CN112126444B - 基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置 - Google Patents

基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置，包括置于高温炭化炉中的热解反应器，在热解反应器内煤样两侧分别设置金属滤芯板和多孔压板，并以上连接法兰和下连接法兰密封，煤样上方多孔压板通过耐高温轻质连杆和耐高温弹簧连接检测机构的安装挡板，检测机构上设置位移传感器和压力传感器。通过调节耐高温弹簧状态，改变煤样表面压力，加热热解煤样，产生的挥发物从上下两端排出热解反应器，耐高温弹簧随着煤样膨胀压力的变化发生弹性形变，由压力传感器和位移传感器在线检测热解过程中炼焦煤的膨胀压力和膨胀位移。

Description

基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置
技术领域
本发明属于焦化行业配煤炼焦技术领域，涉及一种用于测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置。
背景技术
煤在一定体积的炭化室中受热分解时，不能自由膨胀，因而会对炭化室炉墙产生一定的压力，此压力即为膨胀压力。膨胀压力是煤料在结焦过程中所形成的胶质体在炭化室中心面上汇合时所产生压力的最大值。炼焦过程中需要适当的膨胀压力来保证焦炭质量，然而，过高的膨胀压力不仅会损坏炉墙，也会导致推焦困难。
因此，准确掌握热解过程中炼焦煤膨胀压力的变化规律、最大膨胀压力，以及炼焦过程中上层煤的重力对下层煤的膨胀压力和膨胀位移的影响，有利于调节配合煤的种类和配入量，优化配煤方案，降低配煤成本，延长焦炉的使用寿命。
现有技术多采用可活动炉墙结构焦炉对炼焦过程中煤的膨胀压力进行测试，但这种方法的耗煤量大，一般需要几百千克，并且由于活动炉墙质量大，产生的摩擦力对结果影响也较大。
为了减少耗煤量，并精确测定炼焦煤的膨胀压力，CN 203606055U和CN105841868A分别公开了一种炼焦煤膨胀压力测定装置和一种单侧加热式煤结焦膨胀力检测装置和检测方法，这两种装置都可以在少量用煤条件下测定炼焦煤干馏过程中产生的膨胀压力，但其缺点也非常明显。
CN 203606055U装置的加热方式为底部加热，这不符合实际焦化生产焦炉的水平加热方式。由于煤的导热性较差，单侧加热条件下，煤层受热不均匀，导致测量误差较大。
CN 105841868A装置虽然采用了更加符合工业生产实际的水平单侧加热方式，并具备烟气处理系统，但由于双炉结构的设计不合理，且相距太近，加热过程中两炉温度场相互影响，进而影响实验结果。
进而，在现有技术中，少有通过实验室焦炉形式模拟研究炼焦炉中不同高度煤样在上层煤的重力作用下，其炼焦过程中的膨胀压力和膨胀位移，进而研究其对焦炭质量和焦炉的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置，以能够更准确的测定炼焦煤在炼焦过程中的膨胀压力和膨胀位移变化，并模拟炼焦过程中上层煤重力对下层煤膨胀压力和膨胀位移的影响。
本发明所述的基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置包括：
一个检测机构，在所述检测机构上分别设置有位移传感器和压力传感器，所述检测机构的下端连接有一个可由所述检测机构驱动上下移动的安装挡板，在所述安装挡板上设有气体逸出孔；
一个用于放置并热解煤样的热解反应器，所述热解反应器的上下两端开口；
两个多孔压板，分别置于热解反应器内，煤样的上下两侧，用于压紧并固定煤样；
两个金属滤芯板，分别置于热解反应器内，煤样与多孔压板之间；
一个连接在所述热解反应器上端开口的上连接法兰，在所述上连接法兰的中心设有通孔；
一个连接在所述热解反应器下端开口的下连接法兰，在所述下连接法兰的中部设有一个伸入热解反应器内部的支杆，所述支杆的端头与热解反应器内煤样下方的多孔压板接触，用于固定所述煤样下方的多孔压板，在所述下连接法兰上设有气体逸出通道；
一个耐高温轻质连杆，其一端固定连接在煤样上方多孔压板的外侧，另一端穿过上连接法兰上的通孔伸出热解反应器外，可在热解反应器内上下自由移动，在所述耐高温轻质连杆与上连接法兰的通孔之间留有间隙；
一个耐高温弹簧，其一端连接在检测机构上的安装挡板上，另一端与伸出热解反应器外的耐高温轻质连杆连接；
一个套在所述耐高温弹簧外部的密封波纹管，所述密封波纹管的一端固定在上连接法兰的通孔上，另一端与所述安装挡板固定连接，形成一个用于连通上连接法兰上通孔与安装挡板上气体逸出孔的密封通道；
一个热解挥发物逸出管路，分别与安装挡板上的气体逸出孔和下连接法兰上的气体逸出通道连接，用于从热解反应器的上下开口排出煤样热解过程中产生的气体；
一个高温炭化炉，所述热解反应器被放置在所述高温炭化炉中；
所述检测机构和热解反应器通过支架固定。
本发明所述的装置中，所述金属滤芯板内充满弯曲且相互连通的纳米级通道，在煤样的热解过程中，仅允许煤样的热解挥发物通过，煤样固体颗粒不能通过。
本发明所述的装置中，所述多孔压板为表面均布轴向圆孔的圆形钢片，所述圆孔的孔径为毫米级。
本发明可以将所述金属滤芯板与多孔压板直接叠放在一起，也可以将其以螺栓固定成一体，以便于拆卸。
进而，本发明所述装置中使用的耐高温弹簧为可耐高温的高灵敏度弹簧，其耐温范围为室温～500℃，能够准确地反映出膨胀压力及膨胀位移的变化。
更进一步地，本发明分别在所述耐高温轻质连杆与热解反应器的筒壁之间，以及所述支杆与热解反应器的筒壁之间留有气体缓释空间，气体缓释空间的存在，能够保证煤样处于胶质体状态时，热解产生的大量挥发性气体可以及时逸出反应体系，避免由于挥发性气体在反应体系中残留过久导致的测定数据误差。
进而，本发明在所述耐高温轻质连杆与上连接法兰的通孔之间留有的间隙，一方面便于将逸出气体缓释空间的挥发性气体排出，一方面也避免了耐高温轻质连杆与上连接法兰之间的摩擦而产生的误差。
本发明所述装置中使用的密封波纹管为316材质激光焊接成型波纹管，其长度可以随着耐高温弹簧的形变而发生变化。
具体地，本发明是通过一个设置在检测机构上的伺服电机驱动安装挡板，通过安装挡板的位移压缩或松开耐高温弹簧，改变由耐高温轻质连杆施加在煤样上的压力。
进一步地，本发明还在所述装置未放置在高温炭化炉中的部分，包括密封波纹管以及上连接法兰和下连接法兰的外部设有伴热装置，所述伴热装置的内部通过缠绕的玻璃丝加热带进行伴热，并在最外层设有硅酸盐保温层。所述伴热装置的温度可以在室温～300℃可调，并可长时间恒温，以保证煤样热解产生的挥发性气体不会冷凝在气体管道中，堵塞管道。
在本发明所述装置中装填的煤样，可以是不同堆密度及粒径的单种炼焦煤，也可以是炼焦煤与其他任何煤种以不同比例配合而成的配合煤。
具体地，本发明是按照下述方法，采用本发明所述装置测定炼焦煤的膨胀压力及膨胀位移。
将待测试的煤样置于热解反应器中，并在煤样两端分别放置金属滤芯板和多孔压板后，以上连接法兰和下连接法兰将热解反应器的两端开口密封；检测机构的安装挡板上顺次连接有耐高温弹簧和耐高温轻质连杆，耐高温轻质连杆的端头穿过上连接法兰后与热解反应器上端的多孔压板接触；调节安装挡板控制耐高温弹簧形变，以在煤样上方施加一定的压力；以高温炭化炉加热热解煤样，煤样热解过程中产生的膨胀压力和膨胀位移通过耐高温弹簧的形变，由检测机构上的压力传感器和位移传感器在线检测。
进一步地，可以将所述压力传感器和位移传感器连接数据采集系统，通过数据采集系统观测统计出煤样热解过程中的膨胀压力和膨胀位移数据变化曲线。
进而，通过改变耐高温弹簧的形变量，改变施加在煤样上方的压力，可以模拟炼焦炉中不同高度的煤样在上层煤的重力作用下，其炼焦过程中的膨胀压力和膨胀位移，从而模拟出炼焦过程中上层煤的重力对下层煤膨胀压力和膨胀位移的影响。
本发明装置可以通过煤热解过程中耐高温弹簧的形变，测定出不同堆密度、不同升温速率和不同粒径的单种煤或配合煤的膨胀压力和膨胀位移，采用本发明装置测定炼焦煤的膨胀压力和膨胀位移，用煤量少，操作简单，可测试压力范围大，测试结果准确度高、稳定性好。
附图说明
图1是本发明基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置的结构示意图。
图中：1—检测机构，2—伺服电机，3—压力传感器，4—位移传感器，5—安装挡板，6—气体逸出孔，7—耐高温弹簧，8—密封波纹管，9—伴热装置，10—上连接法兰，11—耐高温轻质连杆，12—气体缓释空间，13—多孔压板，14—金属滤芯板，15—高温炭化炉，16—煤样，17—热解反应器，18—支杆，19—气体逸出通道，20—下连接法兰，21—热解挥发物逸出管路，22—支架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明实施例中所引用的诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
下面结合图1对弹簧自调节法测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置进行说明。
本发明基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置由分别固定在支架22上的检测机构1和热解反应器17，以及高温炭化炉15组成。
放置于高温炭化炉15中的热解反应器17为一个上、下两端开口的钢制圆筒，并在其上、下开口端分别连接上连接法兰10和下连接法兰20进行密封。热解反应器17内放置煤样16，并以两个金属滤芯板14分别挡在煤样16的两端，两个金属滤芯板14的外侧分别设置有多孔压板13，压紧并固定煤样16。
在上连接法兰10的中心设有通孔，耐高温轻质连杆11穿过通孔伸入到热解反应器17内，顶紧固定在位于煤样上方的多孔压板13上。在耐高温轻质连杆11与上连接法兰10的通孔之间留有一定的间隙，并在耐高温轻质连杆11与热解反应器17的筒壁之间留有气体缓释空间12。
下连接法兰20的中部设有一个支杆18，支杆18伸入在热解反应器17内部，顶紧固定煤样下方的多孔压板13，在支杆18与热解反应器17的筒壁之间同样留有气体缓释空间12，并在下连接法兰20包括支杆18上设有与气体缓释空间12连通的气体逸出通道19。
在检测机构1上设有伺服电机2和安装挡板5，安装挡板5通过伺服电机2驱动可以上下移动，在安装挡板5上设有一个气体逸出孔6。检测机构1上还分别设置有位移传感器4和压力传感器3。
耐高温弹簧7的一端连接在安装挡板5上，另一端与耐高温轻质连杆11伸出在热解反应器17外的一端连接，通过安装挡板5的上下移动，可以驱动耐高温轻质连杆11在热解反应器17内上下自由移动。密封波纹管8包覆在耐高温弹簧7的外部，一端与安装挡板5固定连接，另一端固定在上连接法兰10上，形成一个连通上连接法兰10上通孔与安装挡板5上气体逸出孔6的密封通道。
热解挥发物逸出管路21分别与安装挡板5上的气体逸出孔6和下连接法兰20上的气体逸出通道19连接，用于从热解反应器的上下开口排出煤样热解过程中产生的气体。
在密封波纹管8、上连接法兰10和下连接法兰20的外部还缠绕有玻璃丝加热带，并包覆硅酸盐保温层，以作为伴热装置9对这些部件进行辅助加热。
实施例1。
将煤样16装入高温炭化炉15中的热解反应器17内，煤样两端分别放置金属滤芯板14和多孔压板13，将热解反应器17的两端通过上连接法兰10和下连接法兰20连接和密封，热解反应器17上方的多孔压板13依次连接耐高温轻质连杆11、耐高温弹簧7、安装挡板5、压力传感器3和位移传感器4，安装挡板5与上连接法兰10之间采用密封波纹管8密封，热解挥发物逸出管路21从上方经气体逸出孔6、密封波纹管8内部通道、上连接法兰10通孔，与热解反应器上方的气体缓释空间12连通，从下方经气体逸出通道19与热解反应器下方的气体缓释空间12连通。
操作伺服电机2，调节耐高温弹簧7至初始（最大长度）状态。
按照升温程序对煤料进行加热，煤热解产生的热解挥发物分别经过煤样上下两侧的金属滤芯板和多孔压板进入气体缓释空间，接着进入热解挥发物逸出管路逸出装置外。
通过数据采集系统对压力传感器和位移传感器数据进行采集，可以获得煤样在炼焦过程中产生的膨胀压力和膨胀位移随热解温度的变化趋势，并得到热解最大膨胀压力。
实施例2。
将煤样16装入热解反应器17中，按照实施例1方法连接好装置，操作伺服电机2使耐高温弹簧7产生不同的压缩量，改变施加在煤样上的压力。
按照升温程序对煤料进行加热，煤热解产生的热解挥发物分别经过煤样上下两侧的金属滤芯板和多孔压板进入气体缓释空间，接着进入热解挥发物逸出管路逸出装置外。
通过数据采集系统对压力传感器和位移传感器数据进行采集，可以模拟炼焦炉中不同高度的煤样在上层煤重力作用下，其炼焦过程中的膨胀压力和膨胀位移。

Claims (9)

1.一种基于弹簧自调节测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的装置，包括：
一个检测机构，在所述检测机构上分别设置有位移传感器和压力传感器，所述检测机构的下端连接有一个可由所述检测机构驱动上下移动的安装挡板，在所述安装挡板上设有气体逸出孔；
一个用于放置并热解煤样的热解反应器，所述热解反应器的上下两端开口；
两个多孔压板，分别置于热解反应器内，设于煤样的上下两侧，用于压紧并固定煤样；
两个金属滤芯板，分别置于热解反应器内，设于煤样与多孔压板之间；
一个连接在所述热解反应器上端开口的上连接法兰，在所述上连接法兰的中心设有通孔；
一个连接在所述热解反应器下端开口的下连接法兰，在所述下连接法兰的中部设有一个伸入热解反应器内部的支杆，所述支杆的端头与热解反应器内煤样下方的多孔压板接触，用于固定所述煤样下方的多孔压板，在所述下连接法兰上设有气体逸出通道；
一个耐高温轻质连杆，其一端固定连接在煤样上方多孔压板的外侧，另一端穿过上连接法兰上的通孔伸出热解反应器外，可在热解反应器内上下自由移动，在所述耐高温轻质连杆与上连接法兰的通孔之间留有间隙；
一个耐高温弹簧，其一端连接在检测机构上的安装挡板上，另一端与伸出热解反应器外的耐高温轻质连杆连接；
一个套在所述耐高温弹簧外部的密封波纹管，所述密封波纹管的一端固定在上连接法兰的通孔上，另一端与所述安装挡板固定连接，形成一个用于连通上连接法兰上通孔与安装挡板上气体逸出孔的密封通道；
一个热解挥发物逸出管路，分别与安装挡板上的气体逸出孔和下连接法兰上的气体逸出通道连接，用于从热解反应器的上下开口排出煤样热解过程中产生的气体；
一个高温炭化炉，所述热解反应器被放置在所述高温炭化炉中；
所述检测机构和热解反应器通过支架固定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述多孔压板的表面上均布有轴向的圆孔。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述耐高温轻质连杆与热解反应器的筒壁之间，以及所述支杆与热解反应器的筒壁之间留有气体缓释空间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述耐高温轻质连杆与上连接法兰的通孔之间留有间隙。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述检测机构上设置有伺服电机，用于驱动所述安装挡板进行位移。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征是在所述密封波纹管以及上连接法兰和下连接法兰的外部设有伴热装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征是所述伴热装置的内部为缠绕的玻璃丝加热带，外部设有硅酸盐保温层。
8.利用权利要求1所述装置测定炼焦煤膨胀压力及膨胀位移的方法，是将待测试的煤样置于热解反应器中，并在煤样两端分别放置金属滤芯板和多孔压板后，以上连接法兰和下连接法兰将热解反应器的两端开口密封；检测机构的安装挡板上顺次连接耐高温弹簧和耐高温轻质连杆，耐高温轻质连杆的端头穿过上连接法兰后，与热解反应器上端的多孔压板接触；调节安装挡板控制耐高温弹簧形变，在煤样上方施加固定的压力；以高温炭化炉加热热解煤样，煤样热解过程中产生的膨胀压力和膨胀位移通过耐高温弹簧的形变，由检测机构上的压力传感器和位移传感器在线检测。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是所述的煤样为不同堆密度及粒径的单种炼焦煤，或者为炼焦煤与其他任何煤种以不同比例配合而成的配合煤。
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