CN106370696B - 一种程序升温煤氧化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种煤样罐与加热炉于一体的、能够实现煤样装填回收便捷，实验操作简单，煤样受热均匀，温度均匀性好，流量控制精确，自动采气与放散的程序升温煤氧化实验装置。该装置包括煤样罐和加热炉，加热炉炉体的上端和下端分别设有上箱盖和下箱盖，煤样罐设置于加热炉炉膛内，与加热炉炉体固定连接，煤样罐的顶端设有上部端盖，底端设有下部端盖，所述上部端盖和下部端盖与煤样罐为分体式结构，上部端盖和下部端盖均伸出加热炉炉体外，煤样罐内设置有煤样托架，所述煤样托架包括设有多个通孔的托板和中空柱状结构的支撑管，所述托板位于支撑管的上端，支撑管的下端与下部端盖接触。
Description
技术领域
本发明涉及煤自燃实验仪器领域，具体涉及一种程序升温煤氧化实验装置。
背景技术
煤自燃是非常复杂的物理现象，是自加速煤氧复合放热过程。其中，物理变化包含有气体的吸附、脱附、水分的蒸发与凝结、热传导、煤体的升温、结构的松散等；化学变化包含有煤表面分子中各种活性结构与氧发生化学吸附和化学反应，生成各种含氧基团及产生多种气体，同时伴随着热效应(有放热和吸热)。由于化学反应，煤的大分子内部交联键发生重新分布，从而使煤的物理、化学性质发生变化，并进一步影响煤氧复合作用进程。煤氧复合过程及其放热特性随着温度、煤中孔隙率以及与空气接触的表面积等的不同而不同。因此煤的自燃发火期和指标气体很难通过简单的计算与仿真获得，必须通过实验研究确定。
程序升温实验是测量煤的自燃发火期和指标气体的常用方法。但是在已有的实验中，多是采用成品高温烘箱、马弗炉、干燥炉等完成，煤样罐与加热炉为分体式结构，即将煤样放置在一定容积的煤样罐内，然后再将煤样罐放置于加热炉内，进而再连接进气、出气管线和温度传感器，其实验操作复杂。另一方面，加热装置不是专业定制，温度均匀性差，难以与色谱、光声光谱、傅里叶红外气体分析仪联合使用，实现流量、温度的程序化控制和输出气体的自动采集与放散。此外现有的程序升温实验多是针对低温煤自燃，温度低(<200℃)，由于研究领域的扩展，如煤田火区，需要研究高温状态的煤自燃特性，这种传统的煤样罐升温取气方式会受到极大的挑战，因为超过250℃后，多数橡胶类密封制品就无法使用，金属硬连接又难以满足频繁拆卸的需求。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种煤样罐与加热炉于一体的、实现煤样装填回收便捷，实验操作简单的程序升温煤氧化实验装置。
本发明实现上述目的的技术方案是：提供一种程序升温煤氧化实验装置，包括煤样罐和加热炉，为了减少煤样罐的管端头散热，加热炉炉体的上端和下端分别设有上箱盖和下箱盖，所述煤样罐设置于加热炉炉膛内，与加热炉炉体固定连接，煤样罐的顶端设有上部端盖，底端设有下部端盖，所述上部端盖和下部端盖与煤样罐为分体式结构，上部端盖和下部端盖均伸出加热炉炉体外。为了保证煤样能够填装于炉膛中部温度最合理的区间，煤样罐内设置有煤样托架，所述煤样托架包括设有多个通孔的托板和中空柱状结构的支撑管，所述托板位于支撑管的上端，支撑管的下端与下部端盖接触。
所述煤样罐为多个。
为了提高炉内温度的均匀性，还设置有扰流板，所述扰流板围绕煤样罐四周设置在炉膛内，扰流板提高了热空气对煤样罐的冲刷速度，增加气体与煤样罐的对流换热系数，提高煤样罐的受热均匀性。
为进一步提高进气气流均匀性，也可以在托板上方设置多层金属丝网。
在煤样的最上端可设置有均流格栅，所述均流格栅为多层金属筛网结构，这样可进一步保证气流在煤样中流动的均匀性。
炉膛内设置有循环风隔板和循环风机，所述循环风隔板设置于循环风机下方，将热风空间分为进风区域和回风区域，循环风通过一侧的过风孔板进入炉膛，然后通过另一侧的过风孔板流出炉膛，循环风在炉膛内高速运动，冲刷煤样罐和扰流板。
煤样受热的均匀性与煤样罐直径有密切的关系，煤样罐直径越大温度不均匀性越严重，通过计算发现在煤样罐直径小于50mm时，煤样在实验区间内，截面不均匀性小于2℃。若直径过小，壁面对气流运动影响加大，且装煤量大幅度减少，难以满足气体采集分析需求。为了保证煤样罐内温度的均匀性，本发明煤样罐的优选直径范围为30～50mm。
在炉膛的出风口、回风口和中心分别设置三支热电偶，以炉膛中心热电偶作为炉膛温度控制基准，通过调整循环风机转速，保证三支热电偶的温差在3℃内。
煤样管的顶端设有气体出口，所述气体出口连接有两路电磁阀，一路设置在通向气体分析仪器通道上，用于气体采集，一路设置在放散通道。放散通道的电磁阀和通向气体分析仪器通道的电磁阀互为连锁，同一时间，一路畅通，一路关闭。可以通过程序或手动设置电磁阀在什么时间开启，开启多长时间。
将控制器、固态继电器、液晶触摸屏、按钮、空气开关等强弱电相关设备安装于电器控制箱内；将质量流量控制器、电磁阀等气体流量控制检测设备安装于管路连接箱内。
本发明的优点是：
1、煤样罐与加热炉为一体式结构，可以实现煤样快速装填与回收，操作简单、煤样托架和扰流板的设置有效的提高了煤样受热均匀性。
2、将煤样罐、加热系统集中于一体，使设备紧凑、美观，便于操作，同时增加了装置的气密性，提高流量控制精确度。本发明最高使用温度可达600℃。
3、放散通道的电磁阀和通向气体分析仪器通道的电磁阀互为连锁，同一时间，一路畅通，一路关闭。可以通过程序或手动设置电磁阀在什么时间开启，开启多长时间，能够实现自动采气与放散。
4、本发明可以实现程序升温模式和跟随控温模式。还将实时记录温度、流量、电流、电功率信息，保存于控制器内，并配置USB接口，实现与电脑的实时通信。
附图说明
图1是程序升温煤氧化实验装置示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1的B-B剖视图。
图4为图1的C-C剖视图。
图5为图1的I局部放大图。
图6煤样托架结构示意图。
图7是程序升温煤氧化实验装置系统示意图。
图中标记：1-电器控制箱，2-加热炉，3-上箱盖，4-下箱盖，5-上部端盖，6-煤样罐，7-均流格栅，8-过风孔板，9-下部端盖，10-煤样托架，101-托板，102-支撑管，11-热电偶套管，12-炉膛，13-热电偶，14-扰流板，15-循环风机，16-循环风隔板，17-加热棒，18-管路连接箱，19-电磁阀一，20-电磁阀二
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述：
如图1所示的一种程序升温煤氧化实验装置，包括煤样罐6、加热炉2、加热系统、气体输入输出管路系统和流量温度检测控制系统。所述煤样罐6为多个，为了减少煤样罐6的管端头散热，加热炉2上端和下端分别设有上箱盖3和下箱盖4，箱盖为快开快关结构，在正常工作时，箱盖关闭；在煤样充装时，打开箱盖。
煤样罐6设置于加热炉2内，与加热炉2固定连接，煤样罐6的顶端设有上部端盖5，底端设有下部端盖9，所述上部端盖5和所述下部端盖9与煤样罐6为分体式结构，煤样的装填与回收仅仅需要对这两个端盖进行操作即可，不用对其他管路和接线进行拆卸。
如图6所示，为了保证煤样能够填装于炉膛12中部温度最合理的区间，在煤样罐6内设置了煤样托架10，所述煤样托架10包括设有多个通孔的托板101和中空柱状结构的支撑管102，所述托板101位于支撑管102的上端，支撑管102的下端与下部端盖9接触。为进一步提高进气气流均匀性，也可以在托板101上方布置多层金属丝网。在煤样的最上端设置了均流格栅7，所述均流格栅7为多层金属筛网结构，这样可进一步保证气流在煤样中流动的均匀性。
如图5所示，多层套管接头依次包括支撑管102、热电偶套管11、热电偶13。热电偶套管11与下部端盖9之间为气密性焊接，热电偶套管11深入煤样的端头为密闭结构，防治漏气。热电偶13通过热电偶锁紧螺母固定于热电偶套管11中。热电偶13直径≤1mm，热电偶套管11外径≤3mm。
煤样受热的均匀性与煤样罐6直径有密切的关系，煤样罐6直径越大温度不均匀性越严重，通过计算发现在煤样罐6直径小于50mm时，煤样在实验区间内，截面不均匀性小于2℃。若直径过小，壁面对气流运动影响加大，且装煤量大幅度减少，难以满足气体采集分析需求。为了保证煤样罐6内温度的均匀性，本发明煤样罐6的优选直径范围为30～50mm。
如图2所示，炉膛12内设置有过风孔板8和扰流板14，所述扰流板14围绕煤样罐6四周设置在炉膛12内，扰流板14提高了热空气对煤样罐6的冲刷速度，增加气体与煤样罐6的对流换热系数，提高煤样罐6的受热均匀性。
如图3，图4所示，炉膛12内设置有循环风隔板16和循环风机15，所述循环风隔板16设置于循环风机15下方，将热风空间分为进风区域和回风区域，循环风通过一侧的过风孔板8进入炉膛12，然后通过另一侧的过风孔板8流出炉膛12，循环风在炉膛12内高速运动，冲刷煤样罐6和扰流板14。
在炉膛12内设置预热盘管，冷空气经过预热后再流入煤样罐6，保证进入煤样罐6的空气温度与煤样温度接近。在炉膛12的出风口、回风口和中心分别设置三支热电偶13，以炉膛中心热电偶13作为炉膛温度控制基准，通过调整循环风机15转速，保证三支热电偶13的温差在3℃内。
将控制器、固态继电器、液晶触摸屏、按钮、空气开关等强弱电相关设备安装于电器控制箱1内；将质量流量控制器、电磁阀等气体流量控制检测设备安装于管路连接箱18内。
打开程序升温煤氧化实验装置的上箱盖3和下箱盖4，松开热电偶快速接头，拧开上部端盖5和下部端盖9，清空已有煤样。调整煤样托架10的位置，拧紧下部端盖9，从煤样罐6的上部装填煤样，然后拧紧煤样罐6上部端盖5，连接热电偶快速接头，关闭上部箱盖和下部箱盖。
气体可以由全自动空气泵提供，也可以由压缩空气气瓶提供。送入程序升温箱的空气压力维持在0.3～0.5MPa的范围内，通过质量流量计控制进气流量。气体先经过预热盘管预热后，再进入煤样罐6，依次通过托板101、煤样、均流格栅7，然后从煤样罐6内排出。
如图7所示，煤样管6的顶端设有气体出口，所述气体出口连接有两路电磁阀，设置在通向气体分析仪器通道上为电磁阀一19，用于气体采集，设置在放散通道为电磁阀二20。放散通道的电磁阀二20和通向气体分析仪器通道的电磁阀一19互为连锁，同一时间，一路畅通，一路关闭。可以通过程序或手动设置电磁阀在什么时间开启，开启多长时间。决定气体是被放散掉，还是进入气体分析仪器内。
加热棒17为热源，为整个系统提供热量，循环风机15将加热棒17的热量传递给炉膛12。循环热风通过过风孔板进入炉膛12，然后通过过风孔板流出炉膛12，循环风在炉膛12内高速运动，冲刷煤样罐6和扰流板14。
根据需求选择程序升温模式或跟随控温模式，程序升温模式以炉温为控制基准，设定升温曲线和速率。跟随升温模式，以煤样罐6内热电偶13探测到的温度为基准，始终保证炉温比煤样温度高出固定数值。温度、流量、阀门状态等的设定与显示均可在液晶触摸屏上完成。温度、流量、电流、电功率等信息将被实时记录保存于控制器内，通过USB接口与电脑实时通信，也可以用U盘将数据拷出。
Claims (6)
1.一种程序升温煤氧化实验装置，包括煤样罐和加热炉，加热炉炉体的上端和下端分别设有上箱盖和下箱盖，其特征在于：所述煤样罐设置于加热炉炉膛内，与加热炉炉体固定连接，煤样罐的顶端设有上部端盖，底端设有下部端盖，所述上部端盖和下部端盖与煤样罐为分体式结构，上部端盖和下部端盖均伸出加热炉炉体外，煤样罐内设置有煤样托架，所述煤样托架包括设有多个通孔的托板和中空柱状结构的支撑管，所述托板位于支撑管的上端，支撑管的下端与下部端盖接触；
还包括有扰流板，所述扰流板围绕煤样罐四周设置在炉膛内；
所述煤样罐内设置有均流格栅，所述均流格栅为多层金属筛网结构，均流格栅位于煤样的最上端；
所述炉膛内设置有循环风隔板和循环风机，所述循环风隔板设置于循环风机下方，将热风空间分为进风区域和回风区域；循环风通过一侧的过风孔板进入炉膛，然后通过另一侧的过风孔板流出炉膛，循环风在炉膛内高速运动，冲刷煤样罐和扰流板。
2.根据权利要求1所述的程序升温煤氧化实验装置，其特征在于：所述煤样罐为多个。
3.根据权利要求1所述的程序升温煤氧化实验装置，其特征在于：所述托板上方设置有多层金属丝网。
4.根据权利要求1-3任一所述的程序升温煤氧化实验装置，其特征在于：煤样罐直径范围为30～50mm。
5.根据权利要求4所述的程序升温煤氧化实验装置，其特征在于：炉膛的出风口、回风口和中心分别设置有热电偶。
6.根据权利要求1所述的程序升温煤氧化实验装置，其特征在于：
所述煤样管的顶端设有气体出口，所述气体出口连接有两路电磁阀，一路设置在通向气体分析仪器通道上，用于气体采集，一路设置在放散通道。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |