CN103571989A - 一种超高温煤粉燃烧实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高温煤粉燃烧实验装置，属于高炉炼铁技术领域，解决了超高温条件下煤粉燃烧率检测的问题，同时该装置可用于生物质等的新型燃料燃烧率的检测。该装置包括气体混合罐、气体预热炉、气体加速器、煤粉螺旋给料器、流量计、快速切断阀、混合管、电弧燃烧室、电弧控制柜、粉尘收集器、二次除尘器、气体分析仪、计算机、数据线、尾气处理装置。本发明可以使煤粉按照不同流量均匀、连续喷入燃烧室。同时采用气体加速器加速热风，采用电弧燃烧室产生超高温燃烧煤粉，可以使煤粉燃烧状态更加接近于高炉实际工况。为高炉煤粉高效燃烧提供合理的工艺参数和喷煤方案。

Description

一种超高温煤粉燃烧实验装置
技术领域
本发明涉及一种用于模拟超高温煤粉燃烧实验装置，属于高炉炼铁技术领域。
技术背景
随着成本和环境的压力，高炉喷吹煤粉及大幅度提高煤比降低焦比，是世界炼铁技术的发展的趋势，也是降低炼铁成本非常有效的措施之一。强化煤粉在风口回旋区的燃烧是提高高炉喷煤量的关键。因此，在高炉条件下需要针对浓密相煤粉纯氧高效燃烧进行研究，以揭示氧-煤燃烧反应动力学机理，获得氧煤高效燃烧关键控制参数。
目前检测煤粉燃烧率的实验装置虽然一直在不断完善，但仍然有以下几点不足之处：一是，检测过程多为间断性喷吹，气流速度和喷煤速度无法控制；二是，热风温度低且多为恒定温度，热风温度不可调；三是，热风流速小，与高炉实际流速相差较远，不能准确模拟现场高炉煤粉运行状态；四是，煤粉燃烧室温度较低，不能模拟高炉风口回旋区温度。因此急需一种模拟高炉超高温条件下煤粉燃烧的研究装置。
发明内容
本发明高炉条件下的煤粉燃烧状态及现有煤粉燃烧率检测装置的不足，提供了一种用于模拟高炉条件下超高温煤粉燃烧实验装置。
一种用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于包括氧气流量计、氢气流量计、一氧化碳气体流量计、二氧化碳气体流量计、气体混合罐、风管、密封法兰四、气体预热炉、高温合金管、密封法兰五、气体加速器、密封法兰六、气流导管、快速切断阀一、密封法兰一、混合管、惰性气体流量计、煤粉螺旋给料器、快速切断阀二、输煤管、密封法兰二、密封法兰三、电弧燃烧室、电极、导线、密封法兰七、电弧控制柜、冷却器、粉尘收集器、二次除尘器、气体分析仪、尾气处理装置、数据线、计算机；常温气体通过氧气流量计、氢气流量计、一氧化碳气体流量计、二氧化碳流量计控流，所述氧气流量计、氢气流量计、一氧化碳气体流量计、二氧化碳气体流量计与气体混合罐相连，所述风管接在气体预热炉左下侧，所述的气体预热炉右侧接着气体加速器，气流通过气体加速器加速；所述的风管与高温合金管之间通过密封法兰四连接，高温合金管另一端与气体加速器之间通过密封法兰五连接；密封法兰六与密封法兰一之间设有气流导管，气流导管上设有快速切断阀一；所述输煤管与混合管之间通过密封法兰二连接，所述混合管另一端与电弧燃烧室之间通过密封法兰三连接，所述电弧燃烧室另一端与冷却器之间通过密封法兰七连接；所述螺旋给料器、惰性气体流量计接在输煤管，所述输煤管上连接快速切断阀二，通过快速切断阀二连接混合管，煤粉由螺旋给料器均匀、连续的加入，被通过惰性气体流量计的惰性气流带入到混合管，煤粉与热风一起通过混合管被送入电弧燃烧室快速燃烧，所述电弧燃烧室通过导线与电弧控制柜连接；所述冷却器下方连接粉尘收集器，所述粉尘收集器后接二次除尘器，所述二次除尘器后接气体分析仪在线检测气体含量，所述气体分析仪后接尾气处理装置，所述气体分析仪、电弧控制柜均通过数据线连接在计算机上。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，气体混合罐前连接多个流量计，通过流量计可以实现多种气体按比例混合搭配，便于研究不同气氛、流量下煤粉燃烧率。
进一步，气体预热炉设有加热用的硅钼棒，所述气体预热炉的加热温度范围在900-1600℃，气流管道为高温合金管，所述高温合金管为多段螺旋形状。
进一步，采用气体加速器加快气流速度，所述气流加速器内置拉瓦尔管或渐缩管，所述气流加速器方便拆卸，便于更换气流加速器型号。
进一步，实验给煤装置为螺旋给料器。
进一步，气流导管连接快速切断阀一，输煤管上连接快速切断阀二，以保证实验过程的安全。
进一步，混合管通过密封法兰与其它部件连接，方便拆卸，所述混合管可以更换为其他设计形式。
进一步，超高温燃烧室即电弧燃烧室是由电弧产生的超高温燃烧煤粉，电弧燃烧室由电弧控制柜控制，通过控制电极的电压、电流来控制所产生的电弧，电弧燃烧室可产生2500-8000℃的高温。
进一步，电弧燃烧室中电极布置方式为纵向，平行于气流运行方向。
进一步，电弧控制柜、气体分析仪均通过数据线连接在计算机上，由计算机自动控制并进行计算。
进一步，实验煤灰通过粉尘收集器收集，残余粉煤灰通过二次除尘器收集，实验尾气通过尾气处理装置收集处理。
本发明的有益效果是：本发明可用于研究超高温下煤粉燃烧行为，尤其是模拟高炉条件下的煤粉燃烧，操作方便，运行稳定，结果准确；可以通过更换混合管，研究不同混合管结构下的煤粉燃烧率，有助于氧煤枪结构及风口结构的设计；可以通过螺旋给料器连续、均匀的给料，实验过程更加接近于现场实际情况；同时采用气体加速器加速热风，解决了传统装置热风速度不高的问题；本装置还可用于生物质喷吹的研究。
附图说明
图1为本发明用于超高温煤粉燃烧的实验装置的结构示意图。
氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）、气体混合罐（5）、风管（6）、密封法兰四（7）、气体预热炉（8）、高温合金管（9）、密封法兰五（10）、气体加速器（11）、密封法兰六（12）、气流导管（13）、快速切断阀一（14）、密封法兰一（15）、混合管（16）、惰性气体流量计（17）、煤粉螺旋给料器（18）、快速切断阀二（19）、输煤管（20）、密封法兰二（21）、密封法兰三（22）、电弧燃烧室（23）、电极（24）、导线（25）、密封法兰七（26）、电弧控制柜（27）、冷却器（28）、粉尘收集器（29）、二次除尘器（30）、气体分析仪（31）、尾气处理装置（32）、数据线（33）、计算机（34）
具体实施方案
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
1、如图1所示，所述一种用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于包括氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）、气体混合罐（5）、风管（6）、密封法兰四（7）、气体预热炉（8）、高温合金管（9）、密封法兰五（10）、气体加速器（11）、密封法兰六（12）、气流导管（13）、快速切断阀一（14）、密封法兰一（15）、混合管（16）、惰性气体流量计（17）、煤粉螺旋给料器（18）、快速切断阀二（19）、输煤管（20）、密封法兰二（21）、密封法兰三（22）、电弧燃烧室（23）、电极（24）、导线（25）、密封法兰七（26）、电弧控制柜（27）、冷却器（28）、粉尘收集器（29）、二次除尘器（30）、气体分析仪（31）、尾气处理装置（32）、数据线（33）、计算机（34）；常温气体通过氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳流量计（4）控流，所述氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）与气体混合罐（5）相连，所述风管（6）接在气体预热炉（8）左下侧，所述的气体预热炉（8）右侧接着气体加速器（11），气流通过气体加速器（11）加速；所述的风管（6）与高温合金管（9）之间通过密封法兰四（7）连接，高温合金管（9）另一端与气体加速器（11）之间通过密封法兰五（10）连接；密封法兰六（12）与密封法兰一（15）之间设有气流导管（13），气流导管（13）上设有快速切断阀一（14）；所述输煤管（20）与混合管（16）之间通过密封法兰二（21）连接，所述混合管（16）另一端与电弧燃烧室（23）之间通过密封法兰三（22）连接，所述电弧燃烧室（23）另一端与冷却器（28）之间通过密封法兰七（26）连接；所述螺旋给料器（18）、惰性气体流量计（17）接在输煤管（20），所述输煤管（20）上连接快速切断阀二（19），通过快速切断阀二（19）连接混合管（16），煤粉由螺旋给料器（18）均匀、连续的加入，被通过惰性气体流量计（17）的惰性气流带入到混合管（16），煤粉与热风一起通过混合管（16）被送入电弧燃烧室（23）快速燃烧，所述电弧燃烧室（23）通过导线（25）与电弧控制柜（27）连接；所述冷却器（28）下方连接粉尘收集器（29），所述粉尘收集器（29）后接二次除尘器（30），所述二次除尘器（30）后接气体分析仪（31）在线检测气体含量，所述气体分析仪（31）后接尾气处理装置（32），所述气体分析仪（31）、电弧控制柜（27）均通过数据线（33）连接在计算机（34）上。
2、多路气流在气体混合罐（5）内混合，气体混合罐（5）前连接氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4），通过氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）可以实现多种气体按比例混合搭配，便于研究不同气氛、流量下煤粉燃烧率。
3、气体预热炉（8）从外大内依次为钢外套、耐火棉、耐火砖、硅钼棒、高温合金管（5），气体预热炉采用硅钼棒为加热元件，加热温度可达到900-1600℃，气体经过预热炉被加热，用于模拟高炉热风。气体预热炉采用PID程序控温，升温速率阶段可调，最大升温速率可达到15℃/min。
4、气体流量可以通过氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）调节，进而控制进入预热炉内的热风速度。热风经过气体加速器（11）加速，气体加速器的两端均是密封法兰连接，因此方便更换。
5、本发明实验装置采用了螺旋给料机给煤，给料速度可调，可使煤粉均匀、连续的送入输煤管（20），送入输煤管的煤粉被惰性气流带入混合管（16）与热风混合。
6、混合管（16）的三个接头均采用密封法兰连接，方便拆卸。实验中可更换不同结构的混合管，研究混合管结构与煤粉燃烧率之间的关系，为合理的氧煤枪设计提供参数。实验过程中可以改变气体速度、气体浓度、煤粉粒度、煤粉给料速度，研究不同工况条件下煤粉燃烧速率。
7、超高温燃烧室即电弧燃烧室（23）是由电弧产生的超高温燃烧煤粉，电弧燃烧室（23）由电弧控制柜（27）控制，主要通过控制电极（24）的电压、电流进而控制所产生的电弧，电极的布置位置及方式为纵向，平行于气流运行方向。
8、本发明实验装置产生的废气经过粉尘收集器（29）、二次除尘器（30），煤灰及未然煤粉均被收集，便于实验分析。
9、本发明实验装置采用气体分析仪（31）在线分析气体成分，通过计算机自动采集记录数据，自动进行实验结果的计算。
10、本发明实验装置采用尾气处理装置（32）收集实验尾气，保护实验室环境。
11、实验具体操作步骤：
（1）称取100g煤样（-200目），放置于100-105℃温度的烘干箱中干燥2-3小时。
（2）根据实验需要，先设定好预热炉的加热温度（例如1000℃），启动升温程序开始预热炉的升温。
（3）根据实验需要，预先设置好各流量计的控制流量值，打开气源，开始向炉内通入气体。
（4）打开电脑，运行电弧控制柜控制软件及气体分析测定软件，设置电极电流、电压及检测气体类型。
（5）向螺旋给料器中加入已干燥的煤粉（-200目）。
（6）待预热炉温度达到设定温度后，点击电弧发生按钮，燃烧室产生电弧。
（7）打开气体分析仪，运行监测软件。
（8）打开气体流量计，在输煤管内产生惰性气流，再打开螺旋给料器，按照设定给料速度设置电机转速，保证煤粉均匀、连续加入。
（9）连续给料10分钟后，停止螺旋给料器，持续鼓风5分钟吹扫整个系统后，停止送风。
（10）未然煤粉由粉尘收集器收集，煤粉燃烧率由计算机自动计算。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的理念和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于包括氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）、气体混合罐（5）、风管（6）、密封法兰四（7）、气体预热炉（8）、高温合金管（9）、密封法兰五（10）、气体加速器（11）、密封法兰六（12）、气流导管（13）、快速切断阀一（14）、密封法兰一（15）、混合管（16）、惰性气体流量计（17）、煤粉螺旋给料器（18）、快速切断阀二（19）、输煤管（20）、密封法兰二（21）、密封法兰三（22）、电弧燃烧室（23）、电极（24）、导线（25）、密封法兰七（26）、电弧控制柜（27）、冷却器（28）、粉尘收集器（29）、二次除尘器（30）、气体分析仪（31）、尾气处理装置（32）、数据线（33）、计算机（34）；常温气体通过氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳流量计（4）控流，所述氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）与气体混合罐（5）相连，所述风管（6）接在气体预热炉（8）左下侧，所述的气体预热炉（8）右侧接着气体加速器（11），气流通过气体加速器（11）加速；所述的风管（6）与高温合金管（9）之间通过密封法兰四（7）连接，高温合金管（9）另一端与气体加速器（11）之间通过密封法兰五（10）连接；密封法兰六（12）与密封法兰一（15）之间设有气流导管（13），气流导管（13）上设有快速切断阀一（14）；所述输煤管（20）与混合管（16）之间通过密封法兰二（21）连接，所述混合管（16）另一端与电弧燃烧室（23）之间通过密封法兰三（22）连接，所述电弧燃烧室（23）另一端与冷却器（28）之间通过密封法兰七（26）连接；所述螺旋给料器（18）、惰性气体流量计（17）接在输煤管（20），所述输煤管（20）上连接快速切断阀二（19），通过快速切断阀二（19）连接混合管（16），煤粉由螺旋给料器（18）均匀、连续的加入，被通过惰性气体流量计（17）的惰性气流带入到混合管（16），煤粉与热风一起通过混合管（16）被送入电弧燃烧室（23）快速燃烧，所述电弧燃烧室（23）通过导线（25）与电弧控制柜（27）连接；所述冷却器（28）下方连接粉尘收集器（29），所述粉尘收集器（29）后接二次除尘器（30），所述二次除尘器（30）后接气体分析仪（31）在线检测气体含量，所述气体分析仪（31）后接尾气处理装置（32），所述气体分析仪（31）、电弧控制柜（27）均通过数据线（33）连接在计算机（34）上。
2.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，所述的气体混合罐（5）前连接氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4），通过氧气流量计（1）、氢气流量计（2）、一氧化碳气体流量计（3）、二氧化碳气体流量计（4）可以实现多种气体按比例混合搭配，便于研究不同气氛、流量下煤粉燃烧率。
3.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，气体预热炉（8）设有加热用的硅钼棒，所述气体预热炉（8）的加热温度范围在900-1600℃，气流管道为高温合金管（9），所述高温合金管（9）为多段螺旋形状。
4.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，采用气体加速器（11）加快气流速度，所述气流加速器（11）内置拉瓦尔管或渐缩管，所述气流加速器（11）方便拆卸，便于更换气流加速器（11）型号。
5.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，实验给煤装置为螺旋给料器（14）。
6.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，气流导管（13）连接快速切断阀一（14），输煤管（20）上连接快速切断阀二（19），以保证实验过程的安全。
7.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，所述的超高温燃烧室即电弧燃烧室（23）是由电弧产生的超高温燃烧煤粉，电弧燃烧室（23）由电弧控制柜（27）控制，通过控制电极（24）的电压、电流来控制所产生的电弧，电弧燃烧室（23）可产生2500-8000℃的高温。
8.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，电弧燃烧室（23）中电极（24）布置方式为纵向，平行于气流运行方向。
9.根据权利要求1所述的用于超高温煤粉燃烧实验装置，其特征在于，实验煤灰通过粉尘收集器（29）收集，残余粉煤灰通过二次除尘器（30）收集，实验尾气通过尾气处理装置（32）收集处理。
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