CN109507358B - 一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，包括颗粒床煅烧反应实验段、二氧化碳加热系统、二氧化碳冷却系统、除尘与动力系统以及数据采集控制系统。测试装置的加热温度最高可到1200K，拓宽了拓宽了实验研究的范围，可以研究二氧化碳流量、颗粒粒径、孔隙率、颗粒径向分布不均匀性对高温煅烧反应过程影响，同时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。

Description

一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置及 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，特别涉及一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的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散料床层温度不均匀和产物质量参差不齐的特点，解决散料床层中存在的反应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。竖窑具有热效率高、产量大等优点，成为一种具有广阔应用前景的散料煅烧设备。但其内部温度均匀性问题突出，需要通过相关的实验研究进行改进。

目前对于散料床层高温煅烧分解反应的研究主要及数值研究方面，但在研究过程中模型存在很大的简化，对揭示散料煅烧反应机理存在一定的影响。为此，亟需一个可用于散料床层高温煅烧反应特性测试的综合实验装置及测试方法。

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二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，能够研究二氧化碳气氛下二氧化碳流量、二氧化碳进口温度、颗粒粒径、颗粒床孔隙率、颗粒径向分布不均匀性对高温煅烧反应过程的影响及颗粒床压降与颗粒径向分布不均匀性的内在关联。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，包括：

实验段8，呈柱形，水平设置，在其中进行颗粒床煅烧反应；

二氧化碳加热系统，接实验段8的一端，对从该端进入实验段8的二氧化碳进行加热；

二氧化碳冷却系统11，接实验段8的另一端，对从该端出实验段8的二氧化碳进行冷却；

除尘与动力系统，接在二氧化碳冷却系统11和二氧化碳加热系统之间，对冷却后的二氧化碳除尘后，送入二氧化碳加热系统加热，形成循环；

数据采集控制系统15，采集反应过程中的环境参数数据。

所述实验段8内安装用以控制颗粒径向分布不均匀性的圆柱形金属丝网9。

所述实验段8内部不同的轴向位置和径向位置上布置有与数据采集控制系统15相连的温度传感器和压力传感器。

所述二氧化碳加热系统包括与实验段8一端连接的管道1以及包裹在管道1之外的与控制柜相连的多个环形加热炉。

所述管道1中设置有金属丝网16。

所述二氧化碳冷却系统11采用正六边型布置的H型翅片管换热器，二氧化碳流动方向与冷却水呈逆流布置，在换热器气侧和水侧的进口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统15相连的温度传感器。

所述除尘与动力系统包括布袋除尘器12、离心风机14和变频器13，在风机14的出口处安装有与数据采集控制系统15相连的流量传感器。

本发明以实验段8高温煅烧反应生成的二氧化碳为循环工质。

本发明还提供了一种基于所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置的测试方法，包括：

1)循环系统二氧化碳流量控制：

数据采集控制系统15通过读取流量计测量进入二氧化碳加热系统的二氧化碳流量信息，通过调节变频器13的示数，对循环系统中的二氧化碳流量进行调节，直至达到设定值；

2)实验段入口二氧化碳温度控制：

数据采集控制系统15通过读取二氧化碳加热系统前后的温度传感器测量进入加热系统前后的温度信息，通过控制柜调节二氧化碳加热系统的功率，使加热系统出口二氧化碳的温度达到设定值；

3)实验段内部温度分布测量

通过数据采集控制系统15读取实验段8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8的重量进行测量，换算出碳酸盐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；

5)颗粒床压降与颗粒径向分布不均匀性关系测定

通过读取实验段8前后的压力传感器测量进入实验段前后的压力信息，获得压降与实验段内颗粒床非均匀分布的关系。

本发明二氧化碳循环系统流量控制：二氧化碳流量设定值根据设定的工况得到，当气体流量达不到设定值时，调节变频器，增加风机的功率。

实验段入口二氧化碳温度控制：通过控制柜对每个加热炉的功率分别进行控制，使沿流动方向每个加热炉的功率逐渐升高，实现快速预热的作用，再精细调节使加热系统出口二氧化碳的温度达到设定值；为了保证加热系统出口温度的均匀性，在加热系统的管道内添加金属丝网。

实验段内部温度分布测量：根据数据采集控制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，等效为垂直活塞流移动床内颗粒运动过程中的温度变化；根据数据采集控制系统读取的径向温度传感器的数据，获得径向温度分布的不均匀性。

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。

颗粒床压降与颗粒径向分布不均匀性关系测定：通过数据采集控制系统，获得实验段前后的压力信息，获得实验段的压降；通过调节实验段内圆柱形金属丝网内外颗粒的直径，多次试验，获得压降与实验段内颗粒床分布的关系。

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，开展不同颗粒床孔隙率和颗粒非均匀分布对反应强化的实验研究。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的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、本发明一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的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、本发明一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置及测试方法，可以研究二氧化碳流量、二氧化碳进口温度、颗粒粒径、颗粒床孔隙率、颗粒径向分布不均匀性对高温煅烧反应过程影响。

4、本发明一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的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是实验段内径向温度传感器的安装位置。

图3是二氧化碳加热系统中管道内金属丝网示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

参见图1，本发明的装置包括实验段8、与实验段8相连的二氧化碳加热系统、二氧化碳冷却系统11、除尘与动力系统以及数据采集控制系统15。

参见图1和图2，实验段8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。实验段8内部不同的轴向位置和径向位置上布置有与数据采集控制系统15相连的温度传感器和压力传感器，其中，温度传感器在实验段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；在实验段的径向布置3个温度传感器，分别位于实验段中线、靠近壁面位置和1/2半径位置，温度传感器具体可以安装在在各段的法兰10连接处，同时在实验段8内安装还可以控制颗粒径向分布不均匀的圆柱形金属丝网9。

参见图3，二氧化碳加热系统，包括与实验段8一端连接的管道1以及包裹在管道1之外的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。管道1中可以设置金属丝网16。二氧化碳加热系统对从该端进入实验段8的二氧化碳进行加热，在加热系统的进出口管路上安装有与数据采集控制系统15相连的温度传感器。

二氧化碳冷却系统11，接实验段8的另一端，采用正六边型布置的H型翅片管换热器，二氧化碳流动方向与冷却水呈逆流布置，在换热器气侧和水侧的进口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统15相连的温度传感器。二氧化碳冷却系统11对从该端出实验段8的二氧化碳进行冷却。

除尘与动力系统，接在二氧化碳冷却系统11和二氧化碳加热系统之间，包括布袋除尘器12、离心风机14和变频器13，在风机14的出口处安装有与数据采集控制系统15相连的流量传感器。除尘与动力系统对冷却后的二氧化碳除尘后，送入二氧化碳加热系统加热，形成循环。

数据采集控制系统15，采集反应过程中的环境参数数据，包括实验段8内部不同的轴向位置和径向位置上的温度和压力数据，二氧化碳加热系统进出口处的温度数据，二氧化碳冷却系统11气侧和水侧进出口处的温度数据以及风机14的流量数据。

本发明以实验段8高温煅烧反应生成的二氧化碳为循环工质，测试方法如下：

1)循环系统二氧化碳流量控制：

数据采集控制系统15通过读取流量计测量进入二氧化碳加热系统的二氧化碳循流量信息，通过调节变频器13的示数，改变风机14的流量，对循环系统中的二氧化碳流量进行调节；当气体流量达不到设定值时，调大变频器13的读数，增加风机14的功率。

2)实验段入口二氧化碳温度控制：

数据采集控制系统15通过读取二氧化碳加热系统前后的温度传感器测量进入加热系统前后的温度信息，过控制柜对每个加热炉的功率分别进行控制，使沿流动方向每个加热炉的功率逐渐升高，实现快速预热的作用，再精细调节使加热系统出口二氧化碳的温度达到设定值；为了保证加热系统出口温度的均匀性，在加热系统的管道1内添加金属丝网16。

通过数据采集控制系统15读取实验段8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的非均匀温度分布；通过对实验前后实验段8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；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。数据采集控制系统15通过读取实验段8前后的压力传感器测量进入实验段前后的压力信息，获得压降与实验段8内颗粒床分布的关系。

参见图1，当需要对均匀颗粒直径的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8内填充单一粒径颗粒，并在实验段内布置一定数量的温度传感器，将实验段8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，通过打开风机14电源，调节变频器13的读数，使二氧化碳进行循环流动，获得二氧化碳的初始流量和速度；

当二氧化碳的流量稳定后，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的功率逐渐增加，使加热系统出口二氧化碳的温度达到碳酸盐的煅烧反应温度，开始进行实验段8的煅烧反应特性测试。

当实验段的反应物反应完全后，关闭变频器13和风机14的电源；如需进行进一步的性能测试，可以通过更换填充不同粒径颗粒的实验段，调整二氧化碳的流量达到设定值，重复以上步骤，进行下一步的性能测试。

当需要对非均匀分布的颗粒床层实验段8进行煅烧反应特性测试时，在实验段8的组装阶段，根据实验测试内容，在实验段8内圆柱形金属丝网9的两侧分别填充不同粒径的颗粒，将实验段8与其他部分相连，确保各个方向无泄漏。具体地，可在圆柱形金属丝网9内部填充粒径较小的颗粒，在圆柱形金属丝网9与实验段8的环形通道内填充粒径较大的颗粒。

通过对装有不同碳酸盐颗粒、不同颗粒直径、不同孔隙率或不同颗粒分布的实验段在不同二氧化碳流量下的煅烧反应特性测试，可以评价不同工况及结构参数下碳酸盐的高温煅烧反应特性。

Claims (6)

1.一种二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，包括：

实验段（8），呈柱形，水平设置，在其中进行颗粒床煅烧反应，实验段（8）内安装用以控制颗粒径向分布不均匀性的圆柱形金属丝网（9）；

二氧化碳加热系统，包括与实验段（8）一端连接的管道（1）以及包裹在管道（1）之外的与控制柜相连的多个环形加热炉，二氧化碳加热系统接实验段（8）的一端，对从该端进入实验段（8）的二氧化碳进行加热，其中，通过控制柜对每个加热炉的功率分别进行控制，使沿流动方向每个加热炉的功率逐渐升高，实现快速预热的作用，再精细调节使二氧化碳加热系统出口二氧化碳的温度达到设定值；

二氧化碳冷却系统（11），接实验段（8）的另一端，对从该端出实验段（8）的二氧化碳进行冷却；

除尘与动力系统，接在二氧化碳冷却系统（11）和二氧化碳加热系统之间，对冷却后的二氧化碳除尘后，送入二氧化碳加热系统加热，形成循环；

温度传感器和压力传感器，布置于实验段（8）内部不同的轴向位置和径向位置上；

数据采集控制系统（15），与所述温度传感器和压力传感器相连，采集反应过程中的环境参数数据，根据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，等效为垂直活塞流移动床内颗粒运动过程中的温度变化；根据径向温度传感器的数据，获得径向温度分布的不均匀性；通过数据采集控制系统（15）获得实验段前后的压力信息，获得实验段的压降；通过调节实验段内圆柱形金属丝网（9）内外颗粒的直径，多次试验，获得压降与实验段内颗粒床分布的关系；通过对实验前后实验段的重量进行测量，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10 min时盐酸的消耗量，以10 min消耗盐酸的毫升数表示产物的活性度，获得高温煅烧反应产物活性及产量。

2.根据权利要求1所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述管道（1）中设置有金属丝网（16）。

3.根据权利要求1所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述二氧化碳冷却系统（11）采用正六边型布置的H型翅片管换热器，二氧化碳流动方向与冷却水呈逆流布置，在换热器气侧和水侧的进口及出口管路上分别安装有与数据采集控制系统（15）相连的温度传感器。

4.根据权利要求1所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，所述除尘与动力系统包括布袋除尘器（12）、离心风机（14）和变频器（13），在所述离心风机（14）的出口处安装有与数据采集控制系统（15）相连的流量传感器。

5.根据权利要求1所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置，其特征在于，以实验段（8）高温煅烧反应生成的二氧化碳为循环工质。

6.一种基于权利要求l-5中任意一项所述二氧化碳气氛下碳酸盐高温煅烧反应特性的实验装置的测试方法，其特征在于，包括：

1）循环系统二氧化碳流量控制：

数据采集控制系统（15）通过读取流量计测量进入二氧化碳加热系统的二氧化碳流量信息，通过调节变频器（13）的示数，对循环系统中的二氧化碳流量进行调节，直至达到设定值；

2）实验段入口二氧化碳温度控制：

数据采集控制系统（15）通过读取温度传感器测量进入加热系统前后的温度信息，通过控制柜调节二氧化碳加热系统的功率，使加热系统出口二氧化碳的温度达到设定值；

3）实验段内部温度分布测量

通过数据采集控制系统（15）读取实验段（8）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（8）的重量进行测量，换算出碳酸盐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；

5）颗粒床压降与颗粒径向分布不均匀性关系测定

通过读取实验段（8）前后的压力传感器测量进入实验段前后的压力信息，获得压降与实验段内颗粒床非均匀分布的关系。

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