CN104749073A - 一种颗粒机械强度的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒机械强度的测试装置及方法。装置内预先充满气体，加热喷射管内气体至一定温度，颗粒在气体曳力和自身重力作用下在喷射管中不断加速，同时在喷射管中受热温度升高且与高温气氛反应，最终与碰撞平台碰撞破碎。通过高速CCD相机测量碰撞时颗粒的速度和颗粒破碎情况，通过红外热像仪非接触测量碰撞时颗粒的温度，通过碰撞平台上的压力传感器测量碰撞时颗粒受力，通过碰撞后破碎颗粒的粒径分布表征颗粒强度特性。该专利可有效测量和分析反应器中高温气氛下颗粒因化学反应、热应力、压力、机械力(碰撞)等因素协同作用或单独作用下的强度特性。

Description

一种颗粒机械强度的测试装置及方法

技术领域

本发明属于能源化工环保领域，发明了一种测试反应器内颗粒在化学反应、热应力、压力、机械力(碰撞)协同作用下或某一因素单独作用下颗粒的破碎情况，从而获得颗粒机械强度特性的测试装置及方法。

背景技术

颗粒由于其离散的特性，比表面积大，作为反应介质反应面积大，反应速度快。近些年来，颗粒状材料在化工，能源，材料，环保领域得到广泛的应用。

在能源领域，循环流化床(CFB)燃烧锅炉由于其优越性在燃烧领域得到广泛的应用，炉内脱硫是CFB锅炉的技术优势，炉内脱硫即向炉内投入石灰石颗粒。石灰石颗粒的机械强度特性严重影响炉内脱硫效率。测量石灰石颗粒在炉内复杂的气氛下，升温、反应、碰撞时的强度特性对提高炉内脱硫效率有着重要的意义。

化学链燃烧中，要使用大量的载氧体颗粒。研究载氧体颗粒在炉内气氛下升温、反应、碰撞时的强度特性对指导载氧体颗粒材料的选择也具有重要意义。

在各种化工反应过程中，颗粒状的反应物，以及颗粒状的催化剂得到广泛的应用，这些颗粒物质在反应器内的强度特性对反应过程优化，反应器的设计有着极大的指导意义。

由于颗粒状材料在工业过程中的广泛应用，颗粒的强度特性需要有效的测量。但是目前的测试装置基本为冷态装置，且设计不太合理，不能制造出真实的反应气氛和温度，无法研究在热态气氛下颗粒反应、碰撞后破碎行为规律，且该类装置无法对速度和颗粒碰撞力等参数进行测量。另一类装置为静态测试装置，即颗粒材料处于静止状态，由液压驱动装置向颗粒材料施加作用力，通过记录颗粒形变随时间变化的关系曲线，取颗粒破坏时所受力的大小来表征颗粒的强度，即按传统材料力学理论来测量。该种装置未能考虑颗粒在反应器复杂气氛下因颗粒内部或表面反应、热应力、压力、机械力(碰撞)等因素对颗粒机械强度的影响，且所处的状态与实际工业反应器中颗粒所处的状态不符。利用此类装置，颗粒在真实状态条件下、在多种因素协同作用下的颗粒机械强度特性难以合理的表征出。由于在反应器中颗粒材料经过反复的碰撞和磨损，利用上述装置颗粒粒径分布演化也未能很好的测出。

发明内容

发明目的：针对上述面临的问题，本发明提供了一种全方面、多尺度的颗粒机械强度的测试装置及方法。

技术方案：

一种颗粒机械强度的测试装置，包括给料装置，供气装置，反应装置，碰撞装置和测量装置；

所述给料装置包括料仓1以及在所述料仓1下部的料斗3；

所述供气装置包括气体混合器21以及若干个不同气体的气瓶25，所述气体混合器21与所述气瓶25之间通过气流输送管连接，所述气体混合器21出口与所述料斗3连接；

所述反应装置包括喷射管5以及安装在所述喷射管5外的电加热器6，所述料斗3下部插入所述喷射管5的上端；

所述碰撞装置包括碰撞室13以及在所述碰撞室13底部正对喷射管5处安装的倾斜的碰撞平台15，在所述碰撞室13顶部开设有若干个出气口9；所述碰撞室上的出气口为圆柱形出气口，使得排气过程中，碰撞室内流场更为均匀，减小颗粒横向速度；所述喷射管5的下端插入所述碰撞装置的碰撞室13；

所述测量装置包括在所述碰撞平台15上方固定的用于记录传感元件形变数据得压力传感器14、在所述碰撞室13外用于记录颗粒的碰撞过程图像的高速CCD相机12以及用于记录颗粒碰撞时的红外图像的红外热成像仪16。

优选地，在所述气体混合器21与所述气瓶25之间设置有分路流量调节阀22，在所述气体混合器21出口处设置有总流量调节阀20，通过调节流量调节阀和气瓶减压阀来调节料仓压力，通过料仓压力来控制颗粒的碰撞速度。

优选地，所述高速CCD相机12和所述红外热成像仪16光路处于同一水平面，且互相垂直，互补干扰。

优选地，所述碰撞室13由耐高温玻璃制成。

优选地，所述出气口9内填充有烧结金属粉末多孔材料盖板10，该盖板10能选择透过气体，过滤掉固体颗粒，故破碎后的小颗粒质量等于碰撞前颗粒质量。

优选地，所述碰撞平台15底板和侧板两端为可活动铰链，其倾斜角度可以调整。

优选地，所述气体混合器21与所述料斗3之间设置有气体预热器18，气流经过气体预热器18后加热，以减小气流进入对喷射管5内温度的影响。

一种颗粒机械强度的测试方法，包括如下步骤：

步骤1：在气体混合器21中混合不同气瓶25中的气体，获得设定工况成分比例和设定工况流量的气体，并使料斗3、喷射管5和碰撞室13内充满工况气体；

步骤2：停止供气，将料仓1中的颗粒材料加入料斗3中；

步骤3：打开电加热器6并设定初始工况温度，加热喷射管5内气体至工况温度；

步骤4：打开碰撞室13顶部的若干个出气口9；气体混合器21继续供气，气体携带颗粒从料斗3进入喷射管5，颗粒在气流曳力和自身重力作用下加速，获得气体流速，同时在喷射管5高温气氛中升温、膨胀、反应；最终与碰撞平台15碰撞破碎，破碎后的小颗粒反弹进碰撞室13；

步骤5：高速CCD相机12记录颗粒的碰撞过程图像，红外热成像仪16记录颗粒碰撞时的红外图像，压力传感器14记录传感元件形变数据；

步骤6：通过颗粒的碰撞过程图像获得颗粒碰撞时的速度和颗粒碰撞后的破碎情况，处理颗粒碰撞时的红外图像获得碰撞时的颗粒温度，处理传感元件形变数据获得颗粒碰撞时所受的力；收集碰撞破碎后的小颗粒，利用激光粒度分布仪测得破碎颗粒粒径分布。

优选地，收集每次碰撞后的颗粒加入料斗3，设定不同的气体流速和不同的喷射管5温度进行多次测量；获得不同速度和不同温度下，逐次碰撞后颗粒的粒径分布并计算颗粒调和平均直径；

通过理论分析和实验数据相结合的方法获得第N次碰撞后颗粒调和平均直径与未碰撞前颗粒调和平均直径的关联式如下：

$\frac{d_{p0}}{d_{\mathrm{pN}}}=k_{\mathrm{imp}}{e}^{-E/\mathrm{RT}}{\left[\frac{U_P}{(\mathrm{aT}+b)\mathrm{In}\left(d_{\mathrm{pN}-1}\right)+\mathrm{cT}+f}\right]}^{2}N+\mathrm{\γ},(U_p>U_{p,t}\mathrm{andN}\≠0)$

其中，d_p0碰撞前颗粒调和平均颗粒直径，m；d_pN第N次碰撞后颗粒调和平均颗粒直径，m；k_imp碰撞磨损速率前指数因子，s²/m²/cycle；E碰撞活化能，kJ/mol；R气体通用常数，8.314J/mol/K；T温度，K；U_P固体颗粒速度，m/s；a,b,c,f气流速度与颗粒速度关系经验系数；γ固体颗粒强度系数；N碰撞循环次数；U_p,t颗粒破摔门槛速度，m/s。

优选地，所述气体流速范围为35～100m/s，所述喷射管5温度范围25～550℃。

有益效果：

1、本发明装置和方法可以有效地表征出工业反应器中复杂高温气氛下颗粒因反应、热应力、压力、机械力(碰撞)等因素协同作用下或某一因素单独作用下颗粒机械强度特性，且可利用装置中的测量设备对颗粒强度情况进行分析和研究。热态环境，区别于冷态气氛，更接近真实情况，同时颗粒处于不同气体成分的环境中，考虑了颗粒反应，压力对颗粒强度的影响。

2、本发明的装置可以配置不同成分的气流，用以测量不同反应气氛下颗粒强度特性；且可以调控气流速度，通过不同气流速度可以获得不同速度的颗粒流；可方便的调节温度，获得不同温度的颗粒和反应气氛。

3、本发明的装置通过红外热成像仪实现对颗粒温度的非接触测量，不影响颗粒的运动和气流场。

4、本发明的方法通过理论分析和实验数据相结合的方法获得一定颗粒经过逐次碰撞实验后颗粒粒径的演化关联式。获得的关联式可以预测某种颗粒(已知碰撞前的颗粒粒径分布)第N次碰撞后的颗粒调和平均直径。流化床或反应器内部颗粒材料经过反复的碰撞磨损，并非单次碰撞完就停止使用。因此获得该关联式可有效预测颗粒粒径的演变规律，可以预测出颗粒在流化床或反应器中的寿命，从而指导生产设计，提高效率利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、料仓；2、锁气阀门；3、料斗；4、给料阀门；5、喷射管；6、电加热器；7、热电偶；8、出口阀门；9、出气口；10、多孔材料盖板；11、计算机；12、高速CCD相机；13、碰撞室；14、压力传感器；15、碰撞平台；16、红外热成像仪；17、压力表；18、气体预热器；19、总流量计；20、总流量调节阀；21、气体混合器；22、分路流量调节阀；23、分流量计；24、减压阀；25、气瓶；

具体实施方式

实施例1

现对照附图进一步说明本发明的特征和实施方式。

图1为本发明的结构示意图。如图1所示，本发明的一种颗粒机械强度的测试装置，包括给料装置，供气装置，反应装置，碰撞装置和测量装置；给料装置包括料仓1以及在所述料仓1下部的料斗3；料仓1下部通过锁气阀门2与料斗3相连，料斗3上有压力表17，料斗3下部为给料阀门4；供气装置包括气体混合器21以及若干个不同气体的气瓶25，气体混合器21与气瓶25之间通过气流输送管连接，料斗3侧边为气体进口，气体混合器21出口与料斗3侧边的气体进口连接。

气体从不同气瓶23内经气瓶23出口处的减压阀24减压，通过分路流量调节阀22调节各个气瓶23输出的气体，其中通过分流量计23来检测各个气瓶23输出流量大小；不同的气体进入气体混合器21，在气体混合器21中进行充分混合之后，在气体混合器21出口处的总流量调节阀20调节输出的混合气体的流量，其中混合气体的流量大小由总流量调节阀20后连接的总流量计19进行检测，后接进料斗3气体进口。总流量计19与料斗3间管道外铺设有气体预热器18，气流经过气体预热器18后加热，以减小气流进入对喷射管5内温度的影响。

反应装置包括喷射管5以及安装在喷射管5外的电加热器6，给料阀门4下部管道插入喷射管5的上端，喷射管5外安装有电加热器6和热电偶7。碰撞装置包括碰撞室13以及在碰撞室13底部正对喷射管5处安装的倾斜的碰撞平台15，碰撞平台15底板和侧板两端为可活动铰链，其倾斜角度可以调整。碰撞室13由耐高温玻璃制成。在碰撞室13顶部开设有两个圆柱形出气口9，出气口9由出口阀门8开关，出气口9内部放置有多孔材料盖板10，出气口9与碰撞室13为螺栓连接；喷射管5的下端插入碰撞装置的碰撞室13；测量装置包括在碰撞平台15上方固定的用于记录传感元件形变数据得压力传感器14、在碰撞室13外用于记录颗粒的碰撞过程图像的高速CCD相机12以及用于记录颗粒碰撞时的红外图像的红外热成像仪16。高速CCD相机12安装在碰撞室13朝碰撞平台15斜面处的面外，在该面的邻面外安装有红外热成像仪16，高速CCD相机12和红外热成像仪16光路处于同一水平面。高速CCD相机12和红外热成像仪16均连接至计算机11。

以测试石灰石颗粒在高温环境下、含低浓度SO₂空气混合气中的强度特性为例说明。本发明的颗粒机械强度的测试方法，包括如下步骤：

(1)关闭锁气阀门2，打开给料阀门4和出口阀门8；在气体混合器21中混合不同气瓶25中的气体，获得设定工况成分比例的气体，通过调节分路流量调节阀22和总流量调节阀20观察分流量计23和总流量计19使得气流速度为35m/s、SO₂为800ppm；并使料斗3、喷射管5和碰撞室13内充满工况气体；

由流量公式Q为体积流量，为气流平均速度，d为管直径；管直径一定，体积流量Q可由总流量计获得，故气流平均速度可求；通过改变分流量调节阀22和总流量调节阀20的开度可以改变气流流量，从而改变气体流速，气体平均流速可由上式计算；

(2)关闭总流量调节阀20、给料阀门4和出口阀门8，打开锁气阀门2，将100g石灰石颗粒加入料斗3中，而后关闭锁气阀门2；加料前已用激光粒度分布仪测得粒径分布；

(3)完成后打开总流量调节阀20，设定气体预热器18温度495℃(0.9×工况温度)和电加热器6温度550℃；气流经过气体预热器18后加热，以减小气流进入对喷射管5内温度的影响；料斗中石灰石颗粒温度上升至495℃，喷射管5内气体温度上升到工况550℃；

(4)打开两侧出口阀门8，打开给料阀门4，调整开度使得颗粒呈单颗粒形态进入喷射管5，石灰石颗粒在气体曳力和自身重力作用不断加速，进入喷射管5，在喷射管中，石灰石颗粒在喷射管中加热到很高温度，石灰石发生反应CaCO₃＝CaO+CO₂，石灰石表面反应使得表面多孔强度，表面强度下降；内部反应产生的CO₂逃匿使得颗粒出现裂缝；同时SO₂扩散进颗粒，发生反应CaO+SO₂+O₂→CaSO₄，生成的CaSO₄又使表面强度增加；最终高温颗粒与碰撞平台15碰撞破碎，破碎后的小颗粒反弹进碰撞室13；

(5)高速CCD相机12记录颗粒的碰撞过程图像，并存入计算机11；红外热成像仪16记录颗粒碰撞时的红外图像并存入计算机11；压力传感器14记录传感元件形变数据存入计算机11；

(6)计算机11处理高速CCD相机图像获得颗粒碰撞时的速度和颗粒碰撞后的破碎情况，处理红外图像获得碰撞时的颗粒温度，处理形变数据获得颗粒碰撞时所受的力；收集碰撞破碎后的颗粒，利用激光粒度分布仪测得破碎颗粒粒径分布并计算得调和平均颗粒粒径；

(7)收集碰撞后的石灰石颗粒加入料斗3进行多次测量得到，调节分路流量调节阀22和总流量调节阀20的开度，改变气体流量从而改变气体流速；调节电加热功率改变喷射管5温度；气体流速范围为35～100m/s，温度范围25～550℃；获得不同速度和不同温度下逐次碰撞后的颗粒粒径分布，并计算颗粒调和平均直径；通过理论分析和实验数据相结合的方法获得第N次碰撞后石灰石颗粒颗粒调和平均直径与未碰撞前颗粒调和平均直径的关联式：

$\frac{d_{p0}}{d_{\mathrm{pN}}}=k_{\mathrm{imp}}{e}^{-E/\mathrm{RT}}{\left[\frac{U_P}{(\mathrm{aT}+b)\mathrm{In}\left(d_{\mathrm{pN}-1}\right)+\mathrm{cT}+f}\right]}^{2}N+\mathrm{\γ},(U_p>U_{p,t}\mathrm{andN}\≠0);$

其中，d_p0碰撞前颗粒调和平均颗粒直径，m；d_pN第N次碰撞后颗粒调和平均颗粒直径，m；k_imp碰撞磨损速率前指数因子，s²/m²/cycle；E碰撞活化能，kJ/mol；R气体通用常数，8.314J/mol/K；T温度，K；U_P固体颗粒速度，m/s；a,b,c,f气流速度与颗粒速度关系经验系数；γ固体颗粒强度系数；N碰撞循环次数；U_p,t颗粒破摔门槛速度，m/s。

本发明装置和方法可以有效地表征出工业反应器中复杂高温气氛下颗粒因反应、热应力、压力、机械力(碰撞)等因素协同作用下或某一因素单独作用下颗粒机械强度特性，且可利用装置中的测量设备对颗粒强度情况进行分析和研究。热态环境，区别于冷态气氛，更接近真实情况，同时颗粒处于不同气体成分的环境中，考虑了颗粒反应，压力对颗粒强度的影响。破碎颗粒可取出再次碰撞，颗粒粒径分布演化数据可有效得出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：包括给料装置，供气装置，反应装置，碰撞装置和测量装置；

所述给料装置包括料仓(1)以及在所述料仓(1)下部的料斗(3)；

所述供气装置包括气体混合器(21)以及若干个不同气体的气瓶(25)，所述气体混合器(21)与所述气瓶(25)之间通过气流输送管连接，所述气体混合器(21)出口与所述料斗(3)连接；

所述反应装置包括喷射管(5)以及安装在所述喷射管(5)外的电加热器(6)，所述料斗(3)下部插入所述喷射管(5)的上端；

所述碰撞装置包括碰撞室(13)以及在所述碰撞室(13)底部正对喷射管(5)处安装的倾斜的碰撞平台(15)，在所述碰撞室(13)顶部开设有若干个出气口(9)；所述喷射管(5)的下端插入所述碰撞装置的碰撞室(13)；

所述测量装置包括在所述碰撞平台(15)上方固定的用于记录传感元件形变数据得压力传感器(14)、在所述碰撞室(13)外用于记录颗粒的碰撞过程图像的高速CCD相机(12)以及用于记录颗粒碰撞时的红外图像的红外热成像仪(16)。

2.根据权利要求1所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：在所述气体混合器(21)与所述气瓶(25)之间设置有分路流量调节阀(22)，在所述气体混合器(21)出口处设置有总流量调节阀(20)。

3.根据权利要求1所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：所述高速CCD相机(12)和所述红外热成像仪(16)光路处于同一水平面。

4.根据权利要求1所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：所述碰撞室(13)由耐高温玻璃制成。

5.根据权利要求4所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：所述出气口(9)内填充有烧结金属粉末多孔材料盖板(10)。

6.根据权利要求1所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：所述碰撞平台(15)底板和侧板两端为可活动铰链，其倾斜角度可以调整。

7.根据权利要求1所述的颗粒机械强度的测试装置，其特征在于：所述气体混合器(21)与所述料斗(3)之间设置有气体预热器(18)。

8.一种应用权利要求1所述的颗粒机械强度测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：同激光粒度分布仪测得测试前颗粒的粒径分布，并将颗粒加入料仓(1)中

步骤2：在气体混合器(21)中混合不同气瓶(25)中的气体，获得设定工况成分比例和设定工况流量的气体，并使料斗(3)、喷射管(5)和碰撞室(13)内充满工况气体；

步骤3：停止供气，将料仓(1)中的颗粒材料加入料斗(3)中；

步骤4：打开电加热器(6)并设定初始工况温度，加热喷射管(5)内气体至工况温度；

步骤5：打开碰撞室(13)顶部的若干个出气口(9)；气体混合器(21)继续供气，气体携带颗粒从料斗(3)进入喷射管(5)，颗粒在气流曳力和自身重力作用下加速，获得气体流速，同时在喷射管(5)高温气氛中升温、膨胀、反应；最终与碰撞平台(15)碰撞破碎，破碎后的小颗粒反弹进碰撞室(13)；

步骤6：高速CCD相机(12)记录颗粒的碰撞过程图像，红外热成像仪(16)记录颗粒碰撞时的红外图像，压力传感器(14)记录传感元件形变数据；

步骤7：通过颗粒的碰撞过程图像获得颗粒碰撞时的速度和颗粒碰撞后的破碎情况，处理颗粒碰撞时的红外图像获得碰撞时的颗粒温度，处理传感元件形变数据获得颗粒碰撞时所受的力；收集碰撞破碎后的小颗粒，利用激光粒度分布仪测得破碎颗粒粒径分布。

9.根据权利要求8所述的颗粒机械强度测试方法，其特征在于，收集每次碰撞后的颗粒加入料斗(3)，设定不同的气体流速和不同的喷射管(5)温度进行多次测量；获得不同速度和不同温度下，逐次碰撞后颗粒的粒径分布并计算颗粒调和平均直径；

通过理论分析和实验数据相结合的方法获得第N次碰撞后颗粒调和平均直径与未碰撞前颗粒调和平均直径的关联式如下：

$\frac{d_{p0}}{d_{\mathrm{pN}}}=k_{\mathrm{imp}}{e}^{-E/\mathrm{RT}}[\frac{U_P}{(\mathrm{aT}+b)\mathrm{In}\left(d_{\mathrm{pN}-1}\right)+\mathrm{cT}+f}{]}^{2}N+\mathrm{\γ},(U_p>U_{p,t}\mathrm{andN}\≠0)$

其中，d_p0碰撞前颗粒调和平均颗粒直径，m；d_pN第N次碰撞后颗粒调和平均颗粒直径，m；k_imp碰撞磨损速率前指数因子，s²/m²/cycle；E碰撞活化能，kJ/mol；R气体通用常数，8.314J/mol/K；T温度，K；U_P固体颗粒速度，m/s；a,b,c,f气流速度与颗粒速度关系经验系数；γ固体颗粒强度系数；N碰撞循环次数；U_p,t颗粒破摔门槛速度，m/s。

10.根据权利要求8所述的颗粒机械强度测试方法，其特征在于，所述气体流速范围为35～100m/s，所述喷射管(5)温度范围25～550℃。