CN203534992U - 固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统，该系统包括二氧化碳瓶、氧气瓶、氮气瓶、气体流量计、水蒸汽发生器、反应炉、气体分析仪和温度记录仪，该系统对于固体燃料与氧气、水蒸汽、二氧化碳的反应速度常数均能够的进行测定：固体燃料与氧气的反应速度常数是通过测定煤在氧气中的燃点，固体燃料燃烧后用实际温度下氧气的扩散速率来表征燃烧的速率；固体燃料与二氧化碳、水蒸汽的反应速度常数是测定不同温度下的实际反应速度，经处理后得到反应速度常数。本实用新型只需用少量的固体燃料，就可以得到固体燃料与氧气、二氧化碳、水蒸汽反应的反应速度常数，为固体燃料反应器的模拟计算提供基础数据。

Description

固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统

技术领域

本实用新型涉及固体燃料制燃气和化工原料气过程反应活性参数的测定，更具体的说，是涉及固体燃料与氧气、水蒸汽和二氧化碳反应时反应速度常数的测定系统。

背景技术

固体燃料包括煤炭、生物质、焦炭等固态可燃物质。固体燃料制燃气和化工原料气过程主要有固体燃料中碳与氧气、二氧化碳、水蒸汽的反应。反应式如下：

碳与氧气的反应：C+O₂=CO₂ΔH=-393.7kJ/mol

碳与水蒸汽的反应：C+H₂O=CO+H₂ΔH=+131.0kJ/mol

碳与二氧化碳的反应：C+CO₂=2COΔH=+172.2kJ/mol

上述反应速度的确定对于固体燃料气化工程设计和生产运行具有重要的作用。固体燃料气化过程反应速度表达式为：

r=kcⁿ

式中：r——反应速度，kmol/(m³·h)；

k——反应速度常数，h^-1；

c——反应物浓度，kmol/m³；

n——反应级数（一般情况下可视为1）；

反应速度常数k是综合考虑化学反应速度和传递过程速度的重要参数，其表达式为：

$k=\frac{1}{\frac{1}{k_g}+\frac{1}{{\mathrm{\ηk}}_r}}$

式中：k_g——传递速度常数，h^-1；

k_r——微观反应速度常数，h^-1；

η——固体燃料颗粒的孔效率。

微观化学反应速度常数的阿累尼乌斯表达式为：

k=k₀e^-E/RT

式中：k₀——指前因子，h^-1；

E——活化能，kJ/kmol；

R——气体常数，8.314kJ/(kmol·K)；

T——反应温度，K。

不同反应的反应速度常数差别较大，对于固体燃料与氧气反应，主要考虑传递速度常数的影响，需要测定固体燃料的燃点。对于固体燃料与二氧化碳和水蒸汽的反应，主要考虑微观反应速度常数的影响，需要测定指前因子和活化能。

目前，固体燃料气化反应速度常数的测定采用燃点测定装置测定燃点，固体燃料与二氧化碳和水蒸汽反应的指前因子和活化能一般用热天平采用失重法进行测定。采用上述方法的设备较多，测定过程较复杂，不同因素的影响难于定量区别，而且不能直接得出固体燃料与氧气、二氧化碳和水蒸汽的反应速度常数。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统，对于固体燃料与氧气、水蒸汽、二氧化碳的反应速度常数均能够方便地的进行测定。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下的技术方案予以实现：

一种固体燃料制气过程反应活性参数的测定系统，该系统包括二氧化碳瓶、氧气瓶、氮气瓶、气体流量计、水蒸汽发生器、反应炉、气体分析仪和温度记录仪；

所述二氧化碳瓶通过设置有第一阀门的管路、所述氧气瓶通过设置有第二阀门的管路、所述氮气瓶通过设置有第三阀门的管路分别连接于所述气体流量计，所述气体流量计通过设置有第五阀门的管路连接于所述反应炉的入口，所述气体流量计通过设置有第四阀门的管路连接于所述水蒸汽发生器，所述水蒸汽发生器通过设置有第六阀门的管路连接于所述反应炉的入口，所述反应炉的出口连接于所述气体分析仪，所述反应炉内设置有热电偶温度计，所述热电偶温度计用于将温度信号传递到所述温度记录仪。

其中，所述反应炉的反应管采用刚玉管，加热方式为电加热。

本实用新型的有益效果是：

采用本实用新型的测定系统，只需用少量的固体燃料，可在一个系统中测得固体燃料与氧气、二氧化碳、水蒸汽反应的实验数据，进而得到前述三个反应的反应速度常数，为固体燃料反应器的模拟计算提供基础数据。由于本实用新型的测定系统是模拟实际反应器的操作过程，因此所测定数据能够反应实际生产过程，数据较为可靠，为实际工程设计和生产操作提供了重要参数，为固体燃料气化过程的模拟寻优提供了便利条件。

附图说明

附图是本实用新型所提供的测定系统结构示意图。

图中：1，二氧化碳瓶；2，氧气瓶；3，氮气瓶；4，气体流量计；5，水蒸汽发生器；6，反应炉；7，气体分析仪；8，温度记录仪；9，第一阀门；10，第二阀门；11，第三阀门；12，第四阀门；13，第五阀门；14，第六阀门。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图所示，本实施例首先提出了一种固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统，主要包括二氧化碳瓶1、氧气瓶2、氮气瓶3、气体流量计4、水蒸汽发生器5、反应炉6、气体分析仪7、温度记录仪8。反应炉6的反应管采用刚玉管，反应管内下部设置有料托，可以装入和卸出反应物料；反应炉6用电加热，并设置有温度控制器以进行程序升温和温度控制。水蒸汽发生器5是用电加热并能控制温度的温水储罐，能够使氮气和蒸发的饱和水蒸汽充分混合。气体分析仪7主要用于分析一氧化碳、二氧化碳的含量。

二氧化碳瓶1、氧气瓶2和氮气瓶3分别通过管路连接于气体流量计4；二氧化碳瓶1与气体流量计4之间设置有第一阀门9，氧气瓶2与气体流量计4之间设置有第二阀门10，氮气瓶3与气体流量计4之间设置有第三阀门11。

气体流量计4一路直接连接于反应炉6的入口，气体流量计4与反应炉6直接连接的管路上设置有第五阀门13。

气体流量计4另一路通过管路连接于水蒸汽发生器5，水蒸汽发生器5通过管路连接于反应炉6的入口；反应炉6的出口连接于气体分析仪7。气体流量计4与水蒸汽发生器5之间设置有第四阀门12，水蒸汽发生器5与反应炉6之间设置有第六阀门14。

反应炉6内设置有热电偶温度计，热电偶温度计用于将温度信号传递到温度记录仪8。

二氧化碳瓶1的二氧化碳、氧气瓶2的氧气、氮气瓶3的氮气可以单独进入气体流量计4进行计量。经气体流量计4的计量后，二氧化碳和氧气直接进入反应炉6；氮气可直接进入反应炉6，也可经水蒸汽发生器5和水蒸汽一道进入反应炉6。反应炉6出口的气体经气体分析仪7后排出，反应炉6内的温度计测得的反应温度送至温度记录仪8。

本实施例的固体燃料制气过程反应速度常数的测定系统，其测定方法具体步骤如下：

（一）固体燃料与氧气反应速度常数的测定

①先将5～10克固体燃料放进反应炉6中反应管的料托内；

②打开氧气瓶2的第二阀门10和第五阀门13，将15～30L/min氧气通入反应炉6的反应管内；

③反应炉6以10～20℃/min的升温速率将反应管加热，同时温度记录仪8记录反应管物料温度，绘制燃烧反应升温曲线；

④操作人员根据燃烧反应升温曲线与反应炉6电加热升温曲线，得出固体燃料的燃点。燃烧反应开始以前，燃烧反应升温速率是电加热的恒定升温速率；燃烧反应开始以后直至固体燃料试样完全燃烧以前，由于燃烧放热使燃烧反应升温速率迅速增加，该燃烧反应时间段的升温曲线所处的直线与反应炉6电加热升温曲线的交点即为燃点。

⑤根据固体燃料的燃点和相关数据，计算得出固体燃料与氧气的反应速度常数。

由于低温时固体燃料与氧气的反应速度非常低，温度一旦达到燃点，固体燃料与氧的反应速度非常快，反应速度主要取决于氧气向固体燃料颗粒表面的扩散速度。根据测得的固体燃料在氧气中的燃点，确定在燃点时的氧气质量传递系数，即可通过该温度下的物性常数计算出固体燃料与氧气的反应速度常数，计算式如下：

${k_O}_2=\frac{\mathrm{Sh}\·D\·F}{D_k}$

Sh=2+0.552Re^0.53·Sc^0.33

$\mathrm{Re}=\frac{D_k\·u}{v}$

$\mathrm{Sc}=\frac{v}{D}$

式中：

——固体燃料与氧气的反应速度常数，h^-1；

D——在燃点时的氧气质量传递系数，m²/h；

F——固体燃料颗粒床层比表面积，m²/m³；

D_k——固体燃料颗粒直径，m；

Sh,Re,Sc——固体燃料气化过程反应剂流过固体燃料颗粒的舍伍德数、雷诺数、施密特数，；

u,ν——固体燃料气化过程反应剂流过固体燃料颗粒的动量扩散系数和质量扩散系数，m²/h。

（二）固体燃料与二氧化碳反应速度常数的测定

①固体燃料焦炭试样的制备。

固体燃料中含有挥发物质，测定固体燃料与二氧化碳的反应速度常数时，先要制备焦炭试样。将原料煤筛分成粒度为3～6mm的试样，将试样称重后放在反应炉6中反应管的料托内。打开第三阀门11和第五阀门13，将氮气瓶3内的氮气以15～30L/min的流量通入反应炉6的反应管内，反应炉6以10～20℃/min的升温速率将反应管加热到850℃后，用气体分析仪7分析反应炉6出口的气体组成，直到排出气体的氮气含量为98%以上，反应炉6停止加热。反应炉6冷却到常温后，取出料托中的焦炭作为固体燃料反应速度常数测定用的焦炭试样。

②二氧化碳气化过程基础数据测定。

a.将5～10克固体燃料焦炭试样放进反应炉6中反应管的料托内；

b.打开二氧化碳瓶2的第一阀门9和第五阀门13，经气体流量计4将二氧化碳通入反应炉6的反应管内，二氧化碳的流量为15～30L/min；

c.反应炉6以10～20℃/min的升温速率将反应物料加热至600℃，恒温一定时间，用气体分析仪7测定反应炉6出口CO的含量；

d.反应物料继续升温50℃，恒温一定时间，用气体分析仪7测定反应炉6出口CO的含量，直至反应物料达到1200℃为止。

③根据温度记录仪每次测定的反应物料温度T_R和该温度下测定的CO含量y_CO，以及相关数据，计算固体燃料与二氧化碳反应速度常数。计算式如下：

${k_{m,\mathrm{co}}}_2=\frac{\mathrm{Da}{V}_0{T}_R}{{m_{C,\mathrm{co}}}_2{T}_0}$

$\mathrm{Da}=\frac{y_{\mathrm{CO}}}{2-y_{\mathrm{CO}}}-2\ln \frac{2-{2y}_{\mathrm{CO}}}{2-y_{\mathrm{CO}}}$ $m_{C,{\mathrm{co}}_2}=m_{C,t-1}-k_{m,{\mathrm{co}}_2,t-1}{\mathrm{\τ}}_{t-1}{m}_{C,t-1}{M}_{C,\mathrm{mol}}$

式中：——固体燃料焦炭试样与二氧化碳反应以质量为基准的反应速度常数，mol/(g·h)或kmol/(kg·h)；

Da——无因次数；

V₀——T₀温度下CO₂的测量流量，mol／h；

T_R——反应物料温度，K；

——焦炭试样量，g；

T₀——大气温度，K；

y_CO——反应炉6出口CO含量，分子分数；

m_C,t-1——上一时间段固体燃料焦炭试样量，g；

——上一时间段内固体燃料焦炭试样与二氧化碳质量为基准的反应速度常数，mol/(g·h)或kmol/(kg·h)；

τ_t-1——上一时间段内的反应恒温时间，h。

M_C,mol——碳的相对分子量；

将测得的反应速度常数

替代化学反应速度的阿累尼乌斯通用表达式中的k，并对等式两边取对数，得：

将上述实验所得到的不同温度下反应速度常数

的对数与反应物料温度的倒数按一次函数回归，即可得到固体燃料焦炭试样与二氧化碳反应的活化能和指前因子，从而用阿累尼乌斯通用表达式可计算得出任何温度下的反应速度常数

进而计算出固体燃料焦炭试样与二氧化碳反应的反应速度常数

计算式如下：

${k_{r,\mathrm{CO}}}_2=V_{\mathrm{mol}}{k}_{m,{\mathrm{CO}}_2}\mathrm{\ρ}$

式中：

——碳与二氧化碳的反应速度常数，h^-1；

V_mol——1摩尔二氧化碳的体积，22.4L/mol或22.4m³/kmol；

ρ——焦炭试样的堆密度，kg/m³。

（三）固体燃料与水蒸汽反应速度常数测定步骤

①固体燃料焦炭试样的制备。

制备方法同固体燃料与二氧化碳反应速度常数测定。

②水蒸汽气化过程基础数据测定。

a.将5～10克固体燃料焦炭试样放进反应炉6中反应管的料托内；

b.打开水蒸汽发生器5，将其中的蒸馏水加热并稳定在一定温度（50～90℃），

c.打开第三阀门11、第四阀门12、第六阀门14，经气体流量计4将氮气通入水蒸汽发生器5中，氮气的流量为15～30L/min；水蒸汽与氮气混合后进入反应炉6的反应管内；

d.反应炉6以10～20℃/min的升温速率将反应物料加热至650℃，恒温一定时间，用气体分析仪7测定反应炉6出口CO、CO₂含量；

e.反应物料继续升温50℃，恒温一定时间，用气体分析仪7测定反应炉6出口CO、CO₂含量，直至反应物料达到1250℃为止。

③根据温度记录仪每次测定的反应物料温度T_R和该温度下测定的CO、CO₂含量，以及相关数据，计算固体燃料与水蒸汽反应速度常数。计算式如下：

$k_{m,H_{2}O}=\frac{1}{m_{C,H_{2}O}}\×\frac{V_{N_2,\mathrm{NTP}}{C}_{\mathrm{gas},\mathrm{NTP}}(T_{\mathrm{CO}}+Y_{{\mathrm{CO}}_2})}{C_{H_{2}O,(T_R,P_R)}(1-2Y_{\mathrm{CO}}-3Y_{{\mathrm{CO}}_2})}$

$m_{C,H_{2}O}=m_{C,t-1}-k_{m,H_{2}O,t-1}{\mathrm{\τ}}_{t-1}{m}_{C,t-1}{M}_{C,\mathrm{mol}}$

式中：

——固体燃料焦炭试样与水蒸汽反应以质量为基准的反应速度常数，mol/(g·h)或kmol/(kg·h)；

——焦碳试样量，g；

——氮气标准体积流量，mol／h；

C_gas,NTP——气体在标准状况下的浓度，22.4L/mol或22.4m³/kmol；

——反应器出口气体中CO、CO₂的含量，分子分数；

——水蒸汽在反应状态下的浓度（由饱和温度计算），mol/L或kmol/m³；

——上一时间段内煤与水蒸汽反应的质量为基准反应速度常数，mol/(g·h)或kmol/(kg·h)；

τ_t-1——上一时间段内的反应恒温时间，h。

m_C,t-1——上一时间段焦炭试样量，g；

M_C,mol——碳的相对分子量；

M_m——单位质量焦炭试样的摩尔数，kmol/kg。

将测得的反应速度常数

替代化学反应速度的阿累尼乌斯通用表达式中的k，并对等式两边取对数，得：

将上述实验所得到的不同温度下反应速度常数

的对数与反应物料温度的倒数按一次函数回归，即可得到固体燃料焦炭试样与水蒸汽反应的活化能和指前因子，从而用阿累尼乌斯通用表达式可计算得出任何温度下的反应速度常数

进而计算出固体燃料焦炭试样与水蒸汽反应的反应速度常数

计算式如下：

$k_{r,H_{2}O}=V_{\mathrm{mol}}{k}_{m,H_{2}O}\mathrm{\ρ}$

式中：

——碳与水蒸汽的反应速度常数，h^-1。

尽管上面结合附图和优选实施例对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种固体燃料制气过程反应活性参数的测定系统，其特征在于，该系统包括二氧化碳瓶、氧气瓶、氮气瓶、气体流量计、水蒸汽发生器、反应炉、气体分析仪和温度记录仪；

所述二氧化碳瓶通过设置有第一阀门的管路、所述氧气瓶通过设置有第二阀门的管路、所述氮气瓶通过设置有第三阀门的管路分别连接于所述气体流量计，所述气体流量计通过设置有第五阀门的管路连接于所述反应炉的入口，所述气体流量计通过设置有第四阀门的管路连接于所述水蒸汽发生器，所述水蒸汽发生器通过设置有第六阀门的管路连接于所述反应炉的入口，所述反应炉的出口连接于所述气体分析仪，所述反应炉内设置有热电偶温度计，所述热电偶温度计用于将温度信号传递到所述温度记录仪。

2.根据权利要求1所述的一种固体燃料制气过程反应活性参数的测定系统，其特征在于，所述反应炉的反应管采用刚玉管，加热方式为电加热。

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