CN109696515A - 立式双室焦炭活化能测定仪 - Google Patents

Abstract

立式双筒焦炭活化能测定仪，包括电炉，连通管，双室瓶和排烟管，排烟管安装手动截止阀和测氧盒，连通管呈H形，由钢管加工而成且呈倾倒90°布置，双室瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间螺纹密封连接，瓶盖开设和排烟管底端螺纹密封连接的竖直管接口，双室瓶上内腔空间为燃烧室，下内腔为储氧室，燃烧室侧壁底部开设和连通管垂直支管左边的上水平支管底端卡套式密封连接的水平管接口，储氧室侧壁顶部开设和下水平支管底端卡套式密封连接的水平管接口，两水平支管穿过电炉侧壁，排烟管穿过电炉炉盖。燃烧实验教学、科研和工业生产等温度高于自燃点焦炭活化能测定场合，可使用本发明。本发明测试精度提高10％。

Description

立式双室焦炭活化能测定仪

技术领域

本发明涉及一种焦炭活化能测定装置，尤其涉及一种适合于燃料燃烧教学、科研或工业生产使用的立式双室焦炭活化能测定仪。

背景技术

煤炭资源数量大、种类多、分布广，也是我国使用最多的固体燃料。煤燃烧特性主要是由焦炭燃烧决定。焦炭质量在煤可燃质总质量占比达到55～97％，焦炭发热量在煤发热量占比达到60～95％，焦炭燃烧时间在煤燃烧总时间占比达到90％，研究焦炭燃烧对研究煤炭燃烧有很大意义。活化能是焦炭燃烧利用重要动力学参数之一。测定燃料活化能，可以改善煤炭在燃烧、化工及精制催化等应用效果，从而提高燃料利用率。

传统活化能测定仪，依托于普适积分法和Kissinger法,测试操作复杂，数据处理量大(30种机理函数选一)，数据易受外界影响，因为燃料特性不同而使测试误差较大。专利CN104122295A公布了一种基于多重扫描速率法的活化能测定仪，将煤炭和氧气置于同一室，氧气加热升温、煤炭干馏、焦炭加热升温和焦炭燃烧过程同时进行，存在释放CO气体和反应不完全等缺点。CN204630963U公布了一种基于F-K自燃着火理论的自燃物质活化能测定仪，将固体燃料堆积在一起，存在与空气接触不充分，受热不均和释放中间可燃气体等缺点。CN103926378A公布了一种基于阿累尼乌斯定律的活化能测定仪，将溶液试剂进行水浴加热后再和氧气混合使反应进行，存在只适用于液体且反应时间长等缺点。

开发燃料活化能测定仪新装置，可节约燃料活化能测定成本、易于操作和推进燃料活化能测定技术工业应用，促进资源节约和环境保护。

发明内容

为了克服现有的燃料活化能测定设备昂贵、操作复杂、易受外界环境干扰和后期数据处理计算量大等缺点，本发明提供一种具有“储氧室和燃烧室分开”结构特点，“氧气加热、焦炭加热和焦炭-氧气燃烧等三过程独立调控”技术特点，“结构简单、精度高、易于操作、计算量小和造价低”技术优势，适合于焦炭着火点温度以上使用的立式双室焦炭活化能测定仪。

立式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉，连通管，双室瓶和排烟管，排烟管沿烟气流动方向依次安装手动截止阀和测氧盒，双室瓶呈立式结构，正立放置，上下两内腔不连通，上部内腔为燃烧室，下部内腔为储氧室，双室瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间密封螺纹连接，瓶盖开设一个竖直管接口，该竖直管接口和排烟管底端螺纹密封连接，连通管为倾倒90°布置的H形钢管，连通管垂直支管右边的上水平支管安装手动截止阀，上水平支管右端和氮气瓶出口管道密封连接，垂直支管上安装手动截止阀，垂直支管右边的下水平支管安装手动截止阀，下水平支管右端和氧气瓶出口管道密封连接，储氧室侧壁顶部开设一个水平管接口，该水平管接口和连通管垂直支管左边的下水平支管左端卡套式密封连接，燃烧室侧壁底部开设一个水平管接口，该水平管接口和连通管垂直支管左边的上水平支管左端卡套式密封连接，电炉包括炉盖，炉盖预留一个进出孔供排烟管穿过炉盖，炉体侧壁预留上下两个进出孔分别供连通管垂直支管左边的上下两水平支管穿过。

燃烧实验教学，燃烧科学研究和工业生产等温度高于焦炭自燃点焦炭燃烧活化能测定场合，可以使用本发明。

本发明结构简单，误差小，易于操作，计算量小。焦炭活化能测定精度提高10％。

附图说明

图1为立式双室焦炭活化能测定仪竖直剖视图。图1中，1为电炉，11为炉盖，2为连通管，21、22和23均为手动截止阀，3为双室瓶，31为瓶盖，4为排烟管，41为手动截止阀，42为测氧盒。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

如附图1所示，立式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉1，连通管2，双室瓶3和排烟管4。排烟管4沿烟气流动方向依次安装手动截止阀41和测氧盒42。连通管2呈H形，由钢管加工而成且呈倾倒90°布置。连通管2包括竖直支管、位于竖直支管左边的上水平支管，位于竖直支管左边的下水平支管，位于竖直支管右边的上水平支管和位于竖直支管右边的下水平支管。连通管2垂直支管右边的上水平支管安装手动截止阀21，垂直支管右边的上水平支管右端和氮气瓶出口管道密封连接，垂直支管上安装手动截止阀22，垂直支管右边的下水平支管安装手动截止阀23，垂直支管右边的下水平支管右端和氧气瓶出口管道密封连接。双室瓶3呈立式结构，正立放置，上下两内腔不连通，上部内腔为燃烧室，下部内腔为储氧室，燃烧室侧壁底部开设一个水平管接口，该水平管接口和连通管2垂直支管左边的上水平支管左端卡套式密封连接，储氧室侧壁顶部开设一个水平管接口，该管接口和连通管2垂直支管左边的下水平支管左端卡套式密封连接。双室瓶3包括瓶盖31，瓶盖31和瓶筒之间密封螺纹连接。双室瓶3瓶盖31开设一个竖直管接口，该竖直管接口和排烟管4底端螺纹密封连接。电炉1包括炉盖11，炉盖11预留一个进出孔供排烟管4穿过炉盖，电炉1炉体侧壁预留上下两个进出孔分别供连通管2垂直支管左边的上下两水平支管穿过。

燃烧室侧壁底部开设的水平管接口中心轴线，储氧室侧壁顶部开设的水平管接口中心轴线，连通管2上水平支管中心轴线、垂直支管中心轴线及下水平支管中心轴线均在同一竖直平面上。

连通管2管道和手动截止阀21、手动截止阀22或手动截止阀23之间满焊连接，管道内气体不会泄漏到大气环境。排烟管4管道和手动截止阀41或测氧盒42之间满焊连接，管道内气体不会泄漏到大气环境。双室瓶3为钢质瓶，能耐高温高压。燃烧室和连通管2垂直支管左边的上水平支管底端之间卡套式密封连接，瓶盖31和排烟管4底端之间螺纹密封连接，燃烧室内高压氧气或高压氮气不会泄漏到电炉1内腔。储氧室和连通管2垂直支管左边的下水平支管底端之间卡套式密封连接，储氧室内高压氧气不会泄漏到电炉1内腔。

燃烧室内腔和储氧室内腔叠置呈立式双室瓶结构，正立布置，上下连成一体，可以增强结构稳定性。双室瓶结构较为常见，易于制造，方便本发明市场应用推广。储氧室侧壁顶部开设水平管接口，易于储氧室内氧气流出，提高储氧室空气有效利用效率。双室瓶3顶盖开设竖直管接口，储氧室侧壁底部开设水平管接口，空气(氮气)自底部向顶部流动顺畅，即易于氮气瓶氮气完全赶走燃烧室内滞留空气，和易于储氧室氧气完全赶走燃烧室内滞留氮气，改善了高温焦炭和高温氧气充分接触，也有效地控制焦炭燃烧所需的纯净氧气氛围条件。储氧室内腔容积是燃烧室内腔容积的1～1.5倍。双室瓶可以呈“日”字状，也可以呈上下不连通的葫芦状。

电炉1包括炉盖11，炉盖11可拆卸，炉盖11预留一个进出孔，供排烟管4穿过。电炉1炉体侧壁预留位于同一条竖直线上的上下两个进出孔，分别供连通管2垂直支管左边的上下两水平支管穿过。电炉1三个进出孔密封，避免电炉1内热空气泄漏到大气环境。电炉1自带热电偶检测到电炉1内腔温度，并通过电炉1自带温控器将电炉1温度控制在设定温度范围之内。

双室瓶3瓶盖31开设的竖直管接口承担空气排出、氮气排出和烟气排出等功能，燃烧室侧壁开设的水平管接口承担氧气进入与氮气进入等功能。储氧室侧壁开设的水平管接口承担氧气进入与氧气排出等功能。连通管2手动截止阀21、22及23开关组合，可以改变气流流动路径。

本发明使用包括装料，气体清理，加热升温和焦炭燃烧等四个阶段。

装料阶段包括：揭开电炉1炉盖11，将待测焦炭研磨成粉末，称取1g～10g焦炭粉置于燃烧室内，旋紧瓶盖31，合上炉盖11，将排烟管4穿过炉盖11预留进出孔，旋转排烟管4使其和瓶盖31的竖直接管口密封连接。连通管2垂直支管右边的上水平支管顶端和氮气瓶出口管道之间密封连接，下水平支管顶端和氧气瓶出口之间管道密封连接。连通管2倾倒90°后连通管2垂直支管左边上下两水平支管分别穿过电炉1侧壁上下两个预留进出孔。连通管2垂直支管左边的上水平支管底端和燃烧室侧壁底部水平管接口卡套式密封连接，连通管2垂直支管左边的下水平支管底端和储氧室侧壁顶部水平管接口卡套式密封连接。

气体清理阶段包括：关闭手动截止阀22，打开手动截止阀23，向储氧室内腔充注氧气，控制氧气瓶和储氧室表压力均达到0.4MPa，然后关闭手动截止阀23；依次打开手动截止阀41和21，向燃烧室内腔充注氮气，直至测氧盒42内烟气氧浓度传感器检测出氧浓度读数为零，表示已排尽燃烧室内原有空气，依次关闭手动截止阀41和21。

加热升温阶段包括：设置电炉1内腔空气温度T₁在700～800℃以上，通电加热使双室瓶3内燃烧室和储氧室温度升到T₁；待电炉1温度达到设定值T₁并保持5分钟内不再变化。

焦炭燃烧阶段包括：氧浓度传感器放置在测氧盒42内，并在线实时检测焦炭燃烧烟气氧浓度；依次打开手动截止阀41和22，储氧室内氧气通过连通管2垂直支管进入燃烧室内腔；充进的氧气温度高于焦炭自燃点，焦炭开始着火自燃，记录烟气氧浓度随时间变化而变化曲线。记下烟气氧浓度有数据的反应开始时刻和烟气氧浓度无变化的反应结束时刻，两时刻之间时间记为在燃烧温度T₁下焦炭燃烧时间τ₁。

关闭电炉1电源，等待电炉1温度恢复至常温后，拆去排烟管4，将瓶盖31打开，清洁燃烧室。第二次测试设置电炉1温度T₂，并满足T₂＝T₁+100℃，保持两次测试焦炭组成及质量、储氧室充气压力和实验操作顺序不变，重复上述测试步骤。烟气氧浓度有数据的反应开始时刻和烟气氧浓度无变化的反应结束时刻之间时间记为在燃烧温度T₂下焦炭燃烧时间τ₂。

根据阿累尼乌斯定律，焦炭燃烧活化能E计算式为：

Lnk＝-E/(RT)+Lnk₀

式中：R为普适气体常数，k为化学反应速度常数，k₀为频率因子。

燃烧温度T₁和T₂下，焦炭燃烧反应可得到一对方程组：

Lnk₁＝-E/(RT₁)+Lnk₀

Lnk₂＝-E/(RT₂)+Lnk₀

T₂＝T₁+100℃，解方程组可得：

E＝83.14T₁(T₁+100)Ln(k₂/k₁)

用烟气氧浓度开始有读数到烟气氧浓度无变化之间的时间τ表示燃烧反应时间。因为化学反应速度常数k与燃烧温度T有关，T越高则k越大、τ越短，τ₁/τ₂表示燃烧反应速度增加倍数。

焦炭燃烧活化能E计算式整理为：

E＝83.14T₁(T₁+100)Ln(τ₁/τ₂)J/mol

只需设置两个燃烧温度，并保证两次测试条件相同，记录两次燃烧时间即可整理出焦炭燃烧活化能。

发明结构创新、技术特征及带来的技术效果描述如下：

发明具有“储氧室与燃烧室分开”结构特征。相比于传统活化能测定仪将氧气-焦炭放置在同一个燃烧室内加热燃烧，用储氧室与燃烧室将氧气和焦炭分开加热既能够保证氧气和焦炭被加热到相同温度后再混合，又避免氧气与焦炭在加热阶段就发生氧化反应，产生一氧化碳气体，造成测试误差等问题，可以提高装置的可操作性和测定结果的准确性。

发明“储氧室与燃烧室分开”结构特征直接导致“氧气加热、焦炭加热和焦炭燃烧等三过程独立调控”技术特征。储氧室与燃烧室分开设置是这三个过程独立调控的前提。储氧室与燃烧室分开实现氧气和焦炭的分开加热。通过连通管2和手动截止阀21、22、23和41开关组合，将储氧室和燃烧室串联，实现氧气和焦炭接触混合。由于氧气和焦炭加热后的温度达到焦炭的燃点，在氧气和焦炭混合后能够实现氧气和焦炭混合物自动着火燃烧，无须额外点火器点燃，简化燃烧室31及电炉1炉盖11结构设计。用本发明测试煤炭燃烧活化能，则因煤炭加热干馏现象加大了测试误差。和传统活化能测定仪相比，本发明能避免焦炭未达到设定温度前接触氧气发生燃烧反应，产生CO气体，反应不完全而导致测试误差等问题。

本发明运行时，需要配备一台烟气氧浓度测定仪一起使用。使用烟气氧浓度测定仪时，氧浓度传感器放置在测氧盒42内。

上述结构特征和技术特征带来的综合效果是：本发明结构简单，易于操作，计算量小，解决传统活化能测定仪易受外界环境干扰、测定方法复杂和测定结果误差大等问题。本发明测量精度可比传统活化能测定仪提高10％。

Claims (1)

1.立式双室焦炭活化能测定仪，主要包括电炉，连通管，双室瓶和排烟管，其特征在于：排烟管沿烟气流动方向依次安装手动截止阀和测氧盒，双室瓶呈立式结构，正立放置，上下两内腔不连通，上部内腔为燃烧室，下部内腔为储氧室，双室瓶包括瓶盖，瓶盖和瓶筒之间密封螺纹连接，瓶盖开设一个竖直管接口，该竖直管接口和排烟管底端螺纹密封连接，连通管为倾倒90°布置的H形钢管，连通管垂直支管右边的上水平支管安装手动截止阀，上水平支管右端和氮气瓶出口管道密封连接，垂直支管上安装手动截止阀，垂直支管右边的下水平支管安装手动截止阀，下水平支管右端和氧气瓶出口管道密封连接，储氧室侧壁顶部开设一个水平管接口，该水平管接口和连通管垂直支管左边的下水平支管左端卡套式密封连接，燃烧室侧壁底部开设一个水平管接口，该水平管接口和连通管垂直支管左边的上水平支管左端卡套式密封连接，电炉包括炉盖，炉盖预留一个进出孔供排烟管穿过炉盖，炉体侧壁预留上下两个进出孔分别供连通管垂直支管左边的上下两水平支管穿过。