(在ISO中是815℃，在ASTM中是750℃，或者其他任何在有氧环境下使得固体颗粒可以充分进行热分解反应的温度)，在干燥器中冷却并对装有加热后的样品的坩埚进行称重。
另外，上述通过受控的温度升高而进行测量的方式用于测定固体燃料中的灰烬组分。下文所述的在有氧环境下进行热分解反应的方法和标准与上文提到测定灰烬中未燃物质的方法和标准非常类似，只是在进行热分解反应的情况下测定灰烬组分时，残余物质的质量增加而不是减少。
在同样的背景下，通常情况下在受控的温度升高后测定重量的减少，但在无氧环境下，通常都对固态燃料中的挥发性物质组分进行测定。上述测定的示例可以参照标准ISO 562、UNE 32-019-84或ASTM D 3175中的方法。在上述标准中确定的步骤与测定LOI的十分类似，不同之处在于在加热过程中坩埚上设置有一个盖并且对每种燃料都设有不同的加热程序(温度和时间)。
目前，已经有自动实验装置可以简化分析过程，将人工操作降至最低，特别是涉及到称重和加热过程。上述装置的大幅应用意味着针对其设计和使用的标准的诞生ASTM D5142“使用仪器化的过程进行煤和焦炭的工业分析的标准检测方法”，上述标准用于使用自动实验室装置对煤进行快速分析。此种装置的示例可以为商业系统，如FERCo生产的s Hot Foil LOI Instrument或者LECO生产的MAC400。
类似地，美国专利文件US 4,846,292描述了手动将多组样品放入一系列的容器中并依次对其进行分析来测定未燃物质的自动装置。
另外还有一种实验室装置通过燃烧已知质量的样品并测量生成的CO2来测定灰烬样品中的碳组分。由于灰烬中大部分未燃物质是碳，所以上述测量结果与LOI值在数值上非常相似。这些仪器通常对样品进行元素分析，而主要元素便是碳、氢和氧。具体参照标准ASTM D5373“仪器检测实验室样品中的碳、氢和氧的标准检测方法”。
在所有上文描述过的情况下，在提取样品并将其放置至自动实验分析装置和在测量完成后将其移除的过程中，操作员的参与是必不可少的。
在多数情况下，此种操作将对上述重要参数的监控限定在提取样品后一天的单一值上，从而使得对燃烧条件的有效调整(作为灰烬中未燃物质含量或燃料性质的改变的结果)变得不可能。
考虑到针对灰烬中未燃物质的测量，近几年开发出了多种管线测量装置用于测量上述参数并且其对上述参数的测量的响应时间足够对过程进行有效的控制。通常这种装置包括一种自动提取样品、连接到运送导管的系统，以及一个分析提取的灰烬的系统。在所有上述情况下，装置都是基于非直接的测量方式(电容红外或微博传感器)，上述测量方式非常容易受到灰烬中性质的变化的影响。进而导致在灰烬改变时测量值的不确定性较大这一情况的出现频率增加。
发明内容
本发明提供了一种用于管线测量固体颗粒的烧失量的装置，其主要用于燃煤热电厂中的固体燃料锅炉或者炉子中的灰烬未燃物质的测定，以及挥发性物质和燃料中灰烬的测定。
本装置的测量方法的基本原则与代表灰烬(或未燃物质)的测定的标准ISO 1171和代表挥发性物质的测定的标准UNE 32-019-84相同，虽然上述过程已经被用于安装在导管附近的自动测量装置中，上述两个标准均指手动参数测量。因此本装置的测量方法兼具上述基于参照标准进行测量的仪器的精准(但此种仪器对灰烬属性和物理化学参数的改变不敏感)以及与上述过程相关的管线系统的相应速度。
本装置使得整个测量过程均为全自动的并且不需要任何操作员的参与。其包括必要的部件使得：灰烬样品从导管中被取出，被通过气流在导管中进行传送，对待分析的等份样品进行称重，根据待测量的参数值而决定在有氧或无氧环境中对样品在依据特定的程序控制的温度(举例来说，在ISO 1171中对灰烬组分或未燃物质检测时设定在815℃，或者在其他任何温度或热曲线下使得其具有更容易确定等份样品的烧失量和热分解反应的特征)下对样品进行加热，在加热后对样品进行称重，计算烧失量，将被分析的样品从其来源的导管内除去，清洁并准备下一循环。
本装置的最基本特性在于可以将颗粒样本放置于一个始终处于炉子内的受体或圆柱形坩埚中并可以将样本除去以进行一个新的循环，所述炉子最好是具有温度控制的电炉；所有上述步骤均自动完成。为了实现上述特性，本装置具有一个从顶部穿透炉子的导管，所述导管的一端较佳地呈圆顶状并位于坩埚的靠上部分。样品在重力作用下通过上述导管并且沉积在坩埚内受热处。坩埚被一个不接触炉子侧壁穿过坩埚底部并最终依靠在一个分析天平上的杆所支撑。通过这种方式，样品重量的改变从进入炉子的入口到最终被燃烧的过程中均被持续测量并获得一个连续的重量值。在分析过后，包括天平、支撑杆和坩埚的组件沿炉子轴线的方向进行直线运动，使得坩埚底部接近颗粒进入的导管释放部分的圆顶状部分。与此同时，随着坩埚接近圆顶状部分，装置通过颗粒进入的导管进行抽气使得燃尽的样品被全部清除。燃烧所需的空气在有氧状态下从炉子底盖和支撑坩埚的杆之间的自由空间内进入炉子，在自然吸力的作用下进行循环并从炉子顶盖的开口处排出。对于在无氧状态下进行加热的情况来说，由于需要对挥发性物质进行测量，装置有可能在坩埚上设置一个盖子以防止空气进入。上述盖子最好具为圆形冠形，并且其内圆周被上述导管穿过使得颗粒可以进入炉子内部。所述盖可以在垂直方向上自由移动使得其依靠自身重量停靠在颗粒进入的导管圆顶状部分上。上述坩埚在垂直方向上移动使得其可以停靠在某个位置上从而使其边缘表面与盖接触，进而防止空气的进入。在分析后排出样品的过程中，坩埚升起将所述盖送至依靠在导管上的位置上，使得抽气产生的清洁空气得以进入。
本发明中的上述结构体现了其一个重要特性，测量的精度。坩埚在炉子内处于恒定的温度上并且从样品进入坩埚内开始便开始对样品重量进行了持续性的测量，防止了在加热后称重前样品冷却情况的发生。在坩埚温度变化时，其吸收的湿度可能与被分析的样品的重量数量级相近或大于被分析的样品的重量，在这种情况下，上述特性就显得尤为重要。因此，在标准的实验室过程中，坩埚必须在燃烧前和燃烧后被放置在干燥器中一段时间，使得称重在与坩埚的湿度相同的条件下进行(实验室的温度通常保持恒定)。这在自动装置中通常是很难控制的，特别是在称重过程中，冷却循环可能带来与环境温度和湿度条件相关的不确定性。
另外在加热过程中的持续称重使得确定连续重量在时间上的对应值(在分析后)成为可能，从而避免了再次进行确定性重量测量的麻烦，并且优化了装置的响应时间。
附图说明
附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起，用来解释本发明的原理。通过以下结合附图所作的详细描述，可以更清楚地理解本发明的目的、优点及特征，并非是为了限制本发明，其中：
图1显示了与用于在气流中运输颗粒的运输管相连的装置组件。在本图中，坩埚在炉子内部处于将待测样品放置到坩埚上的状态。这与使用本装置测量挥发性物质组分在无氧状态下加热的位置相符。
图2显示了在有氧环境下对未燃物质组分或灰烬组分进行测量的步骤中坩埚在炉子中的位置。
图3显示了在去除被检测后的样品过程中坩埚在炉子中的位置。
具体实施方式
图1显示了本发明要保护的一个实施例的图示。本装置的结构使得在有氧环境和无氧环境下测量烧失量均成为可能。
在显示的实施例中，用于管线测量烧失量和热分解反应的装置通过一个运输管2被连接至一个气动的颗粒传输导管1处，上述连接处设置有一个自动关闭阀门3。该装置使用喷射泵4来吸收由待检测颗粒和用于传输的空气的混合物组成的双向气流，所述喷射泵4通过一个自动关闭阀门5来供应压缩空气。抽出的颗粒由旋流干燥器6分离并被收集至腔室7中，腔室7在下端处被一个自动关闭阀门8所隔离。
旋流干燥器6、腔室7和阀门8被垂直并成一直线地设置在电炉子9的上方，电炉子9的温度即将进行的分析来决定并控制。炉子9内部有圆柱形的坩埚10，坩埚10的容量足够容纳收集的待检测颗粒。坩埚10由杆11所支撑，杆11通过底盖12上的开口13穿出炉子，所述开口13的直径要大于杆11的直径。杆11除了起到提供支撑的作用，其主要功能还在于将待测量样品的质量传送到炉子9下方的高精度天平14上去。为防止热量传导至天平14上去，杆11连接至制冷机15上，制冷机15包括两块由两块隔膜连接的平行的平板。制冷机15被稳固地放置在天平14上的方式使得由坩埚10、杆11和制冷机15组成的组件的垂直性被保证，并且在天平盘14和炉子9的组件之间没有接触。
由腔室7至坩埚10的颗粒样本的释放通过一个垂直导管16在重力下完成，导管16一端连接隔离阀8而其另一端穿过绝缘材料形成的顶盖17并且形成圆顶状部件。颗粒的降落由作用在腔室7上的气动振荡器18保证，并且上述气动振荡器18在隔离阀8打开的时候被触发。垂直导管16也是在垂直方向上和杆11的轴对齐，并且圆顶状部件最宽处的直径在2至4毫米之间并且小于坩埚10的直径。
坩埚10与垂直导管16的颗粒释放点之间的距离是相应于测量过程的阶段不同而进行变化的。为实现上述功能，天平14和它的全部负荷，包括制冷机15、杆11和坩埚10可以通过垂直移动装置19、20、21而垂直移动，垂直移动装置19、20、21至少包括一个直线驱动器19，所述直线驱动器19连接至一个用于支撑整个组件的平台20上。为了防止天平盘14与炉子9的侧壁发生侧向上的接触，运动的垂直性由垂直移动装置19、20、21的引导装置21来保证，其中所述引导装置21穿过平台20。
在将样品卸载至坩埚10的阶段中，垂直导管16的颗粒释放点被提升至其高度的一半使得垂直导管16的颗粒释放点被引入坩埚10的内部，如图1所示。
在读取重量值和在有氧环境下加热的阶段中，坩埚10被放置为其边缘部分距离垂直导管16的颗粒释放点几厘米的状态，如图2所示。
更具体地说，垂直移动装置19、20、21可以对垂直导管16的颗粒释放点和坩埚的内部底面之间的距离进行调整，使其至少处于三种不同的垂直位置上：在第一种位置上时上述距离小于2毫米，在第二种位置上时上述距离等于或大于2毫米但小于坩埚10的高度，在第三种位置上时上述距离大于坩埚10的高度。
炉子9内的空气循环对于确保燃烧反应所需氧气的存在是必须的，上述空气循环由位于炉子顶盖17上的开口22形成的天然引力而实现。空气的更新通过杆11和开口13之间环形空间而实现，上述开口13的直径大于杆11的直径，并且杆11通过开口13穿过炉子的底盖。
为了实现在无氧环境下的加热，所述装置包含一个圆形冠状的盖23，所述盖23的外直径等于或大于坩埚10的外直径，而其内直径比释放颗粒的垂直导管16非圆顶状区域的外直径大几毫米。垂直导管16穿过所述盖23，而所述盖23在其自身重力的作用下放置于圆顶状部件的表面。在加热并对挥发性物质组成进行分析的过程中，坩埚10被升起直到其边缘表面与盖23的下表面重合，如图1所示。上述运动过程由于盖23轻轻地被放置于天平盘14上而导致重量的增加，进而被记录下来。在加热过程中需要关闭隔离阀8进而形成无氧环境。
在上述情况下，盖23、坩埚10和释放颗粒的导管16的尺寸被设置为可以满足下列条件：在上述第一种位置时，盖23依靠在坩埚10上并由其支撑而不与垂直导管16相接触；在第二种位置时，盖23与坩埚10的上部相接触；在第三种位置时，盖23由垂直导管16的圆顶状部件的表面所支持。
在有氧环境中的烧失量测量中，由于氧气的存在不影响所述装置在测量中的功能，所述装置不需要使用坩埚10的盖23。
为了在分析后去除样品，通过向喷射泵4提供压缩空气来实现垂直导管16的抽气，此时保持阀3处于关闭状态。与此同时，坩埚10被升起直到其内侧底部碰触到垂直导管16的颗粒释放点，如图3所示。一旦样品被清除后，坩埚10被放置到图1所示的位置，新的样品可以被放上从而开始一个新的循环。
所述装置的自动控制通过控制系统24实现，控制系统24通常是一个可编程式逻辑控制器(PLC)，所述控制系统24控制阀3、5和8的打开和关闭，直线驱动器19的触发和天平14的工作。控制系统24还管理着炉子9的温度控制装置25、26，温度控制装置25、26包括一个温度传感器25和一个温度控制模块26，所述温度传感器25和所述控制模块26电连接。控制系统24另外还进行烧失量的计算，还具有通过远程监控发送上述数值的装置或者在可视化显示装置上显示数据的数据显示装置。
Claims (17)
1.一种自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，所述固体颗粒由导管(1)导入并且在导管(1)内通过气流被运输，所述装置包括：
-旋流干燥器(6)，其在切向上接收来自导入有上述固体颗粒的导管(1)的输入，上述旋流干燥器(6)连接至下方的收集腔室(7)中；
-炉子(9)，其具有一个顶盖(17)和底盖(12)，所述顶盖(17)和底盖(12)包含用于外部空气循环的第一开口(13)，第二开口(22)；
-坩埚(10)，用于收集和点燃来自于收集腔室(7)的颗粒；
-分析天平(14)，用于对坩埚(10)进行称重；
其特征在于，包括：
-垂直释放导管(16)，连接收集腔室(7)与始终处于炉子(9)内的坩埚(10)，所述垂直释放导管(16)穿过炉子(9)的顶盖(17)并设置有一个靠近坩埚(10)的下端释放开口；
-刚性杆(11)，其连接至坩埚(10)，所述刚性杆(11)的轴与垂直释放导管(16)的轴对齐，并且所述刚性杆(11)穿过炉子的底盖(12)与分析天平(14)相关联，使得所述分析天平(14)至少支持坩埚(10)和刚性杆(11)保持坩埚(10)在水平位置；
-喷射泵(4)，连接至进行抽取的旋流干燥器(6)，并促进从导管(1)至旋流干燥器(6)的样品抽取和燃烧后坩埚(10)内的残留物的抽取；
-分析天平(14)和其天平盘的垂直移动装置(19,20,21)，其控制坩埚(10)的内侧底面相对于垂直释放导管(16)的释放开口的垂直位置；
-以及控制系统(24)，其用于自动控制向坩埚(10)进行颗粒的释放、分析天平(14)的垂直移动装置(19,20,21)的位置、炉子(9)的温度控制装置(25、26)、分析天平(14)的工作、烧失量的计算以及从坩埚(10)内提取燃烧后的颗粒。
2.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述垂直释放导管(16)的下端开口呈圆顶状。
3.根据权利要求2所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，还包括一个呈冠状的盖(23)，所述盖(23)可关闭所述坩埚(10)的上端开口，其内直径略大于垂直释放导管(16)非圆顶状部分的外直径，垂直释放导管(16)穿过所述盖(23)并且不通过任何方式与之连接，所述盖(23)通过其自身重量放置于垂直释放导管(16)的所述圆顶状部分上。
4.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述坩埚(10)是圆柱形的。
5.根据权利要求3所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，盖(23)的冠状部分为圆形并且其外部直径等于或大于坩埚(10)的外直径。
6.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，收集腔室(7)下端连接有一个自动关闭阀(8)和一个振动装置(18)。
7.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述炉子(9)的第二开口(22)在顶盖(17)上。
8.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述炉子(9)的第一开口(13)在底盖(12)上。
9.根据权利要求8所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，炉子(9)的底盖(12)上的第一开口(13)中穿过刚性杆(11)并形成一个供空气自由流入的环形空间。
10.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，喷射泵(4)处供给有压缩空气。
11.根据权利要求3所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，垂直移动装置(19,20,21)包括：通过其活塞杆连接至平台(20)的直线驱动器(19)，所述平台(20)用于支撑整个所述自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，所述天平(14)设置于平台(20)上，所述垂直移动装置(19,20,21)可以改变垂直释放导管(16)的开口和坩埚(10)的底部之间的距离使其处于至少三种位置上：在第一种位置上时上述距离小于2毫米，在第二种位置上时上述距离等于或大于2毫米但小于坩埚(10)的高度，在第三种位置上时上述距离大于坩埚(10)的高度。
12.根据权利要求11所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，垂直移动装置(19,20,21)还包括至少一个引导装置(21)，所述平台(20)沿着所述引导装置(21)滑动。
13.根据权利要求11所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述盖(23)、坩埚(10)和释放颗粒的垂直释放导管(16)的尺寸被设置为可以满足下列条件：在上述第一种位置时，盖(23)依靠于坩埚(10)上并由其支撑而不与垂直释放导管(16)相接触；在第二种位置时，盖(23)与坩埚(10)的上部相接触；在第三种位置时，盖(23)由垂直释放导管(16)的圆顶状部件的表面所支持。
14.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，还包括一个设置于分析天平(14)和刚性杆(11)之间的制冷机(15)。
15.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，所述炉子(9)的温度控制装置(25、26)包括一个温度传感器(25)和一个温度控制模块(26)。
16.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，控制系统(24)包括一个数据显示装置。
17.根据权利要求1所述的自动管线测量固体颗粒的烧失量和热分解反应的装置，其特征在于，控制系统(24)包括一个通过远程监控发送数值的装置。
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