CN103743772A - 一种固体有机物热解特性快速分析的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体有机物热解特性快速分析系统，包括气瓶、质量流量控制器、用于更换固体有机物样品的进样器、管式炉、冷凝器、净化器、干燥器、气体检测仪、水封玻璃瓶、以及数据采集模块，其中，气瓶通过质量流量控制器与进样器的入口相连，进样器的出口与管式炉的入口相连，管式炉的出口依次与冷凝器、净化器、干燥器、气体检测仪、以及水封玻璃瓶相连；气体检测仪的输出端与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端与计算机相连。本发明中实现了对固体有机物样品的瞬时加热和恒温热解，克服了现有装置中，热解装置必须程序升温的限制，缩短了试验周期，提高了实验效率。

Description

一种固体有机物热解特性快速分析的系统与方法

技术领域

本发明属于可再生资源以及废弃物的能源化洁净利用领域，具体涉及一种固体有机物热解特性快速分析的系统与方法。

背景技术

传统化石能源的日趋枯竭及其转化利用中产生的环境污染使得清洁能源技术和可再生能源的转化利用成为国际社会关注的热点话题。煤作为重要的传统化石能源，一方面是能源的主要提供者，另一方面是大气污染的主要污染源，因此洁净煤技术是未来煤利用的必然选择。生物质能作为可再生能源的重要组成部分，是新能源开发的热点。工业生产与城市生活产生的大量有机固体废物，如厨余、塑料、废纸、含油污泥等同样具有巨大的转化利用价值。用热解的方法生产洁净或改质的燃料，既可减少直接燃烧造成的环境污染，又能充分利用其中具有较高经济价值的化合物，具有保护环境、节能和合理利用资源的广泛意义。

国内外研究机构开发了一系列的固体有机物热解装置与方法。但大多关注于实现其转化利用中的量产和减少污染,但未见有专门用于其热解特性分析的设备。目前国内外热解动力学方面的研究基本上都采用热重分析或者辅以差示扫描量热法。热重分析法和差示扫描量热法提供的信息局限于反应物整体的变化，如失重量或反应热，对于裂解过程中发生的化学反应和二次反应的研究，则需要研究具体的反应物或者生成物的情况。一些学者在煤热解的研究中，通过热重分析仪（TG）和傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）联机进行实验的方法，在了解煤的热解过程同时，对析出产物进行红外光谱分析，实现了热解气体产物各组分析出规律的实时在线检测。

目前用于固体有机物热解特性研究的装置和方法仍存在以下问题需要解决：

1）温升速率作为热解动力学研究中的重要参数，由于程序升温实验条件的限制，在大多数热解研究中仍然低于2℃/s，这就限制了高温升速率条件下的热解机理的研究。

2）实验系统多采用先进样再升温的实验方法，一种样品测试完成后需待系统降温取出样品后才能再进行下次测试，实验周期长效率低。

3）实验所得信息局限于反应物整体的变化，使用重分析仪（TG）和傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）联机实验设备成本高，操作复杂，检测量小，且同样存在实验周期长的缺点。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的固体有机物热解特性快速分析系统与方法，实现了对于固体有机物热解过程中析出的各种气体的实时检测。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种固体有机物热解特性快速分析系统，包括气瓶、减压阀、质量流量控制器、用于更换固体有机物样品的进样器、管式炉、冷凝器、净化器、干燥器、气体检测仪、水封玻璃瓶、以及数据采集模块，其中，气瓶的出口与减压阀相连接，减压阀通过质量流量控制器与进样器的入口相连，进样器的出口与管式炉的入口相连，管式炉的出口依次与冷凝器、净化器、干燥器、气体检测仪、以及水封玻璃瓶相连；气体检测仪的输出端与数据采集模块的输入端相连，数据采集模块的输出端与计算机相连。

所述用于更换样品的进样器包括：支架、玻璃管、以及带有翻盖的进样室，其中，玻璃管的一端与质量流量控制器相连通，玻璃管的另一端与进样室相连通，玻璃管与进样室均水平设置于支架上，玻璃管的内壁上内安装有玻璃杆，玻璃杆设置有能够滑动的滑块，滑块上连接有瓷杆，瓷杆的另一端连接有用于放置固体有机物样品的瓷舟，瓷舟设置于进样室中。

所述滑块上开设有凹槽，凹槽与玻璃杆相嵌合，滑块内部嵌有磁铁，玻璃管外壁设置有镶嵌磁铁的手柄，手柄与滑块产生吸引力，当推动手柄运动时，手柄通过吸引力带动滑块滑动。

所述瓷杆上固定安装有热电偶，热电偶测温端延伸至瓷舟中心，热电偶的输出端与数据采集模块的输入端相连接。

水封玻璃瓶的入口处安装有尾气出口阀。

进样器的进气管路上之间安装有用于测试系统气密性的压力表。

所述管式炉的出口分为两路，一路向上与冷凝器连接，另一路向下连接有用于收集液态产物的采集阀门，冷凝器竖直放置，且位于采集阀门的正上方。

所述管式炉上设置有用于控制管式炉温度的控制器。

所述气体检测仪包括依次串联连接的CO₂气体检测仪、CH₄气体检测仪、CO气体检测仪、以及H₂气体检测仪。

一种固体有机物热解特性快速分析方法，包括以下步骤：

1）、调节管式炉升温，获得恒定的检测高温环境；

2）、通过进样器，将装有待测的固体有机物样品的瓷舟从常温环境快速送入检测高温环境中，以使得固体有机物样品快速升温和热解；

3）、通过热电偶检测热解过程中固体有机物样品的温度，并通过数据采集模块传输到计算机；

4）、当热解过程中的气体产物通过气体检测仪时，分别通过CO₂气体检测仪、CH₄气体检测仪、CO气体检测仪、以及H₂气体检测仪对气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度进行检测，并通过数据采集模块传输到计算机；

5）、根据在热解过程中固体有机物样品的温度变化，以及气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度变化，对固体有机物样品热解特性进行分析。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种固体有机物热解特性快速分析的系统，通过在高温密封条件下，使得用于发生热解反应的管式炉上依次连接冷凝器、净化器、干燥器，以及气体检测仪，进而能够实现实时的检测反应后气体产物的浓度，达到对固体有机物热解特性快速分析的目的；进一步的，本发明在管式炉的进气口上连接有进样器，并且整个反应在高温密封条件下实时进样，实现对样品的瞬时加热和恒温热解，克服了现有装置中，热解装置必须程序升温的限制，另外，本发明能够利用进样器在高温环境中更换样品，避免了现有技术中先进样再升温的过程，进而缩短了试验周期，提高了实验效率。

进一步的，本发明利用串联的CO₂气体检测仪、CH₄气体检测仪、CO气体检测仪、H₂气体检测仪实现热解气体产物各组分的实时检测，相比于将热重分析仪及红外光谱联合使用以实现固体有机物热解和气体产物在线分析的方法更经济实用，同时也更方便灵活，检测的固体有机物样品量更大。

本发明还提供了一种操作简便、准确度高的固体有机物热解特性快速分析方法，通过管式炉对固体有机物样品进行快速升温和热解，并通过设置于瓷舟中的热电偶检测固体有机物样品的温度，通过气体检测仪检测反应后气体产物中主要成分的浓度，进而通过所得数据，用于对固体有机物样品热解特性进行分析。

附图说明

图1是本发明固体有机物热解分析系统结构示意图；

图2是本发明固体有机物热解分析系统中进样器结构示意图一；

图3是本发明固体有机物热解分析系统中进样器结构示意图二；

图4是本发明升温条件下热解玉米芯所得四种气体瞬时浓度随温度变化的曲线图；

图5是本发700℃下恒温热解玉米芯所得四种气体瞬时浓度随时间变化曲线图。

图中，1为气瓶；2为减压阀；3为质量流量控制器；4为压力表；5为进样器；6为管式炉；7为采集阀门；8为冷凝器；9为净化器；10为干燥器；11为CO₂气体检测仪；12为CH₄气体检测仪；13为CO气体检测仪；14为H₂气体检测仪；15为尾气出口阀门；16为水封玻璃瓶；17为控制器；18为数据采集模块；19为计算机；20为支架；21为玻璃管；22为导杆；23为玻璃杆；24为手柄；25为滑块；26为进样室；27为瓷杆；28为热电偶；29为瓷舟。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种包括气瓶1、质量流量控制器3、用于更换固体有机物样品的进样器5、管式炉6、冷凝器8、净化器9、干燥器10、气体检测仪、水封玻璃瓶16、以及数据采集模块18，其中，气瓶1的出口上安装有减压阀2，减压阀2与质量流量控制器3的入口相连接，质量流量控制器3的出口通过管道与进样器5的入口相连，质量流量控制器3与进样器5之间的管道上安装有用于测试系统气密性的压力表4，进样器5的出口与管式炉6的入口相连，管式炉6的出口分为两路，一路向上与冷凝器8连接，另一路向下连接有用于收集液态产物的采集阀门7，冷凝器8竖直放置，且位于采集阀门7的正上方，管式炉6上设置有用于控制管式炉6温度的控制器17，冷凝器8依次与净化器9、干燥器10、气体检测仪、以及水封玻璃瓶16相连；气体检测仪的输出端与数据采集模块18的输入端相连，数据采集模块18的输出端与计算机19相连，图1中虚线表示电路的连接，实线表示系统中管路的连接。

具体的，如图2、3所示，用于更换样品的进样器5包括：支架20、玻璃管21、以及带有翻盖的进样室26，进样室26上的翻盖由O型橡胶圈密封其中，玻璃管21的一端与质量流量控制器3相连通，玻璃管21的另一端与进样室26相连通，玻璃管21与进样室26均水平设置于支架20上，玻璃管21的内壁上内安装有玻璃杆23，玻璃杆23设置有能够滑动的滑块25，滑块25上开设有凹槽，凹槽与玻璃杆23相嵌合，滑块25内部嵌有磁铁，玻璃管21外壁设置有镶嵌磁铁的手柄24，手柄24与滑块25产生吸引力，当推动手柄24运动时，手柄24通过吸引力带动滑块25滑动，滑块25上连接有瓷杆27，瓷杆27的另一端连接有用于放置固体有机物样品的瓷舟29，瓷舟29设置于进样室26中，瓷杆27上固定安装有热电偶28，热电偶28测温端延伸至瓷舟29中心，热电偶28的输出端与数据采集模块18的输入端相连接。

另外，本发明中所述气体检测仪根据需要进行安装有，本实施例中气体检测仪包括依次串联连接的CO₂气体检测仪11、CH₄气体检测仪12、CO气体检测仪13、H₂气体检测仪14，其中，CO₂气体检测仪11与干燥器10相连接。

本发明还提供了一种固体有机物热解特性快速分析方法，包括以下步骤：

1）、调节管式炉6升温，获得恒定的检测高温环境；

2）、通过进样器5，将装有待测的固体有机物样品的瓷舟29从常温环境快速送入检测高温环境中，以使得固体有机物样品快速升温和热解；

3）、通过热电偶28检测热解过程中固体有机物样品的温度，并通过数据采集模块18传输到计算机19；

4）、当热解过程中的气体产物通过气体检测仪时，分别通过CO₂气体检测仪11、CH₄气体检测仪12、CO气体检测仪13、以及H₂气体检测仪14对气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度进行检测，并通过数据采集模块18传输到计算机19；

5）、根据在热解过程中固体有机物样品的温度变化，以及气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度变化，对固体有机物样品热解特性进行分析。

本发明的具体工作过程为：

实验前，应先检查各处以确保连接无误，电源供电正常。实验时，先打开各设备电源开关；质量流量控制器3预热约20分钟后，拧开气瓶1阀门并调节减压阀2使质量流量控制器3背压维持在约0.1MPa；打开质量流量控制器3控制软件，设定惰性气体流量，开始吹扫；关闭尾气出口阀门15，观察压力表4示数变化，对系统进行检漏；在确定系统气密性良好后，打开尾气出口阀门15，通过控制器17编写程序控制管式炉6升温；待管式炉6升至热解所需温度，打开进样器5上的进样室26的翻盖，装入含有待测样品的瓷舟29并将玻璃管21内的热电偶28测量端埋入待测样品，关闭进样室26并密封；吹扫约5min后，通过手柄24将瓷舟29推入管式炉6加热区开始热解；热解过程中的气体产物各主要组分的浓度变化及热电偶28所测样品温度变化的相关数据由数据采集模块18采集并存入计算机19；常温下为液态的产物在冷凝器8处冷凝为液态并由采集阀门7处收集用于检测分析；待气体产物浓度下降至基线左右，即可认为样品反应完全，通过进样器5上的手柄24将瓷舟29拉出，冷却约10min后打开进样室26的翻盖，即可更换样品进行下一组实验。

图4、5为利用该固体有机物热解分析系统所得实验结果：

实验中使用的玉米芯来自陕西省西安市西郊，为了满足研究需要，用植物粉碎机将玉米芯粉碎，使其颗粒小于60目，即250μm。图4为程序升温下所得四种气体瞬时浓度随温度变化的曲线。采用20℃/min的恒定加热速率从100℃加热到900℃，玉米芯样品质量为100mg，载气流速设定为300sccm。图5为快速升温条件下玉米芯热解所得四种气体瞬时浓度随时间变化的曲线。玉米芯样品为30mg，载气流速设定为1000sccm，炉温恒定为700℃。

本发明的突出特点是：

(1)区别于已有的热解装置，本发明可以在高温密封条件下实时进样，实现对样品的瞬时加热和恒温热解，克服了了已有的热解装置必须程序升温的限制。

(2)相比于以往的热解装置，本发明可以在不降低炉管温度的情况下更换样品，大大缩短了试验周期，提高了实验效率。

(3)本发明利用串联的各气体检测仪实现热解气体产物各组分的实时检测，相比于将热重分析仪及红外光谱联合使用以实现固体有机物热解和气体产物在线分析的方法更经济实用，同时也更方便灵活，检测的样品量更大。

(4)本发明所涉及的操作相对简单，各设备拆卸、检修、更换十分方便。

Claims (10)

1.一种固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，包括气瓶（1）、减压阀（2）、质量流量控制器（3）、用于更换固体有机物样品的进样器（5）、管式炉（6）、冷凝器（8）、净化器（9）、干燥器（10）、气体检测仪、水封玻璃瓶（16）、以及数据采集模块（18），其中，气瓶（1）的出口与减压阀（2）相连接，减压阀（2）通过质量流量控制器（3）与进样器（5）的入口相连，进样器（5）的出口与管式炉（6）的入口相连，管式炉（6）的出口依次与冷凝器（8）、净化器（9）、干燥器（10）、气体检测仪、以及水封玻璃瓶（16）相连；气体检测仪的输出端与数据采集模块（18）的输入端相连，数据采集模块（18）的输出端与计算机（19）相连。

2.根据权利要求1所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述用于更换样品的进样器（5）包括：支架（20）、玻璃管（21）、以及带有翻盖的进样室（26），其中，玻璃管（21）的一端与质量流量控制器（3）相连通，玻璃管（21）的另一端与进样室（26）相连通，玻璃管（21）与进样室（26）均水平设置于支架（20）上，玻璃管（21）的内壁上内安装有玻璃杆（23），玻璃杆（23）设置有能够滑动的滑块（25），滑块（25）上连接有瓷杆（27），瓷杆（27）的另一端连接有用于放置固体有机物样品的瓷舟（29），瓷舟（29）设置于进样室（26）中。

3.根据权利要求2所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述滑块（25）上开设有凹槽，凹槽与玻璃杆（23）相嵌合，滑块（25）内部嵌有磁铁，玻璃管（21）外壁设置有镶嵌磁铁的手柄（24），手柄（24）与滑块（25）产生吸引力，当推动手柄（24）运动时，手柄（24）通过吸引力带动滑块（25）滑动。

4.根据权利要求2所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述瓷杆（27）上固定安装有热电偶（28），热电偶（28）测温端延伸至瓷舟（29）中心，热电偶（28）的输出端与数据采集模块（18）的输入端相连接。

5.根据权利要求1所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，水封玻璃瓶（16）的入口处安装有尾气出口阀（15）。

6.根据权利要求1所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，进样器（5）的进气管路上安装有用于测试系统气密性的压力表（4）。

7.根据权利要求1所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述管式炉（6）的出口分为两路，一路向上与冷凝器（8）连接，另一路向下连接有用于收集液态产物的采集阀门（7），冷凝器（8）竖直放置，且位于采集阀门（7）的正上方。

8.根据权利要求1所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述管式炉（6）上设置有用于控制管式炉（6）温度的控制器（17）。

9.根据权利要求1至8任一项所述的固体有机物热解特性快速分析系统，其特征在于，所述气体检测仪包括依次串联连接的CO₂气体检测仪（11）、CH₄气体检测仪（12）、CO气体检测仪（13）、以及H₂气体检测仪（14）。

10.一种基于权利要求9所述的固体有机物热解特性快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、调节管式炉（6）升温，获得恒定的检测高温环境；

2）、通过进样器（5），将装有待测的固体有机物样品的瓷舟（29）从常温环境快速送入检测高温环境中，以使得固体有机物样品快速升温和热解；

3）、通过热电偶（28）检测热解过程中固体有机物样品的温度，并通过数据采集模块（18）传输到计算机（19）；

4）、当热解过程中的气体产物通过气体检测仪时，分别通过CO₂气体检测仪（11）、CH₄气体检测仪（12）、CO气体检测仪（13）、以及H₂气体检测仪（14）对气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度进行检测，并通过数据采集模块（18）传输到计算机（19）；

5）、根据在热解过程中固体有机物样品的温度变化，以及气体产物中的CO₂、CH₄、CO、以及H₂的浓度变化，对固体有机物样品热解特性进行分析。

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