CN106290700B - 一种流化床内气固反应实时工况测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床内气固反应实时工况测量系统，包括：气路单元、流化床反应器单元、炉温控制单元和实时工况测量单元；该气路单元包括气源、流量计、空气预热器；该流化床反应器单元包括流化床和布风板；空气预热器通过气路与流化床底端相连，流量计与气源和空气预热器相连；布风板置于流化床底端，反应气由布风板进入气固反应区；该炉温控制单元包括温度显示控制装置、炉温加热棒；温度显示控制装置利用电子控制装置调整炉温加热棒的电流，从而达到控制高温炉本体炉膛温度的目的；该实时工况测量单元用于获得所述气固反应的实时工况数据，与计算机相连进一步可以得到固定样品颗粒实时反应速率以及反应动力学参数。

Description

一种流化床内气固反应实时工况测量系统

技术领域

本发明属于具有自动控温的电加热实验分析仪器领域，更具体地，涉及一种流化床内气固反应实时工况测量系统。

背景技术

自然界和各种工业生产领域中存在着大量的气相/固相热反应，广泛存在于冶金、化工、能源行业中，如碳酸钙的受热分解、铁矿石高温还原、煤炭燃烧发电等。对气固反应的特性进行精确的测量以揭示自然规律并指导生产一直是科学研究的重要领域之一，也是诸如数值模拟分析和反应器设计之类研发活动的理论基础。对于存在重量变化的化学反应，热重是目前唯一商业化和系统化的分析仪器，热重的数据仅仅能反应样品的质量变化，适合简单的定量分析，热重很难实现对复杂的或者多步的化学反应进行准确的分析，而且现有的热重由于升温速率较慢，对于一些热不稳定的物质反应(如碳酸钙热分解)，由于其在升温过程中易受热分解挥发，无法准确测量其动力学参数。

近几年，业内开发了流化床技术用于分析气相/固相热反应，采用流化床反应器对气相/固相热反应进行分析。相比于传统的热重，流化床反应器具有如下优势：

1、传质更快，有利于反应的进行，减少气体扩散对化学反应的抑制；

2、流化床内的大比容的床料颗粒与样品颗粒之间的相对运动非常剧烈，两相之间的热质传递效率高，样品可以快速升温；

3、流化床内温度场与流场更均匀；

4、流化床进料、出料、废渣排放用气流运输，易于实现装置自动化。

因此，流化床反应器是目前科学研究与生产应用的热点。

但是，上述流化床反应器的测试方法有如下问题：由于床料颗粒与样品颗粒运动非常剧烈，无法测量样品颗粒在反应过程中的真实温度，而在气固反应中，温度对反应速率起决定性作用，对于一些吸热放热非常明显的化学反应如碳酸钙分解、煤炭燃烧，颗粒温度与反应器温度相差很大，简单采用反应器温度作为颗粒温度显然有非常大的缺陷。

而且，现有的流化床通常在流化床出口采集气体信号，如专利ZL201310438571.9，其微型双床固体燃料解耦燃烧反应动力学分析仪是在出口处采集气体信号，造成了以下问题：

1、由于样品颗粒运动非常剧烈，无法准确测量样品颗粒的实时温度；

2、气体在流化床内延迟大，出口气体信号浓度与实际瞬间的浓度不一致，即气体信号浓度失真；

3、化学反应生成的气态产物之间或气态产物与载气之间容易发生二次反应，造成测量误差，例如C和O₂反应的一次产物是CO和CO₂，CO很容易进一步和O₂反应生成CO₂；

4、流化床鼓泡效应使出口气体信号浓度波动大。

5、流化床内由于长时间地使用布风板容易造成堵塞，造成气体流速不均匀，需要实时监测流速。

综上所述，目前的气固反应的动力学测试装置，在研究快速吸热与放热反应时主要存在以下问题：

1、热重升温速率慢，采用等温法时，热不稳定的物质无法准确测量；

2、流化床内发生反应时的样品颗粒温度无法准确测量；

3、在出口处采集气体信号，导致气体浓度信号失真，造成测量的误差；

4、无法实时监测流化床内流场分布。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷或改进需求，本发明旨在提供一种能够准确测量反应中的样品温度、降低气体浓度信号失真、实时监测流化床内流场分布的流化床内气固反应实时工况测量系统。

为实现上述目的，本发明提出了一种流化床内气固反应实时工况测量单元，包括：气路单元、固定样品颗粒、炉温控制单元和实时工况测量单元；

气路单元包括依次连接的气源、流量计、空气预热器。气源用于提供反应气；空气预热器连接流化床底端的进气口；

固定样品颗粒固定在流化床内部的布风板上方的气固反应区，且至于常规床料中，固定样品颗粒的粒径大于常规床料粒径；

炉温控制单元包括温度显示控制装置、炉温加热棒，温度显示控制装置连接炉温加热棒，用于控制炉温加热棒来改变高温炉本体的炉膛温度；炉温加热棒位于炉膛内的流化床外侧；

实时工况测量单元包括毛细管、床层温度测量计、颗粒表面温度测量计、颗粒内部温度测量计、流速测量计、气体检测仪；流速测量计和床层温度测量计一端靠近布风板上表面设置，分别用于测量布风板上表面的空气流速和床层温度；颗粒内部温度测量计一端插入固定样品颗粒内部，用于测量固定样品颗粒内部的温度；颗粒表面温度测量计靠近固定样品颗粒外表面设置，用于测量固定样品颗粒外部温度；毛细管靠近固定样品颗粒外表面设置，用于收集固定样品颗粒附近反应后的混合气体。

进一步地，固定样品颗粒的粒径是常规床料粒径的10-30倍。

进一步地，固定样品颗粒的粒径为1-5cm。

进一步地，毛细管与固定样品颗粒外表面距离为2-4mm。

进一步地，实时工况测量单元还包括设置在高温炉本体和流化床上方的隔热盖板，隔热盖板向下延伸有固定石英管，固定石英管插入流化床内部；毛细管、颗粒表面温度测量计、颗粒内部温度测量计均通过固定板固定于固定石英管内部，且下端均暴露在固定石英管外、流化床内；颗粒内部温度测量计下端固定在固定样品颗粒内部。

进一步地，流速测量计固定在隔热盖板上。

总而言之，通过本发明所构思的的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

结合各分析装置自身的特点，相应地设计了用于气固反应的实时工况测量单元，并且在常规床料之外设置固定样品颗粒，其粒径大于常规床料的粒径，以便于直接将其固定在流化床内，从而避免常规床料的样品颗粒运动非常剧烈导致温度难以测量的问题。因此，本发明可以测量颗粒的内部温度，表面温度和床层温度，准确地判断气固反应进行的程度，对气固反应过程进行定量的判断；对生成气和反应气进行表面采样，防止气体信号失真和生成气发生二次反应；可以测量进入流化床的反应气流速是否均匀，增强反应分析与测试的准确性与可靠性，适用于各种气固反应的分析场合。主要适用于各种气固反应过程中对化学反应的实时工况及相关动力学参数的的准确测量。

附图说明

图1是本发明第一实施例整体示意图；

图2是图1中固定样品颗粒与各测温计的布置关系示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-气源，2-流量计，3-床料，4-固定样品颗粒，5-颗粒内部温度测量计，6-颗粒表面温度测量计，7-流速测量计，8-固定石英管，9-隔热盖板，10-炉温加热棒，11-计算机，12-高温炉本体，13-床层温度测量计，14-布风板，15-温度显示控制装置，16-流化床，17-固定板，18-毛细管，19-空气预热器，20-气体检测仪，21-数据转换器，22-耐高温无机粘结剂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明流化床内气固反应实时工况测量系统包括气路单元、流化床反应器单元、炉温控制单元和实时工况测量单元。

该气路单元包括气源1、流量计2和空气预热器19。用于实现气固反应的进气气路。进气气路设有流量计2和空气预热器19。流量计2与气源1和空气预热器19相连，空气预热器19通过气路与流化床16底端相连

实验开始前设定流量计2的数值，打开气源1，反应气经过流量计2控制后，流量为设定数值，经过空气预热器19后进行预热，，由流化床16底端进入，通过布风板14后，进入气固反应区，参与反应。

该流化床反应器单元包括流化床16和布风板14。其中，布风板14置于流化床16底端，布风板14上端为气固反应区，反应气经过布风板14后进入气固反应区，参与反应。

该炉温控制单元包括温度显示控制装置15、炉温加热棒10。所述温度显示控制装置15与高温炉本体12相连，所述高温炉本体12用炉温加热棒10加热。炉温加热棒为碳硅材质，温度显示控制装置15利用电子控制调整炉温加热棒10的电流，从而达到控制高温炉本体12炉膛温度的目的。

该实时工况测量单元包括颗粒内部温度测量计5、颗粒表面温度测量计6、床层温度测量计13、毛细管18、流速测量计7、固定石英管8、固定板17、隔热盖板9。气体检测仪20有很高的测试响应频率，可实时监测记录毛细管18抽取的气体浓度信号，并将采集的数据传输至计算机11，由计算机11完成对数据的记录。速度测量计7用来检测反应气经过布风板14后速度是否合适，浓度是否均匀(气流速度过大或过小会影响两相的热质传递和气固反应的进行程度)；床层温度测量计13用来检测床料3附近的温度变化，可视为气固反应区的温度；颗粒表面温度测量计6离固定样品颗粒4表面较近，用来测量固定样品颗粒4的表面温度变化；颗粒内部温度测量计5插入固定样品颗粒4内部，用来测量固定样品颗粒4的内部温度变化。颗粒内部温度测量计5、颗粒表面温度测量计6、流速测量计7和床层温度测量计13将信号传输至信号转换器21，完成数据采集将数据传给计算机11。颗粒内部温度测量计5、颗粒表面温度测量计6、毛细管18用固定板17固定防止晃动。固定样品颗粒连接部分放大图如图2所示。其中，固定样品颗粒4和颗粒内部温度测量计用耐高温无机粘结剂22粘结。

所述流化床16呈直径100-200mm左右，高度为300-1000mm、上端开口的耐高温石英玻璃材质制成的罐状形。流化床16下端有布风板14，保证反应气经过其后气体速度保持均匀。

本发明所述基于流化床的气固反应分析测量装置的基本操作过程是(以煤炭颗粒的反应作为举例)：

实验前，将床层温度测量计13和流速测量计7置于装有适量固体床料3(如经过酸洗、干燥等物理化学过程处理后的不含其他杂质的石英砂或中性氧化铝颗粒)的流化床16内部，将气源1、流量计2、空气预热器19与进气气路相连。先选择合适粒径的固定样品颗粒4(本实施例为粒径1-5cm的煤炭颗粒)，将颗粒内部温度测量计5插入固定样品颗粒4内部，并用耐高温无机粘结剂22粘连防止脱落，毛细管18和颗粒表面温度测量计6置于固定样品颗粒表面。空气预热器19设定为所需温度，打开气源1，将流量计2设定为所需数值。温度测量计5、6和毛细管18通过固定板17固定夹紧，实时工况测量单元与计算机11相连。将整个实时工况测量单元通过将隔热盖板9抬高一定高度的方式，连带着使与固定样品颗粒4粘连的温度测量计5、6竖直升高至一定高度，使固定样品颗粒4温度接近为室温。

利用温度显示控制装置15设定流化床16所需温度，按下加热按钮升温。反应气进入气固反应区，使流化床16置于所需反应气的气氛中，待床层温度加热到所需温度，手动控制隔热盖板9，将其迅速放下，直至隔热盖板9与炉壁上端接触。此时检测装置开始采集所需的温度信号、气体浓度信号和流速信号。数据转换器21和气体检测仪20将数据传给计算机11，计算机11做好记录工作获得三个温度点的温度-时间信号和反应气、生成气的浓度-时间信号，测出反应实时工况。比如在煤燃烧过程中，煤炭颗粒内部温度在达到床层温度后会再升高并与床层温度的差值基本保持不变，而颗粒表面温度会在反应开始阶段高于颗粒内部温度，在反应进行到后期时低于颗粒内部温度，所以根据这三个温度点温度数值的变化和大小比较，可以将煤炭反应的过程分为两个阶段，即热解阶段(T_床层<T_颗粒内部<T_颗粒表面)和燃烧阶段(T_颗粒内部>T_颗粒表面>T_床层)。当颗粒内部温度等于颗粒表面温度时说明热解阶段完成，煤炭颗粒正在向着火转变。根据不同的反应阶段计算所需的数据。同时，测量此时氧气的消耗速率以及CO和CO₂的生成速率，计算煤炭燃烧过程的反应动力学参数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点。

1.本发明中通过对颗粒表面温度测量、颗粒内部温度测量和床层温度测量这三个温度测量点的安排和放置，可以准确地测量出气固反应中的三个最重要的温度点，通过对这三个温度点的数值大小变化和相互间差值的比较，可以判断气固反应的气氛挥发、受热分解、燃烧等过程，进行定量的分析。或者根据反应吸热放热类型的不同，采用最为需要的一个温度点作为实验的参考指标，或同时采用三个温度点作为实验的参考指标，增强对气固反应动力学的分析的准确性和科学性。并且通过分析比较表面温度、颗粒内部温度和床层温度可以较为精确地判断化学反应的进行程度。

2.本发明中通过将气体测量装置的近距离放置，将毛细管放置于离固定样品颗粒非常近的距离(2-4mm)来进行采样分析，达到了近距离直接采样测量生成气和反应气的结果，获得最真实的气体浓度信号。防止出现气体信号浓度与实际瞬间的浓度不一致，即气体信号浓度失真的问题；有效解决了化学反应生成的气态产物之间或气态产物与载气之间容易发生二次反应，造成测量误差的难题。

3.本发明中实现了等温快速加热，解决了热不稳定的物质在升温过程中易受热分解挥发，无法准确测量其动力学参数的问题。通过将固定样品颗粒与颗粒内部温度测量计用耐高温无机粘结剂固定。试验中将固定样品颗粒下降到指定位置，使颗粒温度迅速升温至设定温度，实现等温快速加热。

4.本装置中采用大颗粒(床料粒径的10-30倍)的固定样品颗粒进行测试，相较于传统流化床中的较小的颗粒粒径，由于固定样品颗粒保持固定不动(但流化床的床料颗粒仍然在剧烈运动)，便于对固定样品颗粒的温度变化进行准确的测量，对反应气和生成气的气体成分和浓度进行测量分析。由于颗粒粒径较大，测试工况更接近于实际工业生产中的气固反应工况，应用范围广。

5、布风板对通过其的气流以一定的阻力,使在布风板上具有均匀的气流速度分布,为取得良好的流化工况准备条件，而布风板本身容易堵塞，导致流化床内流场速度不均匀，对反应造成影响。采用流速测量计可以实时测量流化床内气体流速，检测固定样品颗粒流场速度是否均匀。

本发明适用于多种热不稳定物质的气固反应的测试，包括热解、还原和燃烧等反应。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种流化床内气固反应实时工况测量系统，其特征在于，包括：气路单元、固定样品颗粒(4)、炉温控制单元和实时工况测量单元；

气路单元包括依次连接的气源(1)、流量计(2)、空气预热器(19)，气源(1)用于提供反应气；空气预热器(19)连接流化床底端的进气口；

固定样品颗粒(4)固定在流化床(16)内部的布风板(14)上方的气固反应区，且置于常规床料中，固定样品颗粒(4)的粒径大于常规床料粒径；

炉温控制单元包括温度显示控制装置(15)、炉温加热棒(10)，温度显示控制装置(15)连接炉温加热棒(10)，用于控制炉温加热棒(10)来改变高温炉本体(12)的炉膛温度；炉温加热棒(10)位于炉膛内的流化床(16)外侧；

实时工况测量单元包括毛细管(18)、床层温度测量计(13)、颗粒表面温度测量计(6)、颗粒内部温度测量计(5)、流速测量计(7)、气体检测仪；流速测量计(7)和床层温度测量计(13)一端靠近布风板(14)上表面设置，分别用于测量布风板(14)上表面的空气流速和床层温度；颗粒内部温度测量计(5)一端插入固定样品颗粒(4)内部，用于测量固定样品颗粒(4)内部的温度；颗粒表面温度测量计(6)靠近固定样品颗粒(4)外表面设置，用于测量固定样品颗粒(4)外部温度；毛细管(18)靠近固定样品颗粒(4)外表面设置，用于收集固定样品颗粒(4)附近反应后的混合气体。

2.如权利要求1所述的一种流化床内气固反应实时工况测量系统，其特征在于，固定样品颗粒的粒径是常规床料粒径的10-30倍。

3.如权利要求1或2所述的一种流化床内气固反应实时工况测量系统，其特征在于，固定样品颗粒(4)的粒径为1-5cm。

4.如权利要求1所述的一种流化床内气固反应实时工况测量的分析测试系统，其特征在于，毛细管(18)与固定样品颗粒(4)外表面距离为2-4mm。

5.如权利要求1所述的一种流化床内气固反应实时工况测量系统，其特征在于，实时工况测量单元还包括设置在高温炉本体(12)和流化床(16)上方的隔热盖板(9)，隔热盖板(9)向下延伸有固定石英管(8)，固定石英管(8)插入流化床(16)内部；毛细管(18)、颗粒表面温度测量计(6)、颗粒内部温度测量计(5)均通过固定板(17)固定于固定石英管(8)内部，且下端均暴露在固定石英管(8)外、流化床(16)内；颗粒内部温度测量计(5)下端固定在固定样品颗粒(4)内部。

6.如权利要求5所述的一种流化床内气固反应实时工况测量系统，其特征在于，流速测量计(7)固定在隔热盖板(9)上。