CN113406297A - 一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种固体燃料加压氧‑水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置及其使用方法，它涉及一种气化/燃烧性能测试装置及其使用方法。解决现有缺少加压氧‑水蒸气燃烧方式性能评价的实验研究系统和方法。装置由惰性气体罐、氧气罐、高压恒流注水泵、给粉器、预热炉、加热带、预混罐、进样枪、一维炉、取样枪、气固分离器、耐高温背压阀、恒温箱、水汽分离器及烟气分析仪组成；方法：将固体燃料颗粒置于给粉器内，打开惰性气罐，将一维炉升温，打开惰性气罐及氧气罐，打开高压恒流注水泵，调节耐高温背压阀，打开给粉器进行热化学转化，同时气相检测。关闭注水泵、惰性气体罐及氧气罐，调节耐高温背压阀，关闭加热，残余颗粒样品及冷凝水检测，重复进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种气化/燃烧性能测试装置及其使用方法。
背景技术
电力行业是CO2排放最大的来源。CO2在温室气体中浓度最高，且对温室效应的贡献最大。为实现CO2近零排放，推动能源清洁高效开发利用，电力行业推行CO2捕集与封存技术。
加压氧-水蒸气富氧燃烧技术可以实现分离富集封存CO2。现有研究表明：在过程优化方面，由于没有烟气循环，采用氧-水蒸气燃烧技术的热力发电系统相比于传统富氧燃烧系统更加简单、紧凑、启停方便；在能效集成方面，水蒸气的热辐射系数较高，扩散能力强，有利于加强辐射换热和对流换热，提高燃烧室内的换热效率，降低成本；在排放特性方面，尾气中CO2浓度较高，利于捕集CO2，促进碳中和，且在尾气排出后水蒸气的相变过程中，SOx和NOx等污染物得以一体化脱除。
因此固体燃料在加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧反应对于提升发电效率、富集CO2、减少污染物排放具有重要意义。为实现加压氧-水蒸气条件下固体燃料的稳定高效燃烧，需要探究压力和水蒸气协同作用对固体燃料燃烧动力学及污染物排放的影响。
固体燃料的燃烧速率可以通过反应动力学模型进行定量表征，得到其与时间、反应条件等参数的关系。为了建立精确的模型，需要通过实验得到固体燃料在一定条件下转化率随反应时间的变化，再通过一定的计算方法得到反应动力学参数。一维炉常用于研究固体颗粒燃料燃烧反应动力学与污染物转化特性。
发明内容
本发明要解决现有缺少加压氧-水蒸气燃烧方式性能评价的实验研究系统和方法的问题，进而提供一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置及其使用方法。
一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，它包括第一惰性气体罐、第二惰性气体罐、第三惰性气体罐、氧气罐、高压恒流注水泵、加压给粉器、预热炉、加热带、预混罐、油循环进样枪、一维炉、油循环取样枪、气固分离器、耐高温背压阀、恒温箱、水汽分离器及烟气分析仪；
第一惰性气体罐与加压给粉器相连通，且加压给粉器与油循环进样枪的入口相连通；高压恒流注水泵、第二惰性气体罐及氧气罐均与预热炉的入口相连通，预热炉的出口与预混罐的入口通过水气混合管相连通；
油循环进样枪的出口位于一维炉的反应管上端内部，预混罐的出口与一维炉的反应管顶部通过水气混合进样管相连通；油循环取样枪的入口位于一维炉的反应管下端内部，且油循环取样枪的外壁与一维炉的反应管内壁相贴合，油循环取样枪的出口与气固分离器的入口相连通；第三惰性气体罐与一维炉的平衡气入口管连通；
一维炉的平衡气出口管及气固分离器的出口管均与总管相连通，且总管与水汽分离器的入口相连通，水汽分离器的出口与烟气分析仪的入口相连通；所述的总管上设置耐高温背压阀，且气固分离器及耐高温背压阀设置于恒温箱内；
所述的加热带包裹预混罐、水气混合管、水气混合进样管及平衡气出口管。
一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，它是按以下步骤进行的：
一、将固体燃料颗粒置于加压给粉器内；
二、打开第二惰性气体罐及第三惰性气体罐，调节压力及流量，使得第二惰性气体罐与第三惰性气体罐的流量相等；
三、将一维炉升温至反应温度，控制加热带、循环油循环进样枪、油循环取样枪及恒温箱的温度不低于加压工况下水蒸气沸点且不高于300℃；
四、打开第一惰性气罐及氧气罐，打开高压恒流注水泵，调节气流和水流，使得一维炉的反应管内反应气、稀释气及固体燃料颗粒携带气的流量总和与一维炉的反应管外平衡气流量相等，调节耐高温背压阀的压力并稳定；
所述的反应气为水蒸气与氧气罐通入的氧气；所述的水蒸气为高压恒流注水泵注入的水在气化后得到；所述稀释气为第二惰性气体罐通入的气体；所述的固体燃料颗粒携带气为第一惰性气罐通入；所述的平衡气为第三惰性气体罐通入；
五、打开加压给粉器，调节给料速率，固体燃料颗粒在气流的携带下，自上而下落入一维炉的反应管内，并在沉降过程中进行热化学转化；
六、使用烟气分析仪记录和保存气相检测数据；
七、加压给粉器进料结束后，关闭高压恒流注水泵、第一惰性气体罐及氧气罐，调节第二惰性气体罐与第三惰性气体罐的流量至相同；
八、调节耐高温背压阀，使管内气压降低至1个大气压；
九、关闭加热带、油循环进样枪、油循环取样枪及恒温箱的加热；
十、待一维炉和气固分离器温度降低至室温，然后关闭第二惰性气体罐与第三惰性气体罐，拆除并打开气固分离器，得到残余颗粒样品，将残余颗粒样品进行理化结构检测分析、热重分析及利用灰平衡法计算固体燃料颗粒中可燃组分的转化率，打开水汽分离器，收集冷凝水，进行污染物元素检测分析；
十一、调节油循环进样枪或油循环取样枪在一维炉炉膛轴线上的位置，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉高温反应区不同停留时间的热化学转化数据；或调整步骤三中的反应温度，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉高温反应区不同反应温度的热化学转化数据；最后计算反应动力学参数，根据残余颗粒样品、冷凝水和气相产物中污染物元素的形态与比例分析，获得污染物元素迁移转化与三相分配特性。
本发明的有益效果是：
本发明的目的是为提高固体燃料燃烧效率、富集CO2、减少污染物排放的加压氧-水蒸气燃烧方式性能评价提供一种实验研究系统和方法。该系统和方法可以在加压、高水蒸气浓度下实现固体燃料单颗粒连续稳定气化和燃烧，从而评价其气化/燃烧特性和污染物排放特性。气化/燃烧特性评价手段为建立固体燃料加压-氧-水蒸气气化/燃烧的动力学模型，需要借助该系统和方法得到动力学参数。动力学参数又是通过测定固体燃料在不同的停留时间内其燃尽率和烟气成分计算而来。烟气成分和燃烧残余固相分析又可以提供污染物迁移和转化特性。
1、本发明对管路、进样、取样和气固分离装置进行加热，实现了高压工况下水维持气相，使得压力控制稳定，精确；
2、本发明利用高压恒流注水泵在高压条件下精确注入液态水，结合预热炉和被加热带加热的预混罐实现水蒸气均匀进入反应系统，减少流量波动；
3、本发明通过对进样枪、取样枪通入高温导热油，精准温控，能实现固体燃料在落入其中时不发生化学反应且水呈气相。例如10个大气压条件下水的沸点约为180℃，固体燃料气化反应温度在300℃以上，此时设定油温为200℃。精准控制固体燃料在沉降阶段处于高温区的长度，进而控制其处于高温反应区的停留时间，用于反应动力学研究；
4、本发明利用恒温箱和气固分离器能实现热态条件下气固分离，收集反应残余固体燃料颗粒，进行固相检测分析。利用水汽分离器冷凝反应后排出的水蒸气，存储液态水，避免高浓度水蒸气对气体检测设备的不利影响，且能对冷凝水取样，实现在降压、降温和相变过程中溶解于冷凝水的污染物检测。
附图说明
图1为本发明一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，它包括第一惰性气体罐1-1、第二惰性气体罐1-2、第三惰性气体罐1-3、氧气罐2、高压恒流注水泵3、加压给粉器6、预热炉7、加热带8、预混罐9、油循环进样枪10、一维炉11、油循环取样枪12、气固分离器14、耐高温背压阀15、恒温箱16、水汽分离器17及烟气分析仪18；
第一惰性气体罐1-1与加压给粉器6相连通，且加压给粉器6与油循环进样枪10的入口相连通；高压恒流注水泵3、第二惰性气体罐1-2及氧气罐2均与预热炉7的入口相连通，预热炉7的出口与预混罐9的入口通过水气混合管相连通；
油循环进样枪10的出口位于一维炉11的反应管上端内部，预混罐9的出口与一维炉11的反应管顶部通过水气混合进样管相连通；油循环取样枪12的入口位于一维炉11的反应管下端内部，且油循环取样枪12的外壁与一维炉11的反应管内壁相贴合，油循环取样枪12的出口与气固分离器14的入口相连通；第三惰性气体罐1-3与一维炉11的平衡气入口管连通；
一维炉11的平衡气出口管及气固分离器14的出口管均与总管相连通，且总管与水汽分离器17的入口相连通，水汽分离器17的出口与烟气分析仪18的入口相连通；所述的总管上设置耐高温背压阀15，且气固分离器14及耐高温背压阀15设置于恒温箱16内；
所述的加热带8包裹预混罐9、水气混合管、水气混合进样管及平衡气出口管。
具体实施方式第一惰性气体罐1-1、第二惰性气体罐1-2、氧气2、高压恒流注水泵3、加压给粉器6、预热炉7、预混罐9构成加压进样单元；一维炉11及第三惰性气体罐1-3构成气化/燃烧单元；油循环取样枪12、气固分离器14及耐高温背压阀15构成固体颗粒取样单元；加热带8、油循环进样枪10、油循环取样枪12及恒温箱16构成保温单元；水汽分离器17及烟气分析仪18构成检测分析单元5。
1加压进样单元，用于固体燃料颗粒进样和提供反应所需气氛；即在提供加压气化/燃烧所处的高压富氧富水蒸气气氛的同时实现固体燃料单颗粒连续给进。
2气化/燃烧单元，用于颗粒在气流的携带下，自上而下落入高温反应管内，并在沉降过程中进行热化学转化；即进行气化反应和燃烧反应。
3固体颗粒取样单元，可在一维炉轴线方向移动，实现不同停留时间的取样，分离固相产物和尾气含有水蒸气的气相产物与固相固体燃料样品。可用于获取固体燃料不同热化学转化时间残留颗粒。
4保温单元，其用于控制进样和取样组件内温度，既能高压下维持水呈气相又不至于使颗粒发生化学反应；
5检测分析单元，其用于尾气中水蒸气冷凝、存储和对产物气进行在线监测分析，分析气相产物释放规律，获取固体燃料燃尽程度和污染物排放特性。
本具体实施方式油循环取样枪12既属于固体颗粒取样单元又属于保温单元，可在一维炉轴线方向移动，控制固体燃料颗粒在气化/燃烧单元中沉降的距离，控制反应时间，实现不同停留时间取样。
具体实施方式高压恒流注水泵3能够在3MPa压力下连续稳定注水，加压给粉器6能够在3MPa压力下连续稳定给进颗粒。
具体实施方式加热带8、恒温箱16能够加热到不低于230℃。
具体实施方式气固分离器14的密封装置耐230℃，3MPa。
具体实施方式耐高温背压阀15能在230℃，3MPa条件下稳定精确控压。
具体实施方式经过水汽分离器17后尾气中水蒸气冷凝为液态水并存储其中，气体排出。
具体实施方式各组件使用外径6mm、内径4mm的316不锈钢管依次连接。
由于加压条件下水的沸点高于100℃，本具体实施方式控制循环油循环进样枪10和油循环取样枪12、加热带8、恒温箱16和耐高温背压阀15，使得加压反应系统内的水维持气相，实现固体燃料在加压氧-水蒸气条件下气化反应和燃烧反应，同时保证在进样单元、取样单元内温度不高于固体燃料气化反应温度，严格控制固体燃料只在设定的高温段反应，还能实现燃烧残余固体燃料的固相取样，以便进行固相分析。利用冷凝除水单元分离出产物气中的水，进而能够通入气体检测设备以实现在线监测。
具体实施方式使用带温度控制器的加热带8为反应气进气管和预混罐9加热至高于加压条件下水的沸点温度。
具体实施方式循环油循环进样枪10和油循环取样枪12外的耐高温导热油加热至高于加压条件下水的沸点但又不至于使固体燃料发生气化反应的温度，进一步地维持油循环进样枪和油循环取样枪温度，保证固体燃料只在油循环进样枪和油循环取样枪之间的高温段发生化学反应。
具体实施方式使用恒温箱16为气固分离器14和耐高温背压阀15加热至高于加压条件下水的沸点温度，从而保证压力控制前水呈气相，不会因为相变而影响压力。同时实现残余固体燃料和尾气的分离，收集干燥的固体燃料样品。
具体实施方式使用水汽分离器17实现在反应过程中不断地使尾气中水蒸气冷凝，收集冷凝水，分离液态水和产物气，便于产物气在线监测和后续冷凝水中污染物监测分析。
具体实施方式对煤以外的固体燃料如焦炭和生物质也具有适用性。
本具体实施方式的有益效果是：
本具体实施方式的目的是为提高固体燃料燃烧效率、富集CO2、减少污染物排放的加压氧-水蒸气燃烧方式性能评价提供一种实验研究系统和方法。该系统和方法可以在加压、高水蒸气浓度下实现固体燃料单颗粒连续稳定气化和燃烧，从而评价其气化/燃烧特性和污染物排放特性。气化/燃烧特性评价手段为建立固体燃料加压-氧-水蒸气气化/燃烧的动力学模型，需要借助该系统和方法得到动力学参数。动力学参数又是通过测定固体燃料在不同的停留时间内其燃尽率和烟气成分计算而来。烟气成分和燃烧残余固相分析又可以提供污染物迁移和转化特性。
1、本具体实施方式对管路、进样、取样和气固分离装置进行加热，实现了高压工况下水维持气相，使得压力控制稳定，精确；
2、本具体实施方式利用高压恒流注水泵在高压条件下精确注入液态水，结合预热炉和被加热带加热的预混罐实现水蒸气均匀进入反应系统，减少流量波动；
3、本具体实施方式通过对进样枪、取样枪通入高温导热油，精准温控，能实现固体燃料在落入其中时不发生化学反应且水呈气相。例如10个大气压条件下水的沸点约为180℃，固体燃料气化反应温度在300℃以上，此时设定油温为200℃。精准控制固体燃料在沉降阶段处于高温区的长度，进而控制其处于高温反应区的停留时间，用于反应动力学研究；
4、本具体实施方式利用恒温箱和气固分离器能实现热态条件下气固分离，收集反应残余固体燃料颗粒，进行固相检测分析。利用水汽分离器冷凝反应后排出的水蒸气，存储液态水，避免高浓度水蒸气对气体检测设备的不利影响，且能对冷凝水取样，实现在降压、降温和相变过程中溶解于冷凝水的污染物检测。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的循环油循环进样枪10和油循环取样枪12外设置耐高温导热的油层。其它与具体实施方式一相同。
本具体实施方式油循环进样枪10和油循环取样枪12外有进出油口，内有空腔。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：利用油循环温度控制机13循环并控制油循环进样枪10和油循环取样枪12外部设置的油层及油层温度。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式油循环温度控制机13能够加热到不低于230℃。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的油循环取样枪12上表面的外壁与内壁之间设置有环形斜面，且环形斜面的外壁高度大于环形斜面的内壁高度。其它与具体实施方式一至三相同。
本具体实施方式环形斜面便于收集气化/燃烧残余颗粒。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的气固分离器14中间设置不锈钢筛网。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式气固分离器14中间设置不锈钢筛网，收集残余颗粒。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：第一惰性气体罐1-1与加压给粉器6之间的管路上设置第一减压阀4-1及第一质量流量计5-1；第二惰性气体罐1-2与预热炉7之间的管路上设置第二减压阀4-2及第二质量流量计5-2；氧气罐2与预热炉7之间的管路上设置第三减压阀4-3及第三质量流量计5-3；第三惰性气体罐1-3与一维炉11之间的管路上设置第四减压阀4-4及第四质量流量计5-4。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，它是按以下步骤进行的：
一、将固体燃料颗粒置于加压给粉器6内；
二、打开第二惰性气体罐1-2及第三惰性气体罐1-3，调节压力及流量，使得第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3的流量相等；
三、将一维炉11升温至反应温度，控制加热带8、循环油循环进样枪10、油循环取样枪12及恒温箱16的温度不低于加压工况下水蒸气沸点且不高于300℃；
四、打开第一惰性气罐1-1及氧气罐2，打开高压恒流注水泵3，调节气流和水流，使得一维炉11的反应管内反应气、稀释气及固体燃料颗粒携带气的流量总和与一维炉11的反应管外平衡气流量相等，调节耐高温背压阀15的压力并稳定；
所述的反应气为水蒸气与氧气罐2通入的氧气；所述的水蒸气为高压恒流注水泵3注入的水在气化后得到；所述稀释气为第二惰性气体罐1-2通入的气体；所述的固体燃料颗粒携带气为第一惰性气罐1-1通入；所述的平衡气为第三惰性气体罐1-3通入；
五、打开加压给粉器6，调节给料速率，固体燃料颗粒在气流的携带下，自上而下落入一维炉11的反应管内，并在沉降过程中进行热化学转化；
六、使用烟气分析仪18记录和保存气相检测数据；
七、加压给粉器6进料结束后，关闭高压恒流注水泵3、第一惰性气体罐1-1及氧气罐2，调节第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3的流量至相同；
八、调节耐高温背压阀15，使管内气压降低至1个大气压；
九、关闭加热带8、油循环进样枪10、油循环取样枪12及恒温箱16的加热；
十、待一维炉11和气固分离器14温度降低至室温，然后关闭第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3，拆除并打开气固分离器14，得到残余颗粒样品，将残余颗粒样品进行理化结构检测分析、热重分析及利用灰平衡法计算固体燃料颗粒中可燃组分的转化率，打开水汽分离器17，收集冷凝水，进行污染物元素检测分析；
十一、调节油循环进样枪10或油循环取样枪12在一维炉11炉膛轴线上的位置，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉11高温反应区不同停留时间的热化学转化数据；或调整步骤三中的反应温度，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉11高温反应区不同反应温度的热化学转化数据；最后计算反应动力学参数，根据残余颗粒样品、冷凝水和气相产物中污染物元素的形态与比例分析，获得污染物元素迁移转化与三相分配特性。
本实施方式步骤二中流量调节使炉内温度场尽量均匀，防止过热。
本具体实施方式步骤二中保证第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3的压力及流量分别相等，维持一维炉反应管内外压力相同。
本实施方式步骤六中烟气分析仪18检测气体CO2/CO/O2/CH4及污染物NO/NO2/N2O/SO2/HCN/NH3等。
本实施方式步骤十中所述的理化结构检测分析为物理结构孔隙率，比表面积等、化学结构C/H/O/N/S元素含量、赋存形态及相对占比、石墨化程度、微晶结构等。
本实施方式步骤十中所述的污染物元素检测分析分析N/S元素。
本实施方式步骤十一中所述的反应动力学参数为前因子、活化能等。
本实施方式不管在升温还是反应阶段，有没有开反应气或者携带气，都遵循反应管内气流总量＝反应管外平衡气气流，避免反应管炸裂。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤一中所述的固体燃料颗粒为焦炭颗粒、煤颗粒、生物质燃料颗粒及生物质焦炭。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八之一不同的是：步骤三中所述的反应温度为400℃～1200℃。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤四中调节耐高温背压阀(15)的压力至0.1MPa～3.0MPa并稳定。其它与具体实施方式七至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，它包括第一惰性气体罐1-1、第二惰性气体罐1-2、第三惰性气体罐1-3、氧气罐2、高压恒流注水泵3、加压给粉器6、预热炉7、加热带8、预混罐9、油循环进样枪10、一维炉11、油循环取样枪12、气固分离器14、耐高温背压阀15、恒温箱16、水汽分离器17及烟气分析仪18；
第一惰性气体罐1-1与加压给粉器6相连通，且加压给粉器6与油循环进样枪10的入口相连通；高压恒流注水泵3、第二惰性气体罐1-2及氧气罐2均与预热炉7的入口相连通，预热炉7的出口与预混罐9的入口通过水气混合管相连通；
油循环进样枪10的出口位于一维炉11的反应管上端内部，预混罐9的出口与一维炉11的反应管顶部通过水气混合进样管相连通；油循环取样枪12的入口位于一维炉11的反应管下端内部，且油循环取样枪12的外壁与一维炉11的反应管内壁相贴合，油循环取样枪12的出口与气固分离器14的入口相连通；第三惰性气体罐1-3与一维炉11的平衡气入口管连通；
一维炉11的平衡气出口管及气固分离器14的出口管均与总管相连通，且总管与水汽分离器17的入口相连通，水汽分离器17的出口与烟气分析仪18的入口相连通；所述的总管上设置耐高温背压阀15，且气固分离器14及耐高温背压阀15设置于恒温箱16内；
所述的加热带8包裹预混罐9、水气混合管、水气混合进样管及平衡气出口管。
所述的循环油循环进样枪10和油循环取样枪12外设置耐高温导热的油层。
利用油循环温度控制机13循环并控制油循环进样枪10和油循环取样枪12外部设置的油层及油层温度。
所述的油循环取样枪12上表面的外壁与内壁之间设置有环形斜面，且环形斜面的外壁高度大于环形斜面的内壁高度。
所述的气固分离器14中间设置不锈钢筛网。
第一惰性气体罐1-1与加压给粉器6之间的管路上设置第一减压阀4-1及第一质量流量计5-1；第二惰性气体罐1-2与预热炉7之间的管路上设置第二减压阀4-2及第二质量流量计5-2；氧气罐2与预热炉7之间的管路上设置第三减压阀4-3及第三质量流量计5-3；第三惰性气体罐1-3与一维炉11之间的管路上设置第四减压阀4-4及第四质量流量计5-4。
所述的固体燃料颗粒为焦炭，一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，它是按以下步骤进行的：
一、将固体燃料颗粒置于加压给粉器6内；
二、打开第二惰性气体罐1-2及第三惰性气体罐1-3，调节压力及流量，使得第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3的流量相等；
三、将一维炉11升温至反应温度，控制加热带8、循环油循环进样枪10、油循环取样枪12及恒温箱16的温度不低于加压工况下水蒸气沸点且不高于300℃；
四、打开第一惰性气罐1-1及氧气罐2，打开高压恒流注水泵3，调节气流和水流，使得一维炉11的反应管内反应气、稀释气及固体燃料颗粒携带气的流量总和与一维炉11的反应管外平衡气流量相等，调节耐高温背压阀15的压力并稳定；
所述的反应气为水蒸气与氧气罐2通入的氧气；所述的水蒸气为高压恒流注水泵3注入的水在气化后得到；所述稀释气为第二惰性气体罐1-2通入的气体；所述的固体燃料颗粒携带气为第一惰性气罐1-1通入；所述的平衡气为第三惰性气体罐1-3通入；
五、打开加压给粉器6，调节给料速率，固体燃料颗粒在气流的携带下，自上而下落入一维炉11的反应管内，并在沉降过程中进行热化学转化；
六、使用烟气分析仪18记录和保存气相检测数据；
七、加压给粉器6进料结束后，关闭高压恒流注水泵3、第一惰性气体罐1-1及氧气罐2，调节第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3的流量至相同；
八、调节耐高温背压阀15，使管内气压降低至1个大气压；
九、关闭加热带8、油循环进样枪10、油循环取样枪12及恒温箱16的加热；
十、待一维炉11和气固分离器14温度降低至室温，然后关闭第二惰性气体罐1-2与第三惰性气体罐1-3，拆除并打开气固分离器14，得到残余颗粒样品，将残余颗粒样品进行理化结构检测分析、热重分析及利用灰平衡法计算固体燃料颗粒中可燃组分的转化率，打开水汽分离器17，收集冷凝水，进行污染物元素检测分析；
十一、调节油循环进样枪10或油循环取样枪12在一维炉11炉膛轴线上的位置，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉11高温反应区不同停留时间的热化学转化数据；或调整步骤三中的反应温度，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉11高温反应区不同反应温度的热化学转化数据；最后计算反应动力学参数，根据残余颗粒样品、冷凝水和气相产物中污染物元素的形态与比例分析，获得污染物元素迁移转化与三相分配特性。
本实施例步骤六中烟气分析仪18检测气体CO2/CO/O2/CH4及污染物NO/NO2/N2O/SO2/HCN/NH3等。
本实施例步骤十中所述的理化结构检测分析为物理结构孔隙率，比表面积、化学结构C/H/O/N/S元素含量、赋存形态及相对占比、石墨化程度、微晶结构等。
本实施例步骤十中所述的污染物元素检测分析分析N/S元素。
本实施例步骤十一中所述的反应动力学参数为前因子、活化能等。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：步骤一中所述的固体燃料颗粒为秸秆粉末。其它与实施例一相同。
使用烟气分析仪18记录和保存气相检测数据，将残余颗粒样品进行理化结构检测分析、热重分析及利用灰平衡法计算固体燃料颗粒中可燃组分的转化率，收集冷凝水进行污染物元素检测分析，通过上述检测进而得出固体燃料在不同的反应温度及停留时间内其燃尽率和烟气成分，然后通过固体燃料在不同反应温度和不同停留时间工况下转化率，得出动力学参数，具体为指前因子、活化能等，而且烟气成分、燃烧残余固相和冷凝水分析中的污染物元素的形态与比例分析，又可以提供污染物迁移转化和与三相分配特性。
实施例一及二主要目的在于得到不同压力下固体燃料燃烧的反应动力学参数，附带得到污染物转化情况。步骤四中调节耐高温背压阀15的压力在0.1MPa～3.0MPa中取至少4个压力点。
在每一个设定的压力下求解反应动力学参数，需要在此压力下进行几个不同温度(400℃～1200℃中取至少4个温度点)和停留时间(0.1s～3.0s中取至少4个时间点)的实验：
在循环油循环进样枪10和油循环取样枪12之间距离不变的情况下，为保证在停留时间相同，气流和水流需依据压力值进行调整，例如在0.1MPa时反应管内气流总量V，反应管平衡气流量V。当增加压力时流量随之增加，0.2MPa时二者都为2V，0.3MPa时都为3V。
Claims (10)
1.一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于它包括第一惰性气体罐(1-1)、第二惰性气体罐(1-2)、第三惰性气体罐(1-3)、氧气罐(2)、高压恒流注水泵(3)、加压给粉器(6)、预热炉(7)、加热带(8)、预混罐(9)、油循环进样枪(10)、一维炉(11)、油循环取样枪(12)、气固分离器(14)、耐高温背压阀(15)、恒温箱(16)、水汽分离器(17)及烟气分析仪(18)；
第一惰性气体罐(1-1)与加压给粉器(6)相连通，且加压给粉器(6)与油循环进样枪(10)的入口相连通；高压恒流注水泵(3)、第二惰性气体罐(1-2)及氧气罐(2)均与预热炉(7)的入口相连通，预热炉(7)的出口与预混罐(9)的入口通过水气混合管相连通；
油循环进样枪(10)的出口位于一维炉(11)的反应管上端内部，预混罐(9)的出口与一维炉(11)的反应管顶部通过水气混合进样管相连通；油循环取样枪(12)的入口位于一维炉(11)的反应管下端内部，且油循环取样枪(12)的外壁与一维炉(11)的反应管内壁相贴合，油循环取样枪(12)的出口与气固分离器(14)的入口相连通；第三惰性气体罐(1-3)与一维炉(11)的平衡气入口管连通；
一维炉(11)的平衡气出口管及气固分离器(14)的出口管均与总管相连通，且总管与水汽分离器(17)的入口相连通，水汽分离器(17)的出口与烟气分析仪(18)的入口相连通；所述的总管上设置耐高温背压阀(15)，且气固分离器(14)及耐高温背压阀(15)设置于恒温箱(16)内；
所述的加热带(8)包裹预混罐(9)、水气混合管、水气混合进样管及平衡气出口管。
2.根据权利要求1所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于所述的循环油循环进样枪(10)和油循环取样枪(12)外设置耐高温导热的油层。
3.根据权利要求2所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于利用油循环温度控制机(13)循环并控制油循环进样枪(10)和油循环取样枪(12)外部设置的油层及油层温度。
4.根据权利要求1所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于所述的油循环取样枪(12)上表面的外壁与内壁之间设置有环形斜面，且环形斜面的外壁高度大于环形斜面的内壁高度。
5.根据权利要求1所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于所述的气固分离器(14)中间设置不锈钢筛网。
6.根据权利要求1所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置，其特征在于第一惰性气体罐(1-1)与加压给粉器(6)之间的管路上设置第一减压阀(4-1)及第一质量流量计(5-1)；第二惰性气体罐(1-2)与预热炉(7)之间的管路上设置第二减压阀(4-2)及第二质量流量计(5-2)；氧气罐(2)与预热炉(7)之间的管路上设置第三减压阀(4-3)及第三质量流量计(5-3)；第三惰性气体罐(1-3)与一维炉(11)之间的管路上设置第四减压阀(4-4)及第四质量流量计(5-4)。
7.如权利要求1所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：
一、将固体燃料颗粒置于加压给粉器(6)内；
二、打开第二惰性气体罐(1-2)及第三惰性气体罐(1-3)，调节压力及流量，使得第二惰性气体罐(1-2)与第三惰性气体罐(1-3)的流量相等；
三、将一维炉(11)升温至反应温度，控制加热带(8)、循环油循环进样枪(10)、油循环取样枪(12)及恒温箱(16)的温度不低于加压工况下水蒸气沸点且不高于300℃；
四、打开第一惰性气罐(1-1)及氧气罐(2)，打开高压恒流注水泵(3)，调节气流和水流，使得一维炉(11)的反应管内反应气、稀释气及固体燃料颗粒携带气的流量总和与一维炉(11)的反应管外平衡气流量相等，调节耐高温背压阀(15)的压力并稳定；
所述的反应气为水蒸气与氧气罐(2)通入的氧气；所述的水蒸气为高压恒流注水泵(3)注入的水在气化后得到；所述稀释气为第二惰性气体罐(1-2)通入的气体；所述的固体燃料颗粒携带气为第一惰性气罐(1-1)通入；所述的平衡气为第三惰性气体罐(1-3)通入；
五、打开加压给粉器(6)，调节给料速率，固体燃料颗粒在气流的携带下，自上而下落入一维炉(11)的反应管内，并在沉降过程中进行热化学转化；
六、使用烟气分析仪(18)记录和保存气相检测数据；
七、加压给粉器(6)进料结束后，关闭高压恒流注水泵(3)、第一惰性气体罐(1-1)及氧气罐(2)，调节第二惰性气体罐(1-2)与第三惰性气体罐(1-3)的流量至相同；
八、调节耐高温背压阀(15)，使管内气压降低至1个大气压；
九、关闭加热带(8)、油循环进样枪(10)、油循环取样枪(12)及恒温箱(16)的加热；
十、待一维炉(11)和气固分离器(14)温度降低至室温，然后关闭第二惰性气体罐(1-2)与第三惰性气体罐(1-3)，拆除并打开气固分离器(14)，得到残余颗粒样品，将残余颗粒样品进行理化结构检测分析、热重分析及利用灰平衡法计算固体燃料颗粒中可燃组分的转化率，打开水汽分离器(17)，收集冷凝水，进行污染物元素检测分析；
十一、调节油循环进样枪(10)或油循环取样枪(12)在一维炉(11)炉膛轴线上的位置，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉(11)高温反应区不同停留时间的热化学转化数据；或调整步骤三中的反应温度，重复步骤一至步骤十，得到固体燃料颗粒在一维炉(11)高温反应区不同反应温度的热化学转化数据；最后计算反应动力学参数，根据残余颗粒样品、冷凝水和气相产物中污染物元素的形态与比例分析，获得污染物元素迁移转化与三相分配特性。
8.根据权利要求7所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，其特征在于步骤一中所述的固体燃料颗粒为焦炭颗粒、煤颗粒、生物质燃料颗粒及生物质焦炭。
9.根据权利要求7所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，其特征在于步骤三中所述的反应温度为400℃～1200℃。
10.根据权利要求7所述的一种固体燃料加压氧-水蒸气条件下的气化/燃烧性能测试装置的使用方法，其特征在于步骤四中调节耐高温背压阀(15)的压力至0.1MPa～3.0MPa并稳定。
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