CN109870539A - 单颗粒反应测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单颗粒反应测量装置及测量方法，该测量装置包括管式炉、气体预热装置、气体测量装置、温度测量装置、图像拍摄装置和数据处理单元，所述管式炉具有燃烧通道，所述气体预热装置与所述燃烧通道的入口相连通，所述气体测量装置与所述燃烧通道的出口相连通，所述温度测量装置伸入至所述燃烧通道内，所述温度测量装置位于所述燃烧通道内的部分能托住样品颗粒并测量所述样品颗粒的温度，所述图像拍摄装置位于所述管式炉的外部，所述图像拍摄装置能拍摄所述样品颗粒的火焰，所述气体测量装置、温度测量装置和图像拍摄装置与所述数据处理单元相连接。本装置需要的样品量少，采集数据全面，测量精度较高，且易于实现数据的自动采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种单颗粒反应测量装置。
本发明还涉及一种单颗粒反应测量方法。
背景技术
燃料在常温条件下，接触氧化剂仅进行缓慢氧化而不能发生着火及燃烧过程。提高氧化剂温度至某一特定数值后，燃料和氧化剂会快速燃烧，这两种状态的变化瞬间被称为着火。
常用管式炉只能从反应气体成分分析燃料燃烧过程，难以同时采集颗粒内部温度及燃烧图像信息。因此，本发明设计了克服上述不足的基于管式炉的单颗粒反应测量装置及测量方法，且本发明可同时观察及分析不同气氛下，不同反应物料的反应特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的常用管式炉难以同时采集颗粒内部温度及燃烧图像信息的缺陷，而提供一种单颗粒反应测量装置及测量方法。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种单颗粒反应测量装置，包括管式炉、气体预热装置、气体测量装置、温度测量装置、图像拍摄装置和数据处理单元，所述管式炉具有燃烧通道，所述气体预热装置与所述燃烧通道的入口相连通，所述气体测量装置与所述燃烧通道的出口相连通，所述温度测量装置伸入至所述燃烧通道内，所述温度测量装置位于所述燃烧通道内的部分能托住样品颗粒并测量所述样品颗粒的温度，所述图像拍摄装置位于所述管式炉的外部，所述图像拍摄装置能拍摄所述样品颗粒的火焰，所述气体测量装置、温度测量装置和图像拍摄装置与所述数据处理单元相连接。
在本技术方案中，通过气体测量装置、温度测量装置和图像拍摄装置，将测量或拍摄到的数据信息发送给数据处理单元，数据处理单元对数据信息进行分析，采集数据全面，测量精度高，需要的样品量少，且易于实现数据的自动采集。
较佳地，所述管式炉的周面上设有法兰安装孔，所述温度测量装置包括法兰和固定于所述法兰的中间的热电偶，所述法兰可拆卸安装于所述法兰安装孔中，所述热电偶的测量端位于所述燃烧通道内并能托住所述样品颗粒。
在本技术方案中，热电偶的测量端位于燃烧通道内并能托住样品颗粒，热电偶直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测的样品颗粒的温度。
较佳地，所述管式炉的周面上还设有第一观察窗、第二观察窗，所述第一观察窗的外部设有光源，所述光源通过所述第一观察窗照射于所述样品颗粒，所述图像拍摄装置位于所述第二观察窗的外部，所述图像拍摄装置通过所述第二观察窗拍摄所述样品颗粒。
在本技术方案中，图像拍摄装置通过第二观察窗拍摄样品颗粒，光源通过第一观察窗照射样品颗粒，为样品颗粒的拍摄提供了亮度。
较佳地，所述单颗粒反应测量装置包括位于所述燃烧通道内的气体整流器，所述气体整流器位于所述气体预热装置与所述温度测量装置之间。
在本技术方案中，气体整流器用于对从气体预热装置出来的助燃气体进行整流，使助燃气体保持稳定。
较佳地，所述气体测量装置与所述燃烧通道的出口之间设有气体冷却装置。
在本技术方案中，气体冷却装置用于将反应后的气体冷却至合适的温度，使气体测量装置能检测反应后的气体。
较佳地，所述气体冷却装置包括冷却管和包围所述冷却管的冷却箱，所述冷却管的入口与所述燃烧通道的出口相连通，所述冷却管的出口与所述气体测量装置相连通，所述冷却箱具有进入冷却水的冷却水入口和排出冷却水的冷却水出口。
在本技术方案中，冷却水从冷却水入口进入冷却箱，并与冷却管内的气体进行热交换，冷却管内的气体降温后再流入气体测量装置，冷却箱内的经过热交换的冷却水从冷却水出口排出冷却箱。
较佳地，所述冷却管的出口还与排气管相连通，所述排气管远离所述冷却管的一端与气体处理装置相连通。
在本技术方案中，经冷却的气体一部分进入气体测量装置并用于气体成分的分析，剩余的气体经气体处理装置处理后排出至外部。
本发明还提供一种单颗粒反应测量方法，所述测量方法所适用的装置为上述单颗粒反应测量装置，所述测量方法包括以下步骤：
将待燃烧的样品颗粒放在所述温度测量装置上，并将所述温度测量装置安装在所述管式炉上，使所述样品颗粒位于所述燃烧通道内；
确认所述样品颗粒位于所述图像拍摄装置的拍摄范围内；
确保所述气体预热装置、气体测量装置、温度测量装置、图像拍摄装置和数据处理单元均处于工作状态，控制所述气体预热装置至指定温度；
通过所述气体预热装置向所述燃烧通道内通入助燃气体，调整所述燃烧通道内的助燃气体的压力至预定范围内；
所述助燃气体与待燃烧的所述样品颗粒接触，使所述样品颗粒燃烧；
所述气体测量装置测量所述燃烧通道的出口流出的气体的成分，并将测得的气体成分数据发送给所述数据处理单元；
所述温度测量装置测量所述样品颗粒的温度，并将测得的温度数据发送给所述数据处理单元；
所述图像拍摄装置拍摄所述样品颗粒的火焰，并将拍得的火焰图案发送给所述数据处理单元。
在本技术方案中，通过上述单颗粒反应测量方法，在样品颗粒燃烧时，气体成分分析、温度测量和火焰图像拍摄同时进行，采集数据全面，测量精度高，需要的样品量少，且易于实现数据的自动采集。
较佳地，所述温度测量装置包括热电偶，
将待燃烧的所述样品颗粒放在所述温度测量装置位于所述燃烧通道内的部分，包括：将所述样品颗粒打孔，将所述样品颗粒固定于所述热电偶的测量端。
在本技术方案中，热电偶的测量端位于燃烧通道内并能托住样品颗粒，热电偶直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测的样品颗粒的温度。
较佳地，所述图像拍摄装置拍摄所述样品颗粒的火焰，并将拍得的火焰图案发送给所述数据处理单元；包括：
所述数据处理单元将接收到的所述火焰图案使用单色法处理，求得火焰的温度。
在本技术方案中，数据处理单元可通过对火焰图案的处理，求得火焰的温度。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
该单颗粒反应测量装置及测量方法，克服了传统单颗粒燃烧数据采集单一的缺点，可同时进行图像、光谱、温度和反应气成分的分析；本装置需要的样品量少，采集数据全面，测量精度较高，且易于实现数据的自动采集。
附图说明
图1为本发明单颗粒反应测量装置的结构示意图。
图2为图1所示的单颗粒反应测量装置的局部放大图。
附图标记说明
管式炉1
燃烧通道11
第一观察窗12
第二观察窗13
气体预热装置2
气体测量装置3
温度测量装置4
热电偶41
图像拍摄装置5
光源6
气体整流器7
气体冷却装置8
冷却管81
冷却箱82
冷却水入口821
冷却水出口822
排气管9
数据处理单元10
样品颗粒100
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1至图2所示为本发明单颗粒反应测量装置的实施例。该单颗粒反应测量装置包括管式炉1、气体预热装置2、气体测量装置3、温度测量装置4、图像拍摄装置5和数据处理单元10，管式炉1具有燃烧通道11，气体预热装置2与燃烧通道11的入口相连通，气体测量装置3与燃烧通道11的出口相连通，温度测量装置4伸入至燃烧通道11内，温度测量装置4位于燃烧通道11内的部分能托住样品颗粒100并测量样品颗粒100的温度，图像拍摄装置5位于管式炉1的外部，图像拍摄装置5能拍摄样品颗粒100的火焰，气体测量装置3、温度测量装置4和图像拍摄装置5与数据处理单元10相连接。气体测量装置3可对反应后的气体进行成分分析，温度测量装置4可对样品颗粒100的温度进行实时测量，而图像拍摄装置5可对样品颗粒100的火焰进行图像拍摄。上述气体测量装置3、温度测量装置4和图像拍摄装置5，将测量或拍摄到的数据信息发送给数据处理单元10，数据处理单元10对数据信息进行分析。上述单颗粒反应测量装置，气体成分分析、温度测量和火焰图像拍摄同时进行，采集数据全面，测量精度高，需要的样品量少，且易于实现数据的自动采集。
管式炉1的周面上设有法兰安装孔。温度测量装置4的一种具体结构如图1所示，包括法兰和固定于法兰的中间的热电偶41，法兰可拆卸安装于法兰安装孔中，热电偶41的测量端位于燃烧通道11内并能托住样品颗粒100。热电偶41直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测的样品颗粒100的温度。
如图2所示，管式炉1的周面上还设有第一观察窗12、第二观察窗13，第一观察窗12的外部设有光源6，光源6通过第一观察窗12照射于样品颗粒100，图像拍摄装置5位于第二观察窗13的外部，图像拍摄装置5通过第二观察窗13拍摄样品颗粒100。其中，图像拍摄装置5为光谱仪、高光谱相机或CCD相机。当使用CCD相机作为图像拍摄装置5时，可配合滤光片使用，CCD相机与滤光片相结合可以针对特定波长自由基的二维分布进行检测。当使用光谱仪作为图像拍摄装置5时，光谱仪可以检测紫外、可见、近红外和红外波段光谱，广泛应用于一维自由基辐射分布检测。高光谱成像系统可以获得火焰各个位置的自由基辐射特征，工作波长范围一般为380～800nm之间。
如图1所示，单颗粒反应测量装置包括位于燃烧通道11内的气体整流器7，气体整流器7位于气体预热装置2与温度测量装置4之间。气体整流器7用于对从气体预热装置2出来的助燃气体进行整流，使助燃气体保持稳定。
如图1所示，气体测量装置3与燃烧通道11的出口之间设有气体冷却装置8。气体冷却装置8用于将反应后的气体冷却至合适的温度，使气体测量装置3能检测反应后的气体。
气体冷却装置8的一种具体的结构如下。气体冷却装置8包括冷却管81和包围冷却管81的冷却箱82，冷却管81的入口与燃烧通道11的出口相连通，冷却管81的出口与气体测量装置3相连通，冷却箱82具有进入冷却水的冷却水入口821和排出冷却水的冷却水出口822。冷却水从冷却水入口821进入冷却箱82，并与冷却管81内的气体进行热交换，冷却管81内的气体降温后再流入气体测量装置3。冷却箱82内的经过热交换的冷却水从冷却水出口822排出冷却箱82。
如图1所示，冷却管81的出口还与排气管9相连通，排气管9远离冷却管81的一端与气体处理装置相连通。经冷却的气体一部分进入气体测量装置3并用于气体成分的分析，剩余的气体经气体处理装置处理后排出至外部。
如图1所示，气体测量装置3可为质谱仪。质谱仪根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成。
本发明还提供一种单颗粒反应测量方法，该测量方法所适用的装置为上述单颗粒反应测量装置，该测量方法包括以下步骤：
将待燃烧的样品颗粒100放在温度测量装置4上，并将温度测量装置4安装在管式炉1上，使样品颗粒100位于燃烧通道11内；具体而言，将样品颗粒100打孔，将样品颗粒100固定于热电偶41的测量端；
确认样品颗粒100位于图像拍摄装置5的拍摄范围内；
确保气体预热装置2、气体测量装置3、温度测量装置4、图像拍摄装置5和数据处理单元10均处于工作状态，控制气体预热装置2至指定温度；其中，指定温度的范围为800℃～1500℃；
通过气体预热装置2向燃烧通道11内通入助燃气体，调整燃烧通道11内的助燃气体的压力至预定范围内；其中，助燃气体为空气、CO、H2、O2、N2、CO2、H2O及其混合气体等，指定压力的范围为常压；
助燃气体与待燃烧的样品颗粒100接触，使样品颗粒100燃烧；
气体测量装置3测量燃烧通道11的出口流出的气体的成分，并将测得的气体成分数据发送给数据处理单元10；
温度测量装置4测量样品颗粒100的温度，并将测得的温度数据发送给数据处理单元10；
图像拍摄装置5拍摄样品颗粒100的火焰，并将拍得的火焰图案发送给数据处理单元10，数据处理单元10将接收到的火焰图案使用单色法处理，求得火焰的温度。
上述助燃气体的选择取决于被测的样品颗粒，使用O2、N2、CO2、H2O气体成分的助燃气体，可以获得不同O2、CO2、H2O(0～100％)含量下颗粒反应特性；使用CO、H2、CO2气体成分的助燃气体，可以获得还原性条件下颗粒反应特性。
通过上述单颗粒反应测量方法，在样品颗粒100燃烧时，气体成分分析、温度测量和火焰图像拍摄同时进行，采集数据全面，测量精度高，需要的样品量少，且易于实现数据的自动采集。
以原煤样品为例，应用本发明单颗粒反应测量装置，采集火焰图像、颗粒温度及气体成分数据。首先将原煤样品打磨成边长为2cm的立方体，打孔插入热电偶41的测量端，将热电偶41插入管式炉1内并固定。通入助燃气体以200K/S速度预加热至900℃，经气体整流器7后与原煤样品反应，原煤样品着火及燃烧过程由CCD相机拍摄，对应时刻的样品颗粒100的内部温度由热电偶41记录，反应后气体经冷却后一部分通入质谱仪检测成分，其余进行后续处理。
本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单颗粒反应测量装置，其特征在于：包括管式炉、气体预热装置、气体测量装置、温度测量装置、图像拍摄装置和数据处理单元，所述管式炉具有燃烧通道，所述气体预热装置与所述燃烧通道的入口相连通，所述气体测量装置与所述燃烧通道的出口相连通，所述温度测量装置伸入至所述燃烧通道内，所述温度测量装置位于所述燃烧通道内的部分能托住样品颗粒并测量所述样品颗粒的温度，所述图像拍摄装置位于所述管式炉的外部，所述图像拍摄装置能拍摄所述样品颗粒的火焰，所述气体测量装置、温度测量装置和图像拍摄装置与所述数据处理单元相连接。
2.如权利要求1所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述管式炉的周面上设有法兰安装孔，所述温度测量装置包括法兰和固定于所述法兰的中间的热电偶，所述法兰可拆卸安装于所述法兰安装孔中，所述热电偶的测量端位于所述燃烧通道内并能托住所述样品颗粒。
3.如权利要求1所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述管式炉的周面上还设有第一观察窗、第二观察窗，所述第一观察窗的外部设有光源，所述光源通过所述第一观察窗照射于所述样品颗粒，所述图像拍摄装置位于所述第二观察窗的外部，所述图像拍摄装置通过所述第二观察窗拍摄所述样品颗粒。
4.如权利要求1所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述单颗粒反应测量装置包括位于所述燃烧通道内的气体整流器，所述气体整流器位于所述气体预热装置与所述温度测量装置之间。
5.如权利要求1所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述气体测量装置与所述燃烧通道的出口之间设有气体冷却装置。
6.如权利要求5所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述气体冷却装置包括冷却管和包围所述冷却管的冷却箱，所述冷却管的入口与所述燃烧通道的出口相连通，所述冷却管的出口与所述气体测量装置相连通，所述冷却箱具有进入冷却水的冷却水入口和排出冷却水的冷却水出口。
7.如权利要求6所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于：所述冷却管的出口还与排气管相连通，所述排气管远离所述冷却管的一端与气体处理装置相连通。
8.一种单颗粒反应测量方法，所述测量方法所适用的装置为权利要求1至7任一项所述的单颗粒反应测量装置，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
将待燃烧的样品颗粒放在所述温度测量装置上，并将所述温度测量装置安装在所述管式炉上，使所述样品颗粒位于所述燃烧通道内；
确认所述样品颗粒位于所述图像拍摄装置的拍摄范围内；
确保所述气体预热装置、气体测量装置、温度测量装置、图像拍摄装置和数据处理单元均处于工作状态，控制所述气体预热装置至指定温度；
通过所述气体预热装置向所述燃烧通道内通入助燃气体，调整所述燃烧通道内的助燃气体的压力至预定范围内；
所述助燃气体与待燃烧的所述样品颗粒接触，使所述样品颗粒燃烧；
所述气体测量装置测量所述燃烧通道的出口流出的气体的成分，并将测得的气体成分数据发送给所述数据处理单元；
所述温度测量装置测量所述样品颗粒的温度，并将测得的温度数据发送给所述数据处理单元；
所述图像拍摄装置拍摄所述样品颗粒的火焰，并将拍得的火焰图案发送给所述数据处理单元。
9.如权利要求8所述的单颗粒反应测量方法，其特征在于，所述温度测量装置包括热电偶，
将待燃烧的所述样品颗粒放在所述温度测量装置位于所述燃烧通道内的部分，包括：
将所述样品颗粒打孔，将所述样品颗粒固定于所述热电偶的测量端。
10.如权利要求8所述的单颗粒反应测量方法，其特征在于，
所述图像拍摄装置拍摄所述样品颗粒的火焰，并将拍得的火焰图案发送给所述数据处理单元；包括：
所述数据处理单元将接收到的所述火焰图案使用单色法处理，求得火焰的温度。
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