CN104807817B - 检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法，该装置包括煤样加热系统、特性检测系统，其中煤样加热系统包括加热炉，加热炉内具有高温炉管，高温炉管的一端设置有观察窗，设置于高温炉管中恒温区的样品基板，设置于样品基板上方的样品盒，测温热电偶，其测温端与样品基板相接触，其测量值输出至加热炉的控温装置；特性检测系统包括与样品盒相连接的膨胀压力计，还包括在煤样加热系统一端进行拍照的照相机以及进行记录和计算的计算机。利用本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法，可观察煤在成焦过程中所发生的变化，对于炼焦过程温度的控制，煤热解成焦过程中焦炭质量的控制以及胶质体形成量的控制都具有一定的指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法。
背景技术
我国拥有丰富的煤资源，在能源的利用过程中，对煤的依赖性比重较大。我国每年生产铁水超过8亿吨，这对炼铁生产焦炭原料有着极大需求，焦炭生产仍然是我国利用煤资源的一个非常重要的途径。煤在焦炉炭化室中受热产生大量的胶质体，并且发生了热分解和聚合反应，最终才形成了可用于高炉生产的焦炭。但是，焦炭在炭化室中发生了怎样的变化，变化阶段如何，由于炭化室中是一个高温黑箱，一直不得而知。在专利文献CN202881174U中提出了一种40kg可测量炼焦煤膨胀压力的试验焦炉，但是仅仅是一个常规试验焦炉，并不能实现煤热解成焦可视化功能。
发明内容
本发明鉴于上述现有技术中的不足，目的在于提供一种检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法，可观察煤在成焦过程中所发生的变化，对于炼焦过程温度的控制，煤热解成焦过程中焦炭质量的控制以及胶质体形成量的控制都具指导作用。
本发明所提供的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，包括煤样加热系统以及特性检测系统。所述煤样加热系统包括：加热炉，所述加热炉内具有高温炉管，所述高温炉管的一端设置有观察窗；设置于所述高温炉管中恒温区的样品基板；设置于所述样品基板上方的样品盒，所述样品盒为六面框体，其四个侧面中，除正对所述观察窗的一面及其相对面以外，另外两个侧面分别安装有挡板，其中一面为固定挡板，另一面为安装在滑轨上并能够沿所述滑轨滑动的可移动挡板；测温热电偶，其测温端与所述样品基板相接触，其测量值输出至所述加热炉的控温装置；所述特性检测系统包括：与所述样品盒相连接的膨胀压力计，所述膨胀压力计与所述可移动挡板相连接；镜头朝向所述观察窗的数码照相机；用于对所述膨胀压力计和所述数码照相机的输出数据进行处理的计算机。
优选地，本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置还包括光源调节系统，其包括光源和用于调节所述光源明暗程度的光强度控制器，所述光源朝向所述高温炉管未设置观察窗的一端照射。
优选地，本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置还包括用于保持所述高温炉管中的气路平稳和将煤样产生的焦油气体吹扫出所述高温炉管的气氛系统，其包括分别与所述高温炉管连通的进气口和出气口，所述进气口和出气口的直径均为3-4mm。
优选地，本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置还包括用于对所述观察窗进行冷却和清洁的水冷却系统。
另外，本发明还提供一种基于本发明所提供的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置的检测焦炉中煤成焦过程特性的方法，包括以下步骤：
S1：将所述煤样放入所述样品盒中且紧贴所述可移动挡板，使用所述光源调节系统对光源的明暗程度进行调节使得所述数码照相机能够拍摄到所述煤样的清晰图像；
S2：将惰性气体通入所述高温炉管中，启动所述加热炉对所述煤样进行加热；
S3：透过所述观察窗观察所述煤样，当所述煤样的体积变化时，通过所述膨胀压力计测量当前时刻所述煤样的膨胀压力，并利用所述数码照相机对当前时刻的所述煤样进行拍摄得到实时图像；
S4：所述计算机记录步骤S3中当前时刻的温度以及所述膨胀压力和所述实时图像，并利用图像处理技术对所述实时图像进行处理以获得反映所述煤成焦过程特性的参数。
优选地，S2和S3之间还包括步骤S2-1：所述加热炉的控温装置根据所述测温热电偶对所述样品基板的温度测量值进行升温速率控制，当所述样品基板的温度为200-450℃时升温速率设定为2℃/min，当所述样品基板的温度为450-650℃时升温速率设定为2.5℃/min，其余阶段的升温速率设定为4℃/min。
优选地，在步骤S2与S3中，可同时通过例如水冷却系统对观察窗进行冷却和清洁。
优选地，在步骤S1之前还包括步骤S0：将煤磨制成煤粉颗粒后压制成大小能够被所述样品盒容纳的煤样，压制压力在15-20MPa之间。所述煤粉颗粒的直径优选小于0.05mm。
利用本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置和方法，可观察煤在成焦过程中所发生的变化，对于炼焦过程温度的控制，煤热解成焦过程中焦炭质量的控制以及胶质体形成量的控制都具有一定的指导作用。采用实时图像采集可以重现过程行为特性，使过程可视化，从而可以观测到直观、形象的煤成焦过程的膨胀，获得煤膨胀过程压力，可以提高对煤在加热成焦过程中其膨胀特性及煤焦形态变化的认识，利用计算机图像处理技术可以方便准确的得到所需数据。通过模拟焦炉中煤成焦过程的装置和方法能够很好的检测煤在不同温度和不同加热速度条件下的热解和脱气过程，膨胀行为及膨胀特性，从而为炼焦过程中煤的使用提供指导，同时也为解析炭化室结焦过程提供了一种新的方法。
附图说明
图1为本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置的一个实施方式的结构示意图；
图2为本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置的一个实施方式中样品盒与膨胀压力计的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
实施例1
图1为本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置的结构示意图，如图1所示，本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置包括煤样加热系统、特性检测系统、光源调节系统、气氛系统以及水冷却系统。
煤样加热系统的结构和连接关系为：加热炉5；加热炉5内具有高温炉管3，在高温炉管3的一端设置有石英窗10，石英窗10上具有带刻度的毛玻璃；高温炉管3中恒温区设置有样品基板7；样品盒6设置在样品基板7上且正对石英窗10；以及测温热电偶14，其测温端与样品基板7相接触，其测量值输出至加热炉5的控温装置。其中样品盒6如图2所示为六面框体，其中4条长边为滑轨63，其四个侧面中，正对石英窗10的一面及其相对面未安装挡板，另外两个侧面分别安装有挡板，其中一面为固定挡板61，另一面为安装在滑轨上并能够沿滑轨滑动的可移动挡板62。虽然本实施例中采用石英窗10作为观察窗，但本领域技术人员也能够采用其他多种耐高温的透光材料来制作观察窗。
特性检测系统安装在高温炉管3的一端，其结构和连接关系为：与样品盒6的可移动挡板62相连接的膨胀压力计15；还包括数码照相机12，其镜头11朝向煤样加热系统的高温炉管3的石英窗10且镜头中心线高出高温炉管中心线5mm，此处镜头11为CCD镜头，分辨率≥400万像素，可调焦距≥1.1m，且在CCD镜头上加载了滤光片和滤波片，使得所拍摄的图像更清晰，镜头11与数码照相机本体通过老虎皮相连接，另外，特性检测系统还包括用于对膨胀压力计15和所述数码照相机12的输出数据进行处理的计算机13。
光源调节系统安装在高温炉管3的另一端，包括光源2和用于调节光源2明暗程度的光强度控制器1，光源2朝向高温炉管3未设置石英窗10的一端照射，光源中心线高于炉管中心线10mm。通过光强度控制器1调节光源2的强度，使得数码相机12能够采集到清晰的过程图像。
气氛系统包括分别与高温炉管连通的进气口9和出气口8用于保持高温炉管3中的气路平稳和将煤样产生的焦油气体吹扫出高温炉管5，进气口9和出气口8的直径均为3-4mm。
水冷却系统包括位于加热炉5两端的两个水循环回路4，用于对石英窗10进行冷却和清洁。
实施例2
本实施例中采用实施例1中的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置来进行检测。
S0：制作被检测的煤样A：将灰分为13.11%、固定碳含量为61.93%、挥发份含量为23.87%、水分含量为1.09%的煤A破碎到0.05mm以下，在15MPa压力下压制成长20mm、宽20mm、高15mm的块状。
S1：将煤样放入样品盒中且紧贴可移动挡板，随后将装有煤样的样品盒设置在样品基板上，该样品基板的材质为Al2O3，并设置在高温炉管中的恒温区，随后，使用光源调节系统对光源的明暗程度进行调节，并相应调节镜头，使得数码照相机能够拍摄到煤样的清晰图像。
S2：通过气氛调节系统的进气口将氩气通入高温炉管中，并启动水冷却系统后，启动加热炉对煤样进行加热。
S2-1：随着温度的升高，根据热电偶的温度值，设置各阶段的升温速率，当样品基板的温度为200-450℃时升温速率设定为2℃/min，当样品基板的温度为450-650℃时升温速率设定为2.5℃/min，其余阶段的升温速率设定为4℃/min。
S3：透过所述石英窗观察所述煤样，当所述煤样的体积变化时，通过膨胀压力计测量当前时刻煤样的膨胀压力，并利用数码照相机对当前时刻的煤样进行拍摄得到实时图像。
S4：计算机记录步骤S3中当前时刻的温度以及膨胀压力和实时图像计算可得实施例中煤样的最大膨胀率为4.5%，最大膨胀压力为3.25KPa。
本实施例中，计算机也可以不设置在数码照相机附近，而是通过网络远程连接到数码照相机，以获得实时在线图像。
实施例3
S0：制作煤样B：将灰分为16.27%、固定碳含量为59.67%、挥发份含量为23.21%、水分含量为0.85%的煤B破碎到0.05mm以下，在20MPa压力下压制成长20mm、宽20mm、高15mm的块状。
本实施例中所使用的样品基板的材质为SiO2，气氛系统中通入的惰性气体为氦气，采用与实施例2完全相同的检测方法S1～S4，经过计算得到煤样的最大膨胀率4.1%和最大膨胀压力为3.12kPa。
实施例4
S0：制作煤样C：将灰分为10.11%、固定碳含量为66.93%、挥发份含量为21.87%、水分含量为1.09%的煤C破碎到0.05mm以下，在15MPa压力下压制成长20mm、宽20mm、高15mm的块状。
本实施例中所使用的样品基板的材质为Al2O3，气氛系统中通入的惰性气体为氩气，采用与实施例2完全相同的检测方法S1～S4，经过计算得到煤样的最大膨胀率为4.7%和最大膨胀压力为13.75kPa。
实施例5
S0：制作煤样D：将灰分为11.10%、固定碳含量为76.24%、挥发份含量为11.39%、水分含量为1.27%的煤D破碎到0.05mm以下，在20MPa压力下压制成长20mm、宽20mm、高15mm的块状。
本实施例中所使用的样品基板的材质为SiO2，气氛系统中通入的惰性气体为氦气，采用与实施例2完全相同的检测方法S1～S4，经过计算得到煤样的最大膨胀率为5.5%和最大膨胀压力为55.2kPa。
利用本发明的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置以及方法，可观察煤在成焦过程中所发生的变化，且能够对炼焦过程中的膨胀率、膨胀压力等参数进行定量的测量，对于炼焦过程温度制度的控制，煤热解成焦过程中焦炭质量的控制以及胶质体形成量的控制都具有的指导作用。
Claims (9)
1.一种检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，其特征在于，包括煤样加热系统以及特性检测系统；
所述煤样加热系统包括：加热炉，所述加热炉内具有高温炉管，所述高温炉管的一端设置有观察窗；设置于所述高温炉管中恒温区的样品基板；设置于所述样品基板上方的样品盒，所述样品盒为六面框体，其四个侧面中，除正对所述观察窗的一面及其相对面以外的两个侧面分别安装有挡板，其中一面为固定挡板，另一面为安装在滑轨上并能够沿所述滑轨滑动的可移动挡板；测温热电偶，其测温端与所述样品基板相接触，其测量值输出至所述加热炉的控温装置；
所述特性检测系统包括：与所述样品盒相连接的膨胀压力计，所述膨胀压力计与所述可移动挡板相连接；镜头朝向所述观察窗的数码照相机；用于对所述膨胀压力计和所述数码照相机的输出数据进行处理的计算机，
所述可移动挡板以沿所述滑轨滑动的方式而紧贴放入所述样品盒中的煤样；所述煤样通过将煤磨制成煤粉颗粒后压制制得，压制压力在15-20MPa之间；当所述煤样的体积变化时，通过所述膨胀压力计测量当前时刻所述煤样的膨胀压力，并利用所述数码照相机对当前时刻的所述煤样进行拍摄得到实时图像。
2.如权利要求1所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，其特征在于，还包括光源调节系统，其包括光源和用于调节所述光源明暗程度的光强度控制器，所述光源朝向所述高温炉管未设置观察窗的一端照射。
3.如权利要求1所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，其特征在于，还包括用于保持所述高温炉管中的气路平稳和将煤样产生的焦油气体吹扫出所述高温炉管的气氛系统，其包括分别与所述高温炉管连通的进气口和出气口,所述进气口和出气口的直径均为3-4mm。
4.如权利要求1所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，其特征在于，还包括用于对所述观察窗进行冷却和清洁的水冷却系统。
5.如权利要求1所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的装置，其特征在于，所述观察窗上设置有刻度。
6.一种基于权利要求1所述检测焦炉中煤成焦过程特性的装置的检测焦炉中煤成焦过程特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S0：将煤磨制成煤粉颗粒后压制成大小能够被所述样品盒容纳的煤样，压制压力在15-20MPa之间；
S1：将煤样放入所述样品盒中且紧贴所述可移动挡板，使用光源调节系统对光源的明暗程度进行调节使得所述数码照相机能够拍摄到所述煤样的清晰图像；
S2：将惰性气体通入所述高温炉管中，启动所述加热炉对所述煤样进行加热；
S3：透过所述观察窗观察所述煤样，当所述煤样的体积变化时，通过所述膨胀压力计测量当前时刻所述煤样的膨胀压力，并利用所述数码照相机对当前时刻的所述煤样进行拍摄得到实时图像；
S4：所述计算机记录步骤S3中当前时刻的温度以及所述膨胀压力和所述实时图像，并利用图像处理技术对所述实时图像进行处理以获得反映所述煤成焦过程特性的参数。
7.如权利要求6所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的方法，其特征在于，在步骤S2和S3之间还包括步骤S2-1：所述加热炉的控温装置根据所述测温热电偶对所述样品基板的温度测量值进行升温速率控制，当所述样品基板的温度为200-450℃时升温速率设定为2℃/min，当所述样品基板的温度为450-650℃时升温速率设定为2.5℃/min，其余阶段的升温速率设定为4℃/min。
8.如权利要求7所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的方法，其特征在于，在步骤S2与S3中还包括：对观察窗进行冷却和清洁。
9.如权利要求6所述的检测焦炉中煤成焦过程特性的方法，其特征在于，所述煤粉颗粒的直径小于0.05mm。
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