CN111474207B - 一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热能工程设备领域，并具体公开了一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其包括：炉子主体组件，用于提供燃烧所需的空间和热量，其内设置有燃烧托盘组件；给粉器组件，其与炉子主体组件相连，并位于燃烧托盘组件的上方；气体供给组件，其与给粉器组件和炉子主体组件相连；冷却组件，其与给粉器组件相连，为其提供冷却介质；尾气分析与处理组件，其与炉子主体组件相连，用于对燃烧尾气进行分析及处理；拍摄与测温组件，其设于炉子主体组件的旁侧，用于拍摄燃料燃烧图像及测量燃料火焰温度；电控制箱组件，其用于为其他组件供电。本发明既能捕捉生物质与煤粉掺混燃烧中相互作用，又能检测着火及燃烧过程中的火焰温度和气体产物。

Description

一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置
技术领域
本发明属于热能工程设备领域，更具体地，涉及一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置。
背景技术
化石燃料的过度开采和使用会造成资源枯竭并产生大量污染物，如SOx，NOx以及CO2等，这些污染物会造成酸雨和温室效应等一系列环境问题，严重危害人类的生命和财产安全。生物质能是一种清洁、可再生的能源，并且其原料丰富，生产成本低，被视为化石燃料的重要替代燃料。生物质在生长过程中进行光合作用吸收CO2与燃烧过程释放的CO2形成“碳平衡”，是CO2零排放燃料,并且生物质中硫含量低，能有效减少SO2的排放。因此，利用生物质掺混煤粉进行燃烧已经成为解决电力危机的重要方式，这种燃料掺混不仅能够减少化石燃料的使用和污染物的排放，而且对现有的设备改造小，能有效降低研发全新发电设备的成本。
尽管生物质掺混煤粉技术应用潜力巨大，但与煤相比，生物质的挥发分含量高、能量密度低导致生物质的着火燃烧行为与煤相比有很大的不同。这种化学性质上的差异会导致掺混燃烧中两类颗粒会发生相互作用，这种相互作用势必会导致两类燃料的着火和燃烧行为与单独燃烧时不同，也将对燃烧器和锅炉的设计提出额外的要求。现有的滴管炉装置仅适用于单种燃料的着火和燃烧行为的研究，而对于掺混燃烧很难精确捕捉并分辨出两类燃料，更别提研究二者之间的相互作用了。
为了能精确捕捉到单颗粒煤粉与生物质在掺混燃烧中的相互作用，并进一步研究这种相互作用对发电设备的影响，本领域需要研究设计一种能精确捕捉到单颗粒煤粉与生物质在掺混燃烧中相互作用的实验装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其通过对关键组件如炉子主体组件、燃烧托盘组件、给粉器组件、气体供给组件、冷却组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件等的结构及其具体设置方式的研究与设计，可实现单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧的图像拍摄、火焰温度测量和产物分析，具有简单可靠、适用性强等优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，该实验装置包括炉子主体组件、燃烧托盘组件、给粉器组件、气体供给组件、冷却组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件以及电控制箱组件，其中：
所述炉子主体组件用于提供燃烧所需的空间和热量，其内设置有所述燃烧托盘组件；
所述给粉器组件与所述炉子主体组件相连，并位于所述燃烧托盘组件的上方，用于将待燃烧的燃料即煤粉和生物质输送至燃烧托盘组件上；
所述气体供给组件与所述给粉器组件和炉子主体组件相连，并分别为两者提供燃料输送所需的一次风以及燃烧所需的二次风；
所述冷却组件与所述给粉器组件相连，用于向给粉器组件供应冷却介质以防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；
所述尾气分析与处理组件与所述炉子主体组件相连，用于对燃烧产生的尾气进行分析，并对尾气中的污染气体进行处理；
所述拍摄与测温组件设于所述炉子主体组件的旁侧，用于拍摄燃料的燃烧图像及测量燃料的火焰温度；
所述电控制箱组件分别与所述炉子主体组件、给粉器组件、气体供给组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件相连，用于为各组件供电。
作为进一步优选的，所述炉子主体组件包括炉子，该炉子的左右两侧分别设有二次风进管和炉子出口，用于与所述气体供给组件和所述尾气分析与处理组件相连，该炉子的上方开设有煤粉进料口和生物质进料口，用于与所述给粉器组件相连，该炉子内设置有加热组件，其面向所述拍摄与测温组件的一侧还设置有观察窗。
作为进一步优选的，所述炉子内靠近二次风进管处设置有带气孔的整流器；优选的，所述炉子的外部由分离式的两块不锈钢外壳包裹，所述两块不锈钢外壳通过转轴连接，并通过锁扣扣合，所述不锈钢外壳和炉子之间还填充有石棉。
作为进一步优选的，所述燃烧托盘组件包括燃烧托盘和支座，该燃烧托盘通过支撑杆支撑在所述支座上，并且该燃烧托盘位于炉子主体组件的水平中心线上。
作为进一步优选的，燃烧托盘上涂有黑色哑光涂料。
作为进一步优选的，所述给粉器组件包括煤粉给粉器、生物质给粉器、煤粉水冷钢管、生物质水冷钢管、升降机和给粉器组件控制箱，其中，所述煤粉水冷钢管一端与所述煤粉给粉器相连，另一端伸入所述炉子主体组件内，所述生物质水冷钢管的一端与所述生物质给粉器相连，另一端同样伸入所述炉子主体组件内；所述升降机通过T形连接杆连接所述煤粉水冷钢管和生物质水冷钢管，并可带动煤粉水冷钢管及与其连接的煤粉给粉器以及生物质水冷钢管及与其连接的生物质给粉器上下运动；所述给粉器组件控制箱与所述煤粉给粉器、生物质给粉器和升降机相连，用于实现三者的控制。
作为进一步优选的，所述煤粉水冷钢管和生物质水冷钢管均为双层结构，以此形成两个独立的空间，其中中心的柱形空间用以输送燃料，并通过风管与所述气体供给组件相连，靠近边缘的环形空间与所述冷却组件相连，用以输送冷却介质。
作为进一步优选的，所述气体供给组件包括气瓶箱以及与该气瓶箱相连的一次风混合气室和二次风混合气室，该一次风混合气室与所述给粉器组件相连，用于提供燃料输送所需的一次风，该二次风混合气室与所述炉子主体组件相连，用于提供燃烧所需的二次风，所述气瓶箱与所述一次风混合气室之间还设置有一次风流量计，所述气瓶箱与所述二次风混合气室之间还设置有二次风流量计。
作为进一步优选的，所述二次风流量计与二次风混合气室之间还设置有水蒸气泵。
作为进一步优选的，所述冷却组件包括冷水仓、储水仓和冷却仓，所述冷水仓用于向给粉器组件提供冷水，以降低给粉器组件的温度，进而防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；所述储水仓用于回收从给粉器组件排出的热水，并将热水输送至冷却仓中；所述冷却仓用于对热水进行冷却以获得冷水，并将冷水提供给冷水仓。
作为进一步优选的，所述尾气分析与处理组件包括依次相连的风机、冷却室、颗粒物分析仪、红外分析仪和污染物处理室，该风机通过转接头与所述炉子主体组件相连，用于将炉子主体组件内燃烧反应后生成的气体全部抽出，抽出的气体先经所述冷却室进行冷却，然后经颗粒物分析仪和红外分析仪进行颗粒物产量、颗粒物尺度分布以及成分的测量，再经所述污染物处理室进行污染气体的处理，最后经污染物处理室上的排气管排入大气中。
作为进一步优选的，所述拍摄与测温组件包括高速摄像仪、三色高温计和计算机，其中所述高速摄像仪与所述计算机相连，用于捕捉燃料颗粒着火行为的图像并存储到计算机中；所述三色高温计与所述计算机相连，用于测量燃料颗粒的火焰温度并存储到计算机中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
本发明通过设计包括炉子主体组件、燃烧托盘组件、给粉器组件、气体供给组件、冷却组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件以及电控制箱组件的实验设备，可以精确捕捉到单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧中的燃烧图像、温度历程曲线和产物组成，具有简单可靠、适应性强等优点，可用于单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧的研究。
本发明通过对炉子主体组件的设计，可便于煤粉和生物质的送入及燃烧尾气的排出，并通过设计整流器、不锈钢外壳及石棉，可使得进入炉子的二次风变得均匀，保证炉子内气体稳定流动，且保证炉子升温保温效果。
本发明通过对燃烧托盘组件的设计，可以使得待燃烧的燃料(即煤粉和生物质)位于炉子的指定位置，通过在燃烧托盘上涂黑色哑光涂料，可以有效防止反光对拍摄图像的影响，保证燃烧图像的精确性。
本发明通过水冷升降双给粉器的设计不仅可以随时更换燃料的类型，为调整实验方案保持一定的灵活性，而且可以将单颗粒燃料送到指定的位置并通过水冷保证燃料在此过程中不会被加热，保证了实验的精确性。
本发明通过将煤粉水冷钢管和生物质水冷钢管设计为双层结构，以分别获得两个独立空间，使得煤粉和生物质独立输送，并为各自的冷却介质提供输送通道，以对煤粉和生物质进行冷却降温，避免在输送过程中被加热，影响最终的燃烧结果的观测。
本发明通过对气体供给组件的设计，可分别为给粉器组件和炉子主体组件提供燃料输送所需的一次风以及燃烧所需的二次风，以便将燃料顺利送入指定位置，并保证燃烧的有效进行。
本发明的气体供给可根据需要灵活调整气瓶箱中的气体类型，并可提供水蒸气，用以研究不同气氛下的掺混燃烧。
本发明将冷却组件设计成三个水仓的形式，可以将水源循环利用，不仅为实验提供足够的冷却水，并且节约了水源。
本发明通过对尾气分析与处理组件进行设计，可以将实验过程中产生的污染物进行吸附和处理，保证排入大气中尾气的洁净，防止实验气体对环境造成污染。
本发明通过对拍摄与测温组件的设计，可通过计算机对实验数据进行实时处理，为实验者提供实时的实验数据和结果，保证实验进度，避免了后处理对实验的延滞。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的炉子主体组件和部分给粉器组件的剖面图；
图3是本发明实施例提供的炉子主体组件三视图，其中(a)是炉子主体组件正视图，(b)是炉子主体组件侧视图，(c)是炉子主体组件俯视图；
图4是本发明实施例提供的燃烧托盘组件的三视图，其中(a)是燃烧托盘组件正视图，(b)是燃烧托盘组件侧视图，(c)是燃烧托盘组件俯视图；
图5是本发明实施例提供的部分给粉器组件的三视图，其中(a)是部分给粉器组件正视图，(b)是部分给粉器组件侧视图，(c)是部分给粉器组件俯视图；
图6是本发明实施例提供的电控制箱组件的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-三色高温计，2-二次风混合气室，3-水蒸气气泵，4-二次风流量计，5-气瓶箱，6-一次风流量计，7-一次风混合气室，8-给粉器组件控制箱，9-升降机，10-煤粉给粉器，11-T形连接杆，12-生物质给粉器，13-冷水仓，14-冷却仓，15-储水仓，16-转接头，17-第一钢管，18-风机，19-第二钢管，20-冷却室，21-第三钢管，22-颗粒物分析仪，23-第四钢管，24-红外分析仪，25-第五钢管，26-污染物处理室，27-排气管，28-高速摄像仪，29-三脚架，30-计算机，31-二次风进管，32-不锈钢外壳，33-石棉，34-炉子，35-炉子出口，36-整流器，37-煤粉进料口，38-生物质进料口，39-热电偶，40-电线，41-气孔，42-观察窗，43-电热丝，44-锁扣，45-煤粉出料孔，46-煤粉水冷钢管，47-携煤粉一次风管，48-携生物质一次风管，49-生物质水冷钢管，50-生物质出料孔，51-煤粉水冷钢管进水管，52-煤粉水冷钢管出水管，53-生物质水冷钢管出水管，54-生物质水冷钢管进水管，55-支座，56-支撑杆，57-燃烧托盘，58-温控仪表，59-柜体，60-电源开关，61-电器集成总线，62-备用发电机，63-蓄电池，64-柱形空间，65-环形空间。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供了一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其包括炉子主体组件、燃烧托盘组件、给粉器组件、气体供给组件、冷却组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件以及电控制箱组件，其中，炉子主体组件用于提供燃烧所需的空间和热量，其内设置有燃烧托盘组件；给粉器组件与炉子主体组件相连，并位于燃烧托盘组件的上方，用于将待燃烧的燃料即煤粉和生物质输送至燃烧托盘组件上；气体供给组件与给粉器组件和炉子主体组件相连，并分别为给粉器组件和炉子主体组件提供燃料输送所需的一次风以及燃烧所需的二次风；冷却组件与给粉器组件相连，用于向给粉器组件供应冷却介质以防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；尾气分析与处理组件与炉子主体组件相连，用于对燃烧产生的尾气进行分析，并对尾气中的污染气体进行处理；拍摄与测温组件设于炉子主体组件的旁侧，用于拍摄燃料的燃烧图像及测量燃料的火焰温度；电控制箱组件分别与炉子主体组件、给粉器组件、气体供给组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件相连，用于实现各组件的控制。
具体的，以图1为例对本发明的实验装置的布置方式进行示例性说明，如图1所示，炉子主体组件上方是给粉器组件，炉子主体组件左侧为气体供给组件和电控制箱组件，炉子主体组件右侧为尾气分析与处理组件，炉子主体组件内部中心位置是燃烧托盘组件，炉子主体组件中的煤粉进料口37通过滑轨与给粉器组件中的煤粉水冷钢管46连接。
如图2和3所示，炉子主体组件包括炉子34，该炉子34的左右两侧分别设有二次风进管31和炉子出口35，用于与气体供给组件和尾气分析与处理组件相连，该炉子34的上方开设有煤粉进料口37和生物质进料口38，用于与给粉器组件相连，该炉子34内设置有加热组件，其面向拍摄与测温组件的一侧还设置有观察窗42，拍摄与测温组件通过观察窗拍摄炉子内燃料燃烧情况。具体的，煤粉进料口37位于炉子34上部中心靠左的位置，生物质进料口38位于炉子34上部中心靠右的位置，二次风进管31、炉子出口35、煤粉进料口37、生物质进料口38和炉子34均由石英玻璃一体成型，煤粉进料口37和生物质进料口38上装有滑轨，方便给粉器组件上下移动。
优选的，炉子34内靠近二次风进管31处设置有整流器36，整流器36通过耐高温胶粘在炉子34内侧，整流器36上有气孔41，能将进入炉子34的二次风变得均匀，保证炉子34内气体稳定流动。
进一步的，炉子34外部包裹有不锈钢外壳32，不锈钢外壳32为分离式的两块，两部分通过转轴连接，并可通过锁扣44打开和关闭不锈钢外壳，方便设备维修，不锈钢外壳32和炉子34之间采用石棉33填充，能起到升温和保温作用。
更进一步的，所述加热组件包括热电偶39和电热丝43，具体的炉子34周围沿水平方向均匀布置7条电热丝43，用来加热炉子34，可达到预设的实验温度。热电偶39安装在炉子34外侧靠近燃烧反应发生的位置，可以实时测量炉子34温度。观察窗42位于炉子34前方中心位置，正对着燃烧托盘57，通过耐高温螺栓固定在不锈钢外壳32上，以便观察和捕捉燃料的燃烧行为，同时观察窗42上可贴滤光片，以捕捉不同波长的燃烧图像。
如图4所示，燃烧托盘组件包括燃烧托盘57和支座55，该燃烧托盘57通过支撑杆56支撑在支座55上，并且该燃烧托盘57位于炉子主体组件的水平中心线上。具体的，支撑杆56下部通过螺丝固定在支座55上，上部通过螺丝固定在燃烧托盘57上，支撑杆56的高度使得燃烧托盘57刚好位于炉子34的中心线上，支座55通过耐高温胶与炉子内的底部连接。优选的，燃烧托盘57上涂有黑色哑光涂料，可以有效防止反光对拍摄图像的影响，保证了燃烧图像的精确性。
如图5所示，给粉器组件包括煤粉给粉器10、生物质给粉器12、煤粉水冷钢管46、生物质水冷钢管49、升降机9、和给粉器组件控制箱8，其中，煤粉水冷钢管46一端与煤粉给粉器10相连，另一端伸入炉子主体组件中，生物质水冷钢管49的一端与生物质给粉器12相连，另一端同样伸入炉子主体组件中；升降机9通过T形连接杆11连接煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49，并可带动煤粉水冷钢管46及与其连接的煤粉给粉器10以及生物质水冷钢管49及与其连接的生物质给粉器12上下运动；给粉器组件控制箱8与煤粉给粉器10、生物质给粉器12和升降机9相连，用于实现三者的控制。
具体的，升降机9通过螺栓固定在给粉器上部的墙上，煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49上装有与煤粉进料口37和生物质进料口38上滑轨配合的滑块，升降机9的控制系统集成在给粉器组件控制箱8上，可通过给粉器组件控制箱8控制升降机9将煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49送入炉子34，以便将煤粉和生物质准确地送到燃烧托盘56上的指定位置。
优选的，煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49均为双层结构，以此形成两个独立的空间，其中中心的柱形空间64用以输送燃料，并通过风管与气体供给组件相连，靠近边缘的环形空间65与冷却组件相连，用以输送冷却介质。即煤粉水冷钢管46由两层钢板加工而成，有两个独立的空间，中心的柱形空间用以通过煤粉，靠近边缘的环形空间用以通过冷水。具体的，柱形空间的上部通过螺丝固定在煤粉给粉器10下部，并与煤粉给粉器10连通，下部为煤粉出料孔45用来通过单颗粒煤粉，柱形空间上部的左侧连接携煤粉一次风管47，该携煤粉一次风管47通过卡扣和软管与气体供给组件中的一次风混合气室7连接，利用一次风携带煤粉进入柱形空间。环形空间的上部连通煤粉水冷钢管进水管51和煤粉水冷钢管出水管52。具体的，柱形空间的上部、下部以及上部的左侧均保持开口状态，环形空间在上部、下部以及上部的左侧通过焊接的方式连接在柱形空间的外侧，以形成封闭的环形冷却空间，实验时先将冷却水从煤粉水冷钢管进水管51注入环形空间直至充满整个环形空间，接着冷却后的溢出水便从煤粉水冷钢管出水管52流出。煤粉水冷钢管进水管51通过卡扣和软管与冷却组件中的冷水仓13连接，煤粉水冷钢管出水管52通过软管和卡扣与冷却组件中的储水仓15连接。冷水由冷水仓13通过煤粉水冷钢管进水管51流入环形空间，经煤粉水冷钢管出水管52流出环形空间进入储水仓15，使柱形空间能得到充分冷却，防止煤粉在柱形空间运输时被加热。
同样的，生物质水冷钢管49由两层钢板加工而成，有两个独立的空间，中心的柱形空间64用以通过生物质，靠近边缘的环形空间65用以通过冷水。具体的，柱形空间的上部通过螺丝固定在生物质给粉器12下部，并与生物质给粉器12连通，下部为生物质出料孔50用来通过单颗粒生物质，柱形空间上部的右侧连接携生物质一次风管48，该携生物质一次风管48通过卡扣和软管与气体供给组件中的一次风混合气室7连接，利用一次风携带生物质颗粒进入柱形空间。环形空间的上部连通生物质水冷钢管进水管54和生物质水冷钢管出水管53。具体的额，柱形空间的上部、下部以及上部的左侧均保持开口状态，环形空间在上部、下部以及上部的左侧通过焊接的方式连接在柱形空间的外侧，以形成封闭的环形冷却空间，实验时先将冷却水从生物质水冷钢管进水管54注入环形空间直至充满整个环形空间，接着冷却后的溢出水便从生物质水冷钢管出水管53流出。生物质水冷钢管进水管54通过卡扣和软管与冷却组件中的冷水仓13连接，生物质水冷钢管出水管53通过软管和卡扣与冷却组件中的储水仓15连接。冷水由冷水仓13通过生物质水冷钢管进水管54流入环形空间，经生物质水冷钢管出水管53流出环形空间进入储水仓15，使柱形空间能得到充分冷却，防止生物质颗粒在柱形空间运输时被加热。
进一步的，给粉器组件控制箱8通过电线与升降机9、煤粉给粉器10和生物质给粉器12连接，用来控制煤粉给粉器10和生物质给粉器12的给料以及升降机9的升降作业。
如图1所示，气体供给组件包括气瓶箱5以及与该气瓶箱5相连的一次风混合气室7和二次风混合气室2，该一次风混合气室7与给粉器组件相连，用于提供燃料输送所需的一次风，该二次风混合气室2与炉子主体组件相连，用于提供燃烧所需的二次风，气瓶箱5与一次风混合气室7之间还设置有一次风流量计6，气瓶箱5与二次风混合气室2之间还设置有二次风流量计4。优选的，二次风流量计4与二次风混合气室2之间还设置有水蒸气泵3。
具体的，气瓶箱5通过软管和卡扣分别与一次风流量计6和二次风流量计4连接，气瓶箱5内布置多个气瓶室，可以随时更换气体组分，例如N2、O2以及CO2等，以满足不同的实验需求。一次风流量计6通过软管和卡扣与一次风混合气室7连接，一次风流量计6可以精确控制输运气体的流量。一次风混合气室7通过软管和卡扣与给粉器组件中的携煤粉一次风管47和携生物质一次风管48连接，一次风混合气室7可将输运气体进行充分混合。二次风流量计4通过软管和卡扣与水蒸气泵3连接，二次风流量计4可以精确控制输运气体的流量，水蒸气泵3通过软管和卡扣与二次风混合气室2连接，水蒸气泵3可以向输运气体中注入水蒸气，用来研究水蒸气对燃料燃烧行为的影响。二次风混合气室2通过软管和卡扣与炉子主体组件中的二次风进管31连接，二次风混合气室2可将输运气体进行充分混合。
再如图1所示，冷却组件包括冷水仓13、储水仓15和冷却仓14，冷水仓13用于向给粉器组件提供冷水，以降低给粉器组件的温度，进而防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；储水仓15用于回收从给粉器组件排出的热水，并将热水输送至冷却仓14中；冷却仓14用于对热水进行冷却以获得冷水，并将冷水提供给冷水仓13。
具体的，冷水仓13通过卡扣和软管分别与煤粉水冷钢管进水管51以及生物质水冷钢管进水管54连接，为水冷钢管提供冷却水源。储水仓15通过卡扣和软管分别与煤粉水冷钢管出水管52以及生物质水冷钢管出水管53连接，用来储存水冷钢管流出的热水。冷却仓14的进口通过卡扣和软管与储水仓15连接，冷却仓14的出口通过卡扣和软管与冷水仓13连接，冷却仓14可对流入的热水进行冷却，并为冷水仓13提供冷水。
继续如图1所示，尾气分析与处理组件包括依次相连的风机18、冷却室20、颗粒物分析仪22、红外分析仪24和污染物处理室26，该风机18通过转接头16与炉子主体组件相连，用于将炉子主体组件内燃烧反应后生成的气体全部抽出，抽出的气体先经冷却室20进行冷却，然后经颗粒物分析仪22和红外分析仪24进行颗粒物产量、颗粒物尺度分布以及成分的测量，再经污染物处理室26进行污染气体的处理，最后经污染物处理室26上的排气管27排入大气中。
具体的，风机18、冷却室20、颗粒物分析仪22、红外分析仪24和污染物处理室26各有两个接口，转接头16左侧通过螺丝与炉子主体组件中的炉子出口35连接，右侧通过带螺丝的第一钢管17与风机18左侧接口连接，转接头16左右两侧的孔径不同，可连接两侧不同直径的管子。风机18右侧接口通过带螺丝的第二钢管19与冷却室20左侧接口连接，风机18可以将炉子34内反应后生成的气体全部抽出，并且风机18的功率可调节，以控制气体的流动速度。冷却室20右侧接口通过带螺丝的第三钢管21与颗粒物分析仪22左侧接口连接，冷却室20可以将风机18抽出的高温气体进行充分冷却。颗粒物分析仪22右侧接口通过带螺丝的钢管23与红外分析仪24上部接口连接，颗粒物分析仪24可以在不同的尺度上对尾气中的悬浮颗粒进行数量统计，得到颗粒物的产量以及颗粒物的尺度分布，颗粒物分析仪24采用现有常用颗粒物分析仪即可。红外分析仪24下部接口通过带螺丝的钢管25与污染物处理室26上部接口连接，红外分析仪24可以分析尾气中的主要成分，红外分析仪24采用现有常规红外分析仪即可。污染物处理室26右侧接口通过螺丝连接排气管27，污染物处理室26可以固定尾气中的污染气体，其为常规结构，在此不赘述，排气管27将处理完的尾气排入大气。
参见图1，拍摄与测温组件包括高速摄像仪28、三色高温计1和计算机30，其中高速摄像仪28与计算机30相连，用于捕捉燃料颗粒着火行为的图像并存储到计算机中，高速摄像仪28通过三脚架29安装在炉子旁侧，并面向观察窗，用于拍摄炉子内燃料的燃烧图像，即拍摄掺混燃烧图像；三色高温计1与计算机30相连，用于测量燃料颗粒的火焰温度并存储到计算机中。
具体的，高速摄像仪28通过数据线与计算机30连接，可以捕捉到燃料颗粒着火行为的图像并存储到计算机中，三色高温计1对准炉子34水平中心线并通过数据线与计算机30连接，可以获取燃料颗粒的火焰温度并存储到计算机中。计算机30内置高速摄像仪28和三色高温计1的配套软件，可以通过软件设置拍摄参数和测温参数，同时能对实验数据进行实时处理，为实验者提供实时的实验结果，保证实验进度，避免了后处理对实验的延滞。
电控制箱组件分别与炉子主体组件、给粉器组件、气体供给组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件相连，用于为各组件供电。具体的，如图6所示，电控制箱组件由柜体59、电源开关60、蓄电池63、备用发电机62、温控仪表58和电器集成总线61组成，柜体59安装在实验室地面上，用来集成电路和安装部分仪器和仪表；电源开关60位于柜体59外侧，通过电线与实验室供电线路连接，用来提供电力；蓄电池63位于柜体59内部，通过电线与电器集成总线61连接，蓄电池63为锂电池，通电时自动充满电量，断电时可通过自身储存的电量维持实验设备的正常工作，防止意外断电造成实验中断和设备损坏，并为打开备用发电机62提供足够的时间。备用发电机62位于柜体59内部，通过电线与电器集成总线61连接，在断电时可为实验提供充足的电力，备用电源和蓄电池的联合使用，可以有效防止实验室供电线路突然断电造成实验中断以及实验设备的损坏。温控仪表58位于柜体59外侧上部，通过电线40与炉子主体组件中的热电偶39和电热丝43连接，温控仪表58采用5段升温程序，可保存升温记录，并调控电热丝实现升温、降温和保温操作；电器集成总线61通过电线连接气体供给组件中的一次风流量计6和二次风流量计4、给粉器组件中的给粉器组件控制箱8、尾气分析与处理组件中的风机18、冷却室20、颗粒物分析仪22、红外分析仪24和污染物处理室26、拍摄与测温组件中的高速摄像仪28、三色高温计1和计算机30，用来为各电器集中供电。
下面对本发明实验装置的具体操作过程进行说明，实验时先打开电控制箱组件中的电源开关60，通过电器集成总线61为气体供给组件中的一次风流量计6和二次风流量计4、给粉器组件中的给粉器组件控制箱8、尾气分析与处理组件中的风机18、冷却室20、颗粒物分析仪22、红外分析仪24和污染物处理室26、拍摄与测温组件中的高速摄像仪28、三色高温计1和计算机30供电，通过电线为温控仪表58和蓄电池63供电；接着将拍摄与测温组件中的三色高温计1安装在正对炉子主体组件中的炉子34水平中心线的位置，将高速摄像仪28安装在三脚架29上，并调整三脚架29的高度使高速摄像仪28的镜头中心正对炉子主体组件中的观察窗42，并打开计算机30中的配套软件，调整高速摄像仪28的焦距和光圈直至满足实验拍摄要求；接着打开冷却组件的冷水仓13，冷水流入煤粉水冷钢管进水管51和生物质水冷钢管进水管54直至充满煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49的环形空间，溢出的水经煤粉水冷钢管出水管52和生物质水冷钢管出水管53流出并进入到水仓组件的储水仓15中，当储水仓15的水位达到指定水位时，储水仓15中的水流入冷却仓14进行冷却，当冷却仓14的水位达到指定水位时，冷却后的水便流入冷水仓13中，为冷水仓13提供足够的冷水；接着打开电控制箱组件中的温控仪表58，设定加热程序，并启动加热，当温度到达400-500K左右时，调节气体供给组件中的二次风流量计4，为炉膛提供N2，以防止炉膛干烧损坏设备，当温度达到设定温度时，炉膛进入保温状态，此时调整气体供给组件中的一次风流量计6和二次风流量计4为实验提供需要的气体组成和流量，连续通入五分钟待炉膛内气体组分完全变为设定的气体组成时，方可进行实验；接着打开给粉器组件中的升降机9，将煤粉水冷钢管46和生物质水冷钢管49送入炉子主体组件中，直至燃烧托盘组件中的燃烧托盘57上部大约5cm的距离，同时打开煤粉给粉器10和生物质给粉器12放下单颗粒的煤粉和生物质，接着升降机9立即上升到不影响拍摄的高度，接着用高速摄像仪28记录下单颗粒煤粉和生物质掺混燃烧的全过程，三色高温计1记录下整个掺混燃烧过程中的温度信号；接着掺混燃烧中的产物进入尾气分析与处理组件，待燃烧结束5分钟后，采集颗粒物分析仪22、红外分析仪24中的实验数据；接着重复进行5组实验，以获得足够的实验数据；实验结束后，首先关闭电控制箱组件中的温控仪表58的程序，以停止加热，接着关闭气体供给组件中的一次风流量计6，并调整二次风流量计4只提供一定量的N2供应，直至炉膛温度降低到300K左右，关闭二次风流量计4，关闭电控制箱组件中的电源开关60，关闭水仓组件中的冷水仓13、冷却仓14和储水仓15。
通过本发明可获得单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧中的燃烧图像(由高速摄像仪28获得)、温度历程曲线(由三色高温计1获得)和产物组成(由颗粒物分析仪22和红外分析仪24获得)，通过分析掺混燃烧图像可获得着火机理、着火延迟时间和挥发分燃烧持续时间，通过分析温度历程曲线可以获得着火温度和焦着火温度，对比单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧同单颗粒纯煤粉燃烧、单颗粒纯生物质燃烧的着火机理、着火延迟时间、着火温度、挥发分燃烧持续时间、焦着火温度和产物的差异，可研究获得单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧时二者之间的相互作用。
本发明既可以捕捉到单颗粒现象生物质与煤粉掺混燃烧中相互作用，并且可以随时更换单颗粒生物质的种类、气体组分以及气体温度，又能实时检测着火及燃烧过程中的火焰温度和气体产物，通过该实验装置可以更好地探索单颗粒煤粉与生物质掺混燃烧中的相互作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，该实验装置包括炉子主体组件、燃烧托盘组件、水冷升降双给粉器组件、气体供给组件、冷却组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件以及电控制箱组件，其中：
所述炉子主体组件用于提供燃烧所需的空间和热量，其内设置有所述燃烧托盘组件，所述燃烧托盘组件包括燃烧托盘（57），该燃烧托盘（57）位于炉子主体组件的水平中心线上，所述炉子主体组件面向拍摄与测温组件的一侧设置有观察窗（42），该观察窗（42）位于炉子主体组件前方中心位置，正对着燃烧托盘（57）；
所述水冷升降双给粉器组件与所述炉子主体组件相连，并位于所述燃烧托盘组件的上方，用于将待燃烧的单颗粒燃料即单颗粒煤粉和单颗粒生物质输送至燃烧托盘组件的指定位置上，并且通过水冷保证单颗粒燃料在输送过程中不被加热，保证实验的精确性；所述水冷升降双给粉器组件包括煤粉给粉器（10）、生物质给粉器（12）、煤粉水冷钢管（46）和生物质水冷钢管（49），其中，所述煤粉水冷钢管（46）一端与所述煤粉给粉器（10）相连，另一端伸入所述炉子主体组件内，所述生物质水冷钢管（49）的一端与所述生物质给粉器（12）相连，另一端同样伸入所述炉子主体组件内，且煤粉水冷钢管（46）和生物质水冷钢管（49）两者伸入炉子主体组件内的一端彼此独立且间隔一定距离；所述煤粉水冷钢管（46）和生物质水冷钢管（49）均为双层结构，以此形成两个独立的空间，使得煤粉与生物质独立输送，并为各自的冷却介质提供输送通道以彼此独立的对煤粉和生物质进行冷却降温；所述气体供给组件与所述水冷升降双给粉器组件和炉子主体组件相连，并分别为两者提供燃料输送所需的一次风以及燃烧所需的二次风；
所述冷却组件与所述水冷升降双给粉器组件相连，用于向水冷升降双给粉器组件供应冷却介质以防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；
所述尾气分析与处理组件与所述炉子主体组件相连，用于对燃烧产生的尾气进行分析，并对尾气中的污染气体进行处理；
所述拍摄与测温组件设于所述炉子主体组件的旁侧，通过所述观察窗（42）拍摄燃料的燃烧图像及测量燃料的火焰温度；
所述电控制箱组件分别与所述炉子主体组件、水冷升降双给粉器组件、气体供给组件、尾气分析与处理组件、拍摄与测温组件相连，用于为各组件供电。
2.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述炉子主体组件包括炉子（34），该炉子（34）的左右两侧分别设有二次风进管（31）和炉子出口（35），用于与所述气体供给组件和所述尾气分析与处理组件相连，该炉子（34）的上方开设有煤粉进料口（37）和生物质进料口（38），用于与所述水冷升降双给粉器组件相连，该炉子（34）内设置有加热组件。
3.如权利要求2所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述炉子（34）内靠近二次风进管（31）处设置有带气孔（41）的整流器（36）。
4.如权利要求3所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述炉子（34）的外部由分离式的两块不锈钢外壳（32）包裹，所述两块不锈钢外壳（32）通过转轴连接，并通过锁扣（44）扣合，所述不锈钢外壳（32）和炉子（34）之间还填充有石棉（33）。
5.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述燃烧托盘组件包括燃烧托盘（57）和支座（55），该燃烧托盘（57）通过支撑杆（56）支撑在所述支座（55）上，并且该燃烧托盘（57）位于炉子主体组件的水平中心线上。
6.如权利要求5所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述燃烧托盘（57）上涂有黑色哑光涂料。
7.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述水冷升降双给粉器组件还包括升降机（9）和给粉器组件控制箱（8），所述升降机（9）通过T形连接杆（11）连接所述煤粉水冷钢管（46）和生物质水冷钢管（49），并可带动煤粉水冷钢管（46）及与其连接的煤粉给粉器（10）以及生物质水冷钢管（49）及与其连接的生物质给粉器（12）上下运动；所述给粉器组件控制箱（8）与所述煤粉给粉器（10）、生物质给粉器（12）和升降机（9）相连，用于实现三者的控制。
8.如权利要求7所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述煤粉水冷钢管（46）和生物质水冷钢管（49）中心的柱形空间用以输送燃料，并通过风管与所述气体供给组件相连，靠近边缘的环形空间与所述冷却组件相连，用以输送冷却介质。
9.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述气体供给组件包括气瓶箱（5）以及与该气瓶箱（5）相连的一次风混合气室（7）和二次风混合气室（2），该一次风混合气室（7）与所述水冷升降双给粉器组件相连，用于提供燃料输送所需的一次风，该二次风混合气室（2）与所述炉子主体组件相连，用于提供燃烧所需的二次风，所述气瓶箱（5）与所述一次风混合气室（7）之间还设置有一次风流量计（6），所述气瓶箱（5）与所述二次风混合气室（2）之间还设置有二次风流量计（4）。
10.如权利要求9所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述二次风流量计（4）与二次风混合气室（2）之间还设置有水蒸气泵（3）。
11.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述冷却组件包括冷水仓（13）、储水仓（15）和冷却仓（14），所述冷水仓（13）用于向水冷升降双给粉器组件提供冷水，以降低水冷升降双给粉器组件的温度，进而防止煤粉和生物质在输送过程中被加热；所述储水仓（15）用于回收从水冷升降双给粉器组件排出的热水，并将热水输送至冷却仓（14）中；所述冷却仓（14）用于对热水进行冷却以获得冷水，并将冷水提供给冷水仓（13）。
12.如权利要求1所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述尾气分析与处理组件包括依次相连的风机（18）、冷却室（20）、颗粒物分析仪（22）、红外分析仪（24）和污染物处理室（26），该风机（18）通过转接头（16）与所述炉子主体组件相连，用于将炉子主体组件内燃烧反应后生成的气体全部抽出，抽出的气体先经所述冷却室（20）进行冷却，然后经颗粒物分析仪（22）和红外分析仪（24）进行颗粒物产量、颗粒物尺度分布以及成分的测量，再经所述污染物处理室（26）进行污染气体的处理，最后经污染物处理室（26）上的排气管（27）排入大气中。
13.如权利要求1-12任一项所述的用于研究煤粉和生物质掺混燃烧的实验装置，其特征在于，所述拍摄与测温组件包括高速摄像仪（28）、三色高温计（1）和计算机（30），其中所述高速摄像仪（28）与所述计算机（30）相连，用于捕捉燃料颗粒着火行为的图像并存储到计算机中；所述三色高温计（1）与所述计算机（30）相连，用于测量燃料颗粒的火焰温度并存储到计算机中。
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