CN109297851A - 一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法 - Google Patents

一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，包括颗粒床煅烧反应实验段、交变加热系统、升降系统、若干温度传感器以及数据采集控制系统。实验装置加热温度最高可达1200K，可以对不同煅烧反应温度的碳酸盐进行研究，可以研究煅烧段表面热流在实验段轴向和径向随时间呈交变加热条件下碳酸盐的煅烧反应特性，同时可以研究煅烧段不同二氧化碳浓度条件下碳酸盐的煅烧反应特性。

Description

一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法
技术领域
本发明属于冶金、化工等行业原料高温煅烧反应强化技术领域，特别涉及一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法。
背景技术
针对冶金、化工领域中散料煅烧过程具有床层温度不均匀和产物质量参差不齐的特点，需要采用有效的加热方式，才能解决散料床层中存在的加热强化与温度均化相矛盾的问题，有效提高产品质量，对促进冶金、化工行业发展具有十分重要的意义。
目前对于散料煅烧过程温度均化和反应强化的实验研究较少，有文献指出热流随时间以正弦式、方波式变化的加热方式有助于物料的温度均化，但仅对单颗粒进行了模拟，且模型存在很大的简化，同时交变加热方式对散料床层的作用特性尚不清晰。同时二氧化碳气氛及不同浓度下煅烧反应机理也不清楚。为此，亟需一个可用于研究二氧化碳气氛和交变加热方式的固定床高温煅烧反应模拟实验装置。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，能够研究二氧化碳气氛下加热速率、二氧化碳气氛压力、颗粒粒径、颗粒床孔隙率对高温煅烧反应过程影响及颗粒床轴向、径向交变加热方式。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，包括：
实验段1，呈柱形，水平设置，在其中进行颗粒床煅烧反应；
交变加热系统，包裹实验段1但与实验段1之间存在径向的空间，对实验段1进行交变加热；
升降系统，控制交变加热系统的高度变化，使实验段1表面热流呈现非均匀分布；
数据采集控制系统9，采集所述实验段1内不同的轴向和径向位置的温度数据，获得煅烧反应过程中温度的非均匀分布。
所述交变加热系统包括与控制柜相连的多个环形加热炉，各环形加热炉依次包裹实验段1但与实验段1之间存在径向的空间，所述的交变加热是调节各加热炉的功率在轴向动态变化实现的。
所述轴向动态变化为：按安装顺序，各环形加热炉的功率呈方波或正弦波变化。
所述轴向动态变化为：通过预设每个加热炉的加热速率，调节加热炉流通电流，使实验段1表面的热流随时间发生动态变化。
所述实验段1内部不同的轴向和径向位置上布置有温度传感器。
所述升降系统包括与控制柜相连的机械升降装置8，通过预设升降高度和速率，调节升降系统电机转速，带动连杆机构运动，使交变加热系统上下移动，实验段1温度在径向动态变化。
所述实验段1可实现物料轴向和径向加热方式的动态调控。
所述实验段1内高温煅烧反应的气氛为二氧化碳气氛。
本发明还提供了一种利用所述固定床高温煅烧反应模拟实验装置的测试方法，包括：
1)实验段加热功率控制：
数据采集控制系统9读取实验内容设定的温度信息，调节交变加热系统的功率，使交变加热系统加热后二氧化碳的温度达到设定值；
2)升降控制：
通过升降系统控制交变加热系统的高度变化，使实验段1表面热流呈现非均匀分布；
3)实验段内部温度分布测量
通过数据采集系统9读取实验段1内不同的轴向和径向位置的温度数据，获得煅烧反应过程中温度的非均匀分布；
4)高温煅烧反应产物活性及产量测量
通过对实验前后实验段1的重量进行测量，换算出煅烧分解产物的生成量；通过将分解产物水化，并加入一定浓度的盐酸，根据一定时间下盐酸的消耗量，换算出产物的活性度。
本发明实验段的加热功率控制：通过对控制系统预设定每个加热炉的加热速率，调节加热炉流通电流，使实验段表面的热流随时间发生动态变化。
升降控制：通过对控制系统预设定升降高度和速率，调节加热炉升降系统电机转速，带动连杆机构运动，使加热炉上下移动。
实验段内部温度分布测量：根据数据采集系统读取实验段内不同的轴向位置温度传感器的读数，颗粒床内轴向的温度分布的不均匀性。
高温煅烧反应产物活性测量：通过对实验前后实验段的重量进行测量，可以换算出碳酸盐煅烧过程中碳酸盐的消耗量和产物生成量；将一定量的产物试样水化，同时用一定浓度的盐酸，将产物水化过程中产生的氢氧化物中和，准确记录恰好10min时盐酸的消耗量，以10min消耗盐酸的毫升数表示产物的活性度。
本发明能够在一个实验装置上，研究各种工况条件对二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧分解反应的影响规律，开展轴向/径向交变加热方式对反应强化的实验研究。
本发明实验装置加热温度最高可达1200K，可以对不同煅烧反应温度的碳酸盐进行研究，可以研究煅烧段表面热流在实验段轴向和径向随时间呈交变加热条件下碳酸盐的煅烧反应特性，同时可以研究煅烧段不同二氧化碳浓度条件下碳酸盐的煅烧反应特性。
与现有技术相比，本发明具体的有益效果是：
1、本发明一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，能够研究二氧化碳气氛下高温煅烧过程的反应特性，弥补现有研究仅针对空气气氛的不足；
2、本发明一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，最高温度可到1200K，拓宽了实验研究的范围，可以研究二氧化碳气氛下不同碳酸盐的高温煅烧反应特性。
3、本发明一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，可以研究加热速率、二氧化碳气氛压力、颗粒粒径、颗粒床孔隙率对高温煅烧反应过程影响。
4、本发明一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，可以研究颗粒床轴向、径向在交变加热方式的高温煅烧反应实验系统和实验方法。
5、本发明一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置及测试方法，所使用的循环工质为高温煅烧反应的产物，可以实现产物的资源化回收利用，绿色环保无污染。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是实验段交变加热系统的侧视图。
图3是实验段内温度传感器的安装位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例进一步说明本发明的实施方案：
参见图1，本发明的装置包括实验段1、包裹实验段的交变加热系统，升降系统以及数据采集控制系统9；
参见图1和图2，交变加热系统包括与控制柜相连的多个环形加热炉，图中选择6个，分别是加热炉一2、加热炉二3、加热炉三4、加热炉四5、加热炉五6、加热炉六7。各环形加热炉依次包裹实验段1但与实验段1之间存在径向的空间，该空间为各环形加热炉的升降空间。
升降系统包括与控制柜相连的机械升降装置8，通过预设升降高度和速率，调节升降系统电机转速，带动连杆机构运动，使各环形加热炉上下移动。
实验段1呈柱形，水平设置，为充满碳酸盐颗粒的床层结构，在其中进行颗粒床煅烧反应，参见图3，在实验段1的不同轴向与径向位置处安装一定数量与数据采集控制系统9相连的温度传感器。其中，温度传感器在实验段1的轴向上至少等间距布置5个，用于监测实验段内轴向温度分布；在实验段1的径向布置3个，分别位于实验段中线、靠近壁面位置和1/2半径位置。
本发明的测试方法如下：
1)实验段加热功率控制：
数据采集控制系统9通过读取实验内容设定的温度信息，通过控制柜调节每个加热炉2-7的功率，使交变加热系统加热后二氧化碳的温度达到设定值；
2)加热炉升降控制：
预设升降系统的升降高度和速率，调节升降系统电机转速，带动连杆机构运动，使加热炉上下移动，使实验段在加热炉中表面热流呈现非均匀分布。
3)实验段内部温度分布测量
通过数据采集系统9读取实验段1内不同的轴向和径向位置的温度传感器数据，获得煅烧反应过程中温度的非均匀分布；
4)高温煅烧反应产物活性及产量测量
通过对实验前后实验段1的重量进行测量，可以换算出碳酸盐煅烧分解产物的生成量；将一定量的产物试样水化，同时用一定浓度的盐酸，将产物水化过程中产生的氢氧化物中和，准确记录恰好10min时盐酸的消耗量，以10min消耗盐酸的毫升数表示产物的活性度。
参见图1，当需要对一定浓度二氧化碳气氛下碳酸盐颗粒进行高温煅烧反应性能测试时，在实验段组装阶段，根据试验测试内容，在实验段1内填充要求的碳酸盐颗粒，并在实验段1内不同径向和轴向布置一定数量的温度传感器，将实验段1与其余系统进行连接，确保各个接口无泄漏。
实验开始前，如图1所示，通过在实验段内充入一定浓度的二氧化碳，直至达到设定值；然后，通过调节加热系统的控制柜，调节加热炉一2到加热炉六7的功率在轴向动态变化(如方波或正弦波变化)，或者通过调节升降系统使煅烧段温度在径向动态变化，开始进行实验段1的煅烧反应特性测试。
当实验段1的反应物反应完全后，采用如需进行进一步的性能测试，可以通过调节实验段内二氧化碳的浓度和颗粒床结构，重复以上步骤，进行下一步的性能测试。
作为一个具体的实施例，实验段1交变加热系统在运行时，先控制加热炉一2、加热炉三4和加热炉五6处于较高温度，而加热炉二3、加热炉四5和加热炉六7处于较低温度，持续一段时间后，控制加热炉一2、加热炉三4和加热炉五6处于较低温度，而加热炉二3、加热炉四5和加热炉六7处于较高温度，如此循环往复，实现实验段温度的轴向方波变化。
作为另一个具体的实施例，实验段交变加热系统在运行时，控制从加热炉一2到加热炉六7的温度呈先增高后降低的正弦变化，持续一段时间后，控制从加热炉一2到加热炉六7的温度呈先降低后增高的正弦变化，如此循环往复，实现实验段温度的轴向正弦变化。
作为另一个具体的实施例，实验段交变加热系统在运行时，控制升降系统，实现加热炉向上偏心移动一定的距离d，在此状态下稳定一段时间后，调节升降系统下降2d的距离，再稳定一段时间，如此循环往复，实现实验段温度的径向方波变化。
作为另一个具体的实施例，实验段交变加热系统在运行时，控制加热炉升降系统，实现加热炉上下往复运动，呈正弦曲线移动，如此循环往复，实现实验段温度的径向正弦变化。

Claims (9)

1.一种固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，包括：
实验段(1)，呈柱形，水平设置，在其中进行颗粒床煅烧反应；
交变加热系统，包裹实验段(1)但与实验段(1)之间存在径向的空间，对实验段(1)进行交变加热；
升降系统，控制交变加热系统的高度变化，使实验段(1)表面热流呈现非均匀分布；
数据采集控制系统(9)，采集所述实验段(1)内不同的轴向和径向位置的温度数据，获得煅烧反应过程中温度的非均匀分布。
2.根据权利要求1所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述交变加热系统包括与控制柜相连的多个环形加热炉，各环形加热炉依次包裹实验段(1)但与实验段(1)之间存在径向的空间，所述的交变加热是调节各加热炉的功率在轴向动态变化实现的。
3.根据权利要求2所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述轴向动态变化为：按安装顺序，各环形加热炉的功率呈方波或正弦波变化。
4.根据权利要求2所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述轴向动态变化为：通过预设每个加热炉的加热速率，调节加热炉流通电流，使实验段(1)表面的热流随时间发生动态变化。
5.根据权利要求2所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述实验段(1)内部不同的轴向和径向位置上布置有温度传感器。
6.根据权利要求1所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述升降系统包括与控制柜相连的机械升降装置(8)，通过预设升降高度和速率，调节升降系统电机转速，带动连杆机构运动，使交变加热系统上下移动，实验段(1)温度在径向动态变化。
7.根据权利要求1所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述实验段(1)为充满碳酸盐颗粒的床层结构，可实现物料轴向和径向加热方式的动态调控。
8.根据权利要求1所述固定床高温煅烧反应的模拟实验装置，其特征在于，所述实验段(1)内高温煅烧反应的气氛为二氧化碳气氛。
9.一种基于权利要求l-8中任意一项所述固定床高温煅烧反应模拟实验装置的测试方法，其特征在于，包括：
1)实验段加热功率控制：
数据采集控制系统(9)读取实验内容设定的温度信息，调节交变加热系统的功率，使交变加热系统加热后二氧化碳的温度达到设定值；
2)升降控制：
通过升降系统控制交变加热系统的高度变化，使实验段(1)表面热流呈现非均匀分布；
3)实验段内部温度分布测量
通过数据采集系统(9)读取实验段(1)内不同的轴向和径向位置的温度数据，获得煅烧反应过程中温度的非均匀分布；
4)高温煅烧反应产物活性及产量测量
通过对实验前后实验段(1)的重量进行测量，换算出煅烧分解产物的生成量；通过将分解产物水化，并加入一定浓度的盐酸，根据一定时间下盐酸的消耗量，换算出产物的活性度。
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